铁路隧道衬砌混凝土温度裂缝原因分析与防治措施

王家赫 黄法礼 李化建 仲新华 谢永江

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

我国铁路工程建设的重点逐步向西部地区转移。西部地区山峦众多、地形复杂，隧道工程建造过程容易受到不良地质条件、障碍物、复杂严酷环境等的影响［1-2］。特别是高速铁路隧道，因其断面面积大、施工风险高、耐久性要求高等特点，往往成为全线控制性工程。

我国铁路暗挖隧道普遍采用复合式衬砌支护体系。复合式衬砌由“围岩+初期支护+二次衬砌”共同组成，并在初期支护与二次衬砌之间设置防水隔离层。地下水状况和围岩级别不同，复合式衬砌的形式也不同。Ⅰ级和Ⅱ级围岩隧道的复合式衬砌通常采用曲墙带底板的结构形式，地下水特别发育时可采用曲墙带浅仰拱形式。Ⅲ级围岩隧道的底部位于弱风化、完整性好的硬质岩时，可采用拱墙加底板结构形式，底板施工前先施作10 cm 厚的混凝土找平层。当底部为软质岩、节理裂隙发育的硬质岩时，可采用曲墙带仰拱的结构形式。Ⅳ～Ⅵ级围岩隧道采用曲墙带仰拱的结构形式。

TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》规定，在复合式衬砌支护体系结构设计中，初期支护应按主要承载结构计算，二次衬砌在Ⅰ～Ⅲ级围岩可作为安全储备，在Ⅳ～Ⅵ级围岩宜按照承载结构设计。具体而言，Ⅲ级围岩可取计算荷载的20%，Ⅳ级围岩可取50%，Ⅴ级围岩可取70%。即在复合式衬砌结构体系中二次衬砌混凝土主要作为安全储备，并承担由于初期支护可能劣化而作用于二次衬砌上的荷载或由于软岩蠕变、环境条件变化等引起的附加荷载。工程实践表明，隧道衬砌混凝土由荷载或者非荷载因素导致的开裂现象时有发生，这严重影响了隧道衬砌结构的完整性和承载能力，同时也为围岩中有害物质的侵入提供通道，对隧道结构耐久性影响较大。

本文分析696座服役隧道衬砌混凝土的开裂情况及其影响因素，针对非荷载因素中温度应力导致的开裂，探讨隧道衬砌混凝土温度裂缝的防治措施。

1 隧道衬砌混凝土开裂现象及原因分析

1.1 隧道衬砌混凝土裂缝分类

隧道衬砌结构处于复杂的围岩地质条件中，在作为安全储备的同时也将承受由于围岩变形、松动等导致的附加荷载。现场调查结果表明，隧道衬砌混凝土裂缝大多出现在隧道建成初期，甚至在建设过程中即产生了大量裂缝［3-5］。在隧道建成后5～10 年内裂缝产生的数量较少，在建成10年后由于各种原因也会出现损坏、渗漏等劣化现象。隧道衬砌混凝土裂缝产生的原因较多，依据是否承受荷载作用可分为荷载裂缝和非荷载裂缝。

荷载裂缝主要是指由于直接承受围岩等外部荷载或次生应力而产生的裂缝。当混凝土实际承受拉应力达到其极限抗拉强度时即出现裂缝，包括压裂性裂缝、拉裂性裂缝和剪切裂缝。

非荷载裂缝主要是指衬砌混凝土在未承受荷载时，由于自身温度或收缩变形受到约束产生拉应力，当该拉应力达到混凝土极限抗拉强度时产生的裂缝。

1.2 隧道衬砌混凝土开裂情况

混凝土是一种准脆性材料，无论是荷载因素还是非荷载因素导致的开裂，都会迅速产生宏观裂缝，对衬砌混凝土耐久性造成严重影响。已有研究表明，隧道衬砌混凝土因荷载作用导致的开裂主要呈纵向裂缝或斜向裂缝，而因非荷载作用导致的开裂则主要呈现环向裂缝［6］。工程实践表明，环向裂缝是目前隧道衬砌混凝土中数量最多的裂缝形式。为准确了解工程现场隧道衬砌混凝土裂缝形式及数量，本文通过文献调研，汇总国内外目前服役隧道696 座，分析其开裂情况（表1）。

