衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术
分析隧道二衬施工的裂缝原因分析及治理措施
分析隧道二衬施工的裂缝原因分析及治理措施作者：贺云来源：《科技探索》2012年第11期摘要：隧道二次衬砌施工普遍采用整体式钢模板台车、泵送混凝土施工工艺,但隧道工程施工完工后二次衬砌均会有不同程度的纵横裂缝，产生裂缝的原因、二次衬砌裂缝治理措施，是值得广大技术人员探讨和研究的。
本文结合多年的工作经验，主要介绍隧道二次衬砌裂缝产生原因和防治措施。
关键词：隧道施工裂缝原因治理措施1 隧道裂缝类型1.1 干缩裂缝混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失,使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形,由于受到围岩和模板的约束,变形产生应力,当应力值超过混凝土的抗拉强度时,就会出现干缩裂缝。
干缩裂缝多为表面性的,纹理较细小,走向没有规律。
影响混凝土干缩裂缝的因素主要有:水泥品种、用量及水灰比,骨料的大小和级配,外加剂品种和掺量。
1.2 温度裂缝水泥水化过程中产生大量的热量,在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力,当温度应力超过混凝土内外的约束力时就会产生温度裂缝。
裂缝宽度冬季较宽,夏季较窄。
温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。
1.3 荷载变形裂缝地质原因或防水设施处理不当,围岩沉降产生荷载; 仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净,混凝土浇筑后,基底产生不均匀沉降;模板台车或堵头板没有固定牢固,以及过早脱模,或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝。
荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已经引起了广大工程技术人员的重视。
1.4 施工缝(接茬缝)施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间,继续浇筑混凝土时,原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理,或者凿毛后没有用水冲洗干净,也没有铺水泥砂浆垫层,就在原混凝土表面浇筑混凝土,致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。
2 裂缝成因分析2.1受力条件不利因素的影响隧道衬砌开裂的因素很多。
从受力的角度分析，可能有以下几种原因：(1)拱圈不均匀下沉。
公路隧道衬砌裂缝成因与处治技术分析
公路隧道衬砌裂缝成因与处治技术分析发布时间：2022-09-30T07:27:39.055Z 来源：《工程管理前沿》2022年第11期作者：王桂睿[导读] 混凝土结构产生开裂是难以避免的王桂睿中国华冶科工集团有限公司四川分公司，四川成都 641400摘要：混凝土结构产生开裂是难以避免的，宏观的来看，混凝土结构出现裂缝是一种可以接受的材料特征，只要采用科学有效的手段将裂缝控制在允许范围内，对隧道工程现场来讲就具有较大的现实意义及经济技术意义。
关键词：公路隧道；衬砌裂缝；成因分析；处治技术1.衬砌裂损原因1.1环境因素造成隧道衬砌裂损的环境因素有很多，例如温度、湿度等。
温度主要指在反复冻融循环作用下，位于寒区的隧道围岩的物理特性发会发生较大变化，低温形成的冻胀圈，会对衬砌产生冻胀压力，围岩冻胀会形成较大的冻胀附加应力，这会进一步加剧衬砌的收缩、膨胀和破裂现象。
高地温隧道产生的附加温度应力也会引起隧道初期支护及衬砌开裂，影响隧道结构的安全和耐久性。
湿度引起的干缩应力对隧道衬砌的影响同样不容忽视。
长期处于高水压状态下的隧道，在突水与渗透变形的正反馈机制下由于层间充填介质透水性差，致使混凝土性能劣化，最终导致衬砌产生开裂、突水等病害。
另外，地下水的存在会加剧衬砌的裂损，致使衬砌产生渗漏水。
在有侵蚀性地下水的隧道中，地下水的侵蚀将造成衬砌疏松、剥落、开裂加剧等现象。
