隧道混凝土衬砌裂缝成因分析及扩展规律研究

摘 要：隧道混凝土衬砌开裂在施工中，是一个普遍问题。本文主要研究了隧道混凝土衬砌开裂的各种原因，利用断裂力学的强度因子开裂准则原理，研究裂缝扩展规律。从而为隧道混凝土衬砌的设计和施工中防止裂缝提供理论依据。

关键词：混凝土衬砌；强度因子；

隧道混凝土衬砌裂缝和渗漏水防治是国内外公认的难题。据统计，我国早在1990年就有3100座铁路隧道由于衬砌结构开裂渗漏而存在不同程度的病害，占当时隧道总数的65%左右。

隧道的衬砌裂缝大多出现在隧道建成的早期，有的甚至在隧道修建的过程中就出现了大量的裂缝，而在建后5至10年之间出现的几率较少，隧道使用10年以后，由于多种原因，隧道也会开始出现裂损、错台、渗漏等恶化现象。探讨隧道衬砌的裂缝成因及其扩展理论对衬砌裂缝治理和保证施工质量有重要意义。

1 混凝土产生裂缝的原因分析

混凝土产生裂缝的原因很多，根本原因是混凝土收缩造成的。混凝土收缩主要有两类：干燥收缩和温降收缩。

1. 1 混凝土的干燥收缩变形

混凝土的干燥收缩变形受到混凝土环境（如空气湿度）、混凝土构件形状、尺寸和混凝土原材料及配合比等因素的制约。

混凝土在潮湿养护中其内部孔隙湿度可保持100%，在结束湿养并裸露于大气中后开始从表面蒸发脱水并引发干缩。因此，大气湿度是制约混凝土干缩的重要因素。同时，与隧道内温度高低、通风强弱等也有一定影响。

水泥石中的可蒸发水存在于大孔洞、毛细孔及凝胶孔中。脱水干燥时，首先是大孔洞里的水蒸发，但这不至于引起收缩；随后是较粗毛细孔水蒸发，脱水量较多而收缩较小；再后依次是较细、更细孔里的水蒸发，脱水量依次减少，但收缩量依次增大。在强烈干燥下，凝胶孔里的吸附水也能解析蒸发并引起收缩。可见，混凝土的干燥收缩，在体内将主要受制于水泥石的细孔含量和孔径分布，亦即是要受制于混凝土用水量以及水泥水化度（水化龄期）。延长混凝土的潮湿养护时间和增加混凝土中骨料含量，都可减小混凝土的干缩率。

混凝土的温度变化起因于两个因素，即周围环境温度变化和水泥水化放热。环境温度变化视不同地区、不同季节、不同天气各不相同，需根据工程所在地的具体条件确定。水泥水化热的多少取决于水泥的矿物组分、混合材料和细度。混凝土温度升高幅度可通过计算混凝土的绝热温升和散热降温速率求得，但需测得很多相关数据，准确计算难度较大。

2 隧道混凝土衬砌开裂机理分析

将以隧道衬砌作为受力实体，着重从其所受的水平应力（主要是由于干缩和热胀冷缩引起的温度应力）、衬砌的不均匀沉降、拱部不均匀受力（马鞍形受力）等三个方面进行研究分析，并采取各种措施减少或消除其对隧道衬砌的影响，从而防止隧道裂缝的出现，保证衬砌的整体结构。

2. 1 隧道的温度应力

在隧道中，衬砌混凝土存在干缩与热胀冷缩，而且由于衬砌外侧围岩阻碍了衬砌的自由胀缩，所以在衬砌混凝土内部产生温度应力，这种温度应力的大小与衬砌混凝土的介质性能（弹性模量、线膨胀系数）、升降温度（温差）、岩土介质对隧道壁的阻力及隧道长度有关，并随着这些因素的增大而增大。而混凝土是抗压不抗拉的材料，故常能抵抗升温时产生的压应力，而难抵抗降温时产生的拉应力。当衬砌内部的拉应力超过隧道衬砌混凝土的抗拉强度时，隧道衬砌将发生开裂，这种开裂的发生首先是从隧道的中部开始的。

2. 2 隧道的不均匀沉降

由于隧道纵向穿过不同力学性质的岩层，地基承载力差异较大；由于衬砌背后回填不对称，以及不同断面的衬砌抗不均匀性变形能力的差异性等原因，都可能导致隧道纵向的不均匀沉降，引起纵向弯矩，产生裂缝。这种由隧道的不均匀沉降而产生的隧道应力，与隧道的弹性模量成正比，即弹性模量越大，由相同的不均匀沉降所引起的隧道内力越大，也越容易引起隧道衬砌的开裂。

3 隧道混凝土衬砌裂缝扩展规律

3. 1 隧道混凝土衬砌裂缝扩展临界应力

在断裂力学中，由于裂纹尖端应力场的强程度主要由Km（应力强度因子）这个参量来描述。通过它可以建立K1=K1C或Km=Kmc）的断裂准则。

3. 2 隧道衬砌背后荷载分布对裂缝的影响

通过调查，隧道衬砌纵向裂缝约占裂缝总长度的80%，是一种主要的裂缝形式[4]。其中拱顶内缘挤压剥落、拱腰内缘拉裂、张开、错台者约占纵向裂缝总长度的65%，这是一种比较普遍、数量多的典型破坏形式。实测表明，有这种破坏形态的隧道衬砌拱部地层压力小，拱腰部位压力大，荷载分布近似“马鞍形”。产生这种荷载分布形式有三个主要原因：一是由于目前施工工艺的限制，拱背难以回填密实；二是由于光面爆破技术把握不够，引起超挖而又未能及时回填；三是由于隧道拱顶岩石坍塌破碎，回填不理想等。这样，使原来应由拱顶承受的山体压力转到拱腰部位，造成了隧道拱部荷载的“马鞍形”分布，从而与原设计假定的衬砌与围岩密贴不相符合，使拱腰内缘由原来的受压变为受拉，拱顶内缘由受拉变为受压，使拱腰内缘出现拉裂裂缝，而拱顶内缘则出现压裂裂缝等破坏特征。

隧道衬砌在“马鞍形”荷载作用下，随着拱腰拱顶荷载比的不断增大，衬砌拱顶的内缘由受拉逐渐变为受压，而拱腰部分则相反，由受压变为受拉。同时，隧道衬砌的最不利截面也由拱顶下移到拱腰，此时，隧道衬砌的拱腰部分，有可能最先拉裂，产生沿隧道纵向方向的裂缝，同时在水平方向应力的作用下还可能产生错台；随后拱顶的外缘也可能出现沿纵向方向的拉裂缝，从而使拱顶的内缘因受压致裂。

4 结 论

应用隧道混凝土衬砌裂纹扩展规律如下：

（1）隧道混凝土衬砌裂缝主要来自于混凝土的干缩与温升和温降；

（2）隧道混凝土衬砌最早裂缝出现在中间，随着应力重分布，裂纹不断在每段中部增加，直至中间最大拉应力小于混凝土的抗拉强度后裂缝稳定为止；

（3）当隧道衬砌内出现裂缝后，如衬砌荷载应力σ>σc，则裂纹失稳扩展；

（4）由于施工过程中的多种原因使隧道衬砌荷载分布成“马鞍形”，而使隧道出现纵向裂缝或错台等现象。因此，在隧道施工中要注意隧道衬砌背后回填或注浆。