表1 国内外隧道衬砌混凝土开裂情况

由表1 可知，隧道衬砌混凝土因非荷载因素导致的环向裂缝较多，且上述裂缝主要出现在施工缝、沉降缝或伸缩缝附近。对于隧道衬砌混凝土结构，其非荷载因素主要包括温度应力和收缩应力。隧道衬砌混凝土厚度通常为0.7～1.5 m，是典型的大体积混凝土结构。因此，其非荷载因素中温度应力导致的开裂占比很大。本文重点讨论隧道衬砌混凝土温度应力导致的开裂现象，并总结相应的防治措施。

1.3 隧道衬砌混凝土温度应力

在施工过程中水泥水化产生大量水化热，而混凝土本身为热的不良导体，所以大体积混凝土内部温度显著高于周围环境温度。在混凝土浇筑完成后一段时间，内部温度开始下降，且混凝土表面温度下降速率远大于其内部温度变化速率，进而产生温度应力［11-12］。根据产生原因，可以将隧道衬砌混凝土温度应力分为约束应力和非线性应力。

1）约束应力。由于衬砌混凝土结构温度变化而产生温度变形，当受到周围结构（如隧道初期支护、围岩等）约束时，温度变形得不到释放从而在混凝土结构内部产生温度应力。

2）非线性应力。隧道衬砌混凝土浇筑完成后，其内部温度由于水泥水化放热作用而迅速升高［13］。当水泥水化放热基本完成后，在环境温度作用下混凝土表面和内部温度均开始下降。但由于混凝土导热性能较差，衬砌混凝土表面温度下降较快而内部核心区混凝土温度下降较慢，便在衬砌混凝土中出现温度梯度。温度不均匀分布直接导致大体积混凝土（隧道衬砌）内部各位置处变形不均匀，从而出现自生应力。需要注意的是，大体积混凝土因温度非线性分布产生的应力不受周围约束条件的影响，即使大体积混凝土处于完全自由状态，该温度非线性应力仍然存在。

在工程实践中，隧道衬砌混凝土温度应力为约束应力和非线性应力的叠加作用。

2 混凝土温度场及温度应力研究现状

国外关于混凝土温度应力导致开裂问题的研究始于20 世纪30 年代。在北美一个大体积混凝土大坝施工过程中，研究人员认识到由于水泥水化放热，大体积混凝土会有明显的内部温度升高现象，并在温度下降过程中因周围约束或温度分布不均匀而导致开裂。20世纪60年代，混凝土弹塑性力学和徐变理论已比较完善，研究人员开始从理论方面对混凝土温度应力进行深入研究。Vecchio［14］采用非线性分析方法对大体积钢筋混凝土结构内部温度场和温度应力进行数值模拟计算，并给出了相应的计算程序和算法。Elgaaly［15］对大体积混凝土早龄期温度场及温度应力进行试验研究，包括混凝土体积膨胀试验、松弛试验等，研究了大体积混凝土因内部温度变化而导致的开裂问题，并基于传热学基本原理建立了混凝土内部温度变化计算模型。Larson［16］采用有限单元法对隧道衬砌混凝土温度场和温度应力进行计算，计算速度快，结果与试验测试值吻合良好。

国内对大体积混凝土裂缝问题的研究始于20 世纪50 年代，文献［3］对大体积混凝土温度场和温度应力进行了大量研究，并改进了大体积混凝土温度场和温度应力的计算模型，使得温度场计算更为简单快捷。文献［17］提出了混凝土温度计算理论方法和收缩计算模型，发现混凝土温度收缩应力与结构长度呈非线性关系，提出了大体积混凝土温度裂缝防治的成套方法。文献［13］采用有限单元法计算了厚度为0.8 m 的隧道衬砌混凝土浇筑完成后2 d 内部温度场分布情况：当混凝土入模温度为21.2 ℃时，衬砌混凝土内部温度最大值为40.27 ℃，最大温升值为19.07 ℃，衬砌混凝土内外温差最大值为16.28 ℃。