季节性降水造成的围岩淹水也会影响衬砌的受力状态，导致衬砌开裂。
1.2设计因素隧道在进行设计前准备时，由于种种原因无法进行深入勘察，无法准确确定隧道围岩等级，隧道的支护结构和整体线位布置设计依据不充分。
此外，限于个别设计单位缺乏相关经验及自身专业水平欠佳，导致设计过程极不规范，常任意改变或推翻原有设计。
这些现象都是隧道产生病害的关键因素。
1.3施工因素隧道的施工要求较高，良好的施工技术是隧道质量的基本保障。
混凝土水灰比不当、钢筋配筋率不当、骨料品种选择不合理、外加剂种类选用及用量不当都会导致隧道干热地段衬砌产生开裂。
混凝土隧道衬砌施工中的常见问题及解决方法
混凝土隧道衬砌施工中的常见问题及解决方法随着城市化进程的不断推进，越来越多的城市需要建设地下交通系统，而混凝土隧道是地下交通系统中最常见的建筑形式之一。
混凝土隧道的施工涉及到很多专业知识和技术，因此在施工过程中常常会遇到各种问题。
本文将针对混凝土隧道衬砌施工中的常见问题进行分析，并提出相应的解决方法。
一、混凝土隧道衬砌施工中常见问题1.衬砌混凝土开裂在混凝土隧道衬砌施工过程中，由于混凝土的自身收缩、温度变化等因素的影响，衬砌混凝土很容易出现开裂现象。
这种情况不仅影响隧道的美观度，还会导致隧道内部的水泄漏和结构破坏。
2.衬砌混凝土出现鼓包另一种常见的问题是，衬砌混凝土在施工过程中出现鼓包现象。
这种情况通常是由于混凝土的浇筑不均匀或者振捣不到位等原因引起的。
3.衬砌混凝土出现渗漏在混凝土隧道衬砌施工过程中，如果灌注的混凝土不够密实，就会导致衬砌混凝土出现渗漏现象。
这种情况会严重影响隧道的使用。
4.衬砌混凝土强度不足衬砌混凝土的强度是保证隧道结构稳定性的重要因素。
如果衬砌混凝土强度不足，就会导致隧道的结构受到破坏，从而影响隧道的使用寿命。
二、混凝土隧道衬砌施工中的解决方法1.采用高性能混凝土为了避免衬砌混凝土开裂和强度不足等问题，可以采用高性能混凝土。
高性能混凝土具有抗裂、抗渗、抗压等优良性能，可以保证隧道结构的稳定性和使用寿命。
2.加强混凝土振捣为了避免衬砌混凝土出现鼓包现象，可以加强混凝土的振捣。
振捣可以使混凝土更加紧密，从而避免鼓包现象的发生。
3.加强混凝土灌注密实性为了避免衬砌混凝土出现渗漏现象，可以加强混凝土的灌注密实性。
在灌注混凝土的过程中，应该采用适当的振捣方式，使混凝土更加紧密，从而避免渗漏现象的发生。
4.加强混凝土强度调控为了避免衬砌混凝土强度不足的问题，可以加强混凝土强度调控。
在混凝土的配合比设计和浇筑过程中，应该严格控制各项参数，确保混凝土的强度符合要求。
总之，混凝土隧道衬砌施工中会遇到各种问题，但只要采取正确的解决方法，就可以保证隧道的结构稳定性和使用寿命。
公路隧道衬砌裂缝成因分析及治理技术
１９ １
２ 二 衬裂缝治 理方法
６月下旬 出现以下病害 ： 隧道左右墙 角均 出现纵 向和环 向 该 裂缝 ， 裂缝 宽度 大多在 １ ３ ｉ 之间 ， — ｍｌ ｌ 个别裂缝 宽度约 ５ ｍ， ｍ 仰拱 局部最大隆起 达 １ｃ 渗水 中含有 泥沙 等物 质。据该 ２ ｍ， 隧道 施工 的变更 会议 纪要 ， 害段处于 不 良地质 段 ， 病 拱顶有 ２道溶沟槽 ， 溶槽部分 充填红黏土 ， 沟槽 内裂 隙水发育 ， 呈涌 水柱状 ， 溶槽 宽度最大 ５ ｅ ， ５ ｒ 最窄处 ２ ｅ 围岩稳定性差 。 ａ ０ ｍ，
¨８
低
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建
筑
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术
２ ｔ 第 １ 期（ ０１ ０ 总第 １０期） ６
公 路 隧道 衬砌 裂 缝成 因分 析 及 治理 技 术
陈 国富
（ 上海 同济建 设工程质量检测站 ， 上海 ２ ０ ９ ） ００２
【 摘
要 】 目前公路隧道衬砌存在不 同程度的病 害， 衬砌开裂是其 中最常 见的一种形式 ， 力 、 、 从外 施工 设计
（ ） 隧道 围岩设计级别 与实际围岩不吻 合 、 １ 衬砌类 型 选择不 当， 衬砌结构与围岩实 际荷载 不相适应 ， 衬砌结 构因 承载力不足产生环向裂缝或斜向裂缝见图 １ 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