值得注意的是，隧道衬砌混凝土内部直接与隧道初期支护及防水板接触，其内表面热量一部分通过防水板和初期支护混凝土传到围岩中。对于隧道衬砌混凝土而言，其两个侧面热量交换边界条件不同，隧道内表面与隧道内实现热交换，而另一侧与防水板以及初期支护喷射混凝土实现热交换。因为防水板一侧热交换系数相较于隧道内部更小，所以隧道衬砌混凝土靠近防水板一侧接近绝热状态。隧道衬砌混凝土在靠近隧道内侧出现了明显温度梯度，而靠近防水板一侧温度梯度相对较小，仅在表面附近出现了一定的温度梯度。对于隧道衬砌混凝土这一特殊结构形式的大体积混凝土，其内部温度最高值位置并不一定出现在衬砌结构中心位置，在工程实践中对衬砌混凝土温度进行实时监测也应注意该温度分布特点。

隧道衬砌混凝土温度整体变化和边界附近的温度梯度均会产生温度应力，其中前者为约束条件的温度应力，而后者为非线性应力。因此，为防止隧道衬砌混凝土由于温度应力导致开裂，应重点降低混凝土内表面的温度梯度并控制混凝土整体温升值。

3 隧道衬砌混凝土温度裂缝防治技术

隧道衬砌混凝土非荷载温度裂缝主要由混凝土内部温度整体升高和边界温度梯度导致，因此应该围绕这2个方面提出相应的温度裂缝防治技术。

3.1 混凝土水化温升调控技术

3.1.1 使用低热水泥

低热水泥通过调整水泥熟料矿物组成，实现降低水泥水化放热量、提高耐久性等目的。该水泥以硅酸二钙为主要矿物，又称为高贝利特水泥。采用低热水泥代替普通硅酸盐水泥配制隧道衬砌混凝土，将有效降低水泥水化过程的放热量，从而显著降低隧道衬砌混凝土温升值，降低约束开裂风险。Mori等［18］研究了低热水泥早龄期水化进程，结果表明，与普通硅酸盐水泥相比，低热水泥具有早期水化速率低、水化放热量小、水化产物少等特点。杨华全等［19］研究发现，低热水泥混凝土早期温升小，后期强度和耐久性能好，有利于控制混凝土最高温升值，可以有效防止温度裂缝的产生。段寅等［20］采用数值模拟方式模拟了使用低热水泥后隧道衬砌混凝土早龄期温度场和温度应力分布特点，发现低热水泥早龄期水化放热量小可显著降低隧道衬砌混凝土最高温度和温度应力，提高结构安全性。虎永辉等［21］对比研究了中热水泥和低热水泥后期强度发展，发现低热水泥后期强度发展优于中热水泥，且后期耐久性能更好。

3.1.2 使用矿物掺和料

在高性能混凝土配制中使用的矿物掺和料主要包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰等。这些矿物掺和料具有一定的水化活性，在水泥水化后期起到增加混凝土密实性、提高混凝土耐久性的作用。使用上述矿物掺和料替代一部分水泥将有效降低混凝土因水泥水化放热导致的温度升高，对于隧道衬砌混凝土等大体积混凝土结构意义重大。我国于20 世纪70 年代开始将粉煤灰等矿物掺和料用于混凝土材料中，主要用于建设城市中的工业建筑和黄河水利枢纽工程等［22-24］。90年代粉煤灰等矿物掺和料已经在高性能混凝土、大坝混凝土等得到广泛应用。在矿物掺和料理论研究方面，Mehta［25］通过试验研究了矿物掺和料的使用对混凝土水化热的影响，发现采用矿物掺和料替代一定量的水泥可有效降低混凝土水化放热量。王甲春等［26］通过混凝土绝热温升试验研究了粉煤灰掺入量对混凝土绝热状态下的温升值的影响，发现随着矿物掺和料掺入量的提高混凝土绝热温升值逐渐降低。陈波［27］试验研究了掺入矿物掺和料后混凝土早龄期拉伸徐变特点，发现矿物掺和料使用后对混凝土早龄期拉伸徐变影响更为显著，而对长龄期徐变影响较小。

3.1.3 使用水泥水化温升抑制材料

水泥水化温升抑制材料是通过改变混凝土中水泥水化历程来调控水化放热，从而降低隧道衬砌等大体积混凝土水化温升值。水泥水化温升抑制材料主要包括复合型、蛋白质类、氨类水化抑制剂等。研究结果表明，水泥水化抑制剂的使用可显著降低水泥水化72 h 的累积放热量，减缓水泥水化放热速率，推迟放热峰出现［28］。

3.2 混凝土温度梯度调控技术

隧道衬砌混凝土在与环境热交换过程中出现的温度梯度是导致其内部产生非线性应力的内在因素，降低衬砌混凝土内部温度梯度是消除自应力、降低开裂风险的关键。现有研究主要从2方面对隧道衬砌混凝土温度梯度进行调控。

3.2.1 控制混凝土入模温度

混凝土入模温度是其温度变化历程的起点，该参数对大体积混凝土温度控制尤为重要。因为对于固定配合比的混凝土而言，其绝热状态下的温度升高值可以认为是固定的。混凝土入模温度越高，其放热量达到峰值时内部最高温度越高。当环境温度一定时，混凝土内部与隧道环境之间的温度梯度越显著，衬砌混凝土自身非线性温度应力越大。混凝土入模温度与水泥、粗细骨料、用于拌和的水等主要原材料的温度密切相关，在工程实践中可通过降低原材料温度来实现对混凝土入模温度的控制。尤其在夏季施工中，对该参数进行控制更为重要。TB/T 3275—2018《铁路混凝土》规定，混凝土的入模温度不宜超过30 ℃，且与混凝土接触的介质温度不宜超过40 ℃。

3.2.2 选择适当的养护方式

在隧道衬砌混凝土浇筑完成后进行适当的养护是降低其温度梯度的重要途径之一。目前，国内外隧道衬砌混凝土主要采用标准养护、气雾养护、喷水和涂膜等养护方式。其中，对降低隧道衬砌混凝土温度梯度最为有效的是气雾养护。气雾养护是采用蒸汽或喷雾的方式对隧道衬砌混凝土表面进行养护，使其表面保持在较高的温度水平，从而彻底消除隧道衬砌混凝土早龄期温度梯度，降低非线性温度应力和开裂风险。在工程实践中，可通过养护台车实现对隧道衬砌混凝土的气雾养护，养护台车不仅可以对养护过程中的温度、湿度进行实时监控，还可以实现对养护关键数据的自动采集、记录、存储和传输。

4 结论

1）铁路隧道衬砌混凝土裂缝依据产生的原因可分为荷载裂缝和非荷载裂缝，其中非荷载因素导致的裂缝占总裂缝数的50%～70%。

2）导致隧道衬砌混凝土非荷载裂缝产生的因素主要包括温度应力和收缩应力。隧道衬砌为大体积混凝土，其非荷载裂缝主要是由温度应力导致的。

3）隧道衬砌混凝土在浇筑完成后由于水泥水化放热，其内部温度逐渐升高。同时，在与环境热量交换过程中也在混凝土内部出现温度梯度。靠近隧道内部温度梯度较大，而靠近初期支护一侧温度梯度相对较小。

4）通过降低衬砌混凝土整体水化温升值和控制边界温度梯度，可降低隧道衬砌混凝土温度开裂风险。降低水化温升值可通过使用低热水泥、矿物掺和料和水泥水化抑制材料来实现；控制边界温度梯度则可通过控制混凝土入模温度、加强养护的方式实现。