公路隧道作 为一 种地 下结 构的 隐蔽工 程 ， 衬砌 裂缝 产 生的原 因有 ： 衬砌外力作用 、 施工质 量控制不 当及结构设计 不合理等 因素 。不 同原 因 下裂缝 产生 的机理 不 同， 表现 其
形式不同 ， 衬砌 承载 力 的影响 程度 也不 同。因此裂缝 成 对 因分析 ， 是选择合适加 固方法 的基础 Ｊ 。 １ １ 衬砌外力作用 ．
关于隧道衬砌产生裂缝的原因及防治
关于隧道衬砌产生裂缝的原因及防治隧道中产生的裂缝一方面是由设计原因造成的，另一方面是由于施工管理不当造成的。
它是结构内部受到与设计状态不同的应力的反映，同时也与施工过程中由于人为的因素改变了洞室的受力状态有很大关系。
1、隧道衬砌混凝土裂缝类型收缩裂缝，温度裂缝、外荷载作用产生的变形裂缝、施工缝处理不当引起的接茬缝等。
1.1干缩裂缝收缩裂缝是因为混凝土收缩所引起的裂缝。
在收缩种类中，分塑性收缩和缩水收缩是发生混凝土体积变形的主要原因。
混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形，由于受到围岩和模板的约束，变形产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，就会出现干缩裂缝。
干缩裂缝多为表面性的，走向没有规律。
影响混凝土干缩裂缝的因素主要有：水泥品种、用量及水灰比，骨料的大小和级配，外加剂品种和掺量。
1.2温度裂缝温度裂缝是因为混凝土具有热胀冷缩性。
水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度而产生应力.当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。
裂缝宽度冬季较宽，夏季较窄。
温度裂缝的产生与二次衬砌混凝土的厚度及水泥的品种、用量有关。
1.3荷载变形裂缝荷载变形裂缝是因为支护背后存在空间或排水不畅形成水压，基础产生不均匀沉降，模板台车没有加固好，过早脱模，混凝土受到较大的外力撞击等容易产生变形裂缝。
仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净.混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降；模板台车或堵头板没有固定牢固，以及过早脱模，或脱模时混凝土受到较大的外力撞击等都容易产生变形裂缝。
荷载变形裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大，已经引起了广大工程技术人员的重视。
1.4施工缝(接茬缝)施工缝是施工中停电、机械故障等原因迫使混凝土中断时间超时，在继续浇筑引起的缝；再一个就是原材料不台格、配合比不合理、和易性不好、振捣不密实，钢筋保护层厚度不够等引起的混凝土裂缝。
2、形成裂缝的原因隧道裂缝产生原因分析；混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。
浅谈隧道衬砌裂缝原因分析及防治措施
浅谈隧道衬砌裂缝原因分析及防治措施通过对某隧道衬砌裂纹进行现场深入调查，观察裂缝与隧道轴线的走向关系，统计发现该隧道二衬裂缝以纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝为主。
现场发现的环向裂缝占多，环向裂缝大部分存在施工缝、沉降缝、洞口及不良地质地带与完整岩石地层的交接处等。
本文从工程地质条件、地下水、二衬质量、二衬模板台车、温度应力、不均匀沉降等方面展开分析并提出相应的防治对策。
标签：衬砌裂缝；原因分析；防治措施1.概况该隧道地处浙南山地，属构造剥蚀山区，区内山势连绵起伏，峰峦叠嶂，植被发育。
隧道全长12030m，为单洞双线隧道。
隧道进口里程DK156+358，出口里程DK168+388。
隧道中部下穿泽雅水库上游山谷，最小埋深约为50m，最大埋深约为660m，属于长大深埋隧道，该隧道为工程全线最长隧道，也是全线关键控制性工程。
隧道Ⅱ级围岩长5582m；Ⅲ级围岩长4983m；Ⅳ级围岩长859m；V级围岩长606m。
进口洞门形式为单侧挡墙式，出口洞门形式为倒斜切式。
隧道采用无碴轨道。
隧道采用“两斜井、进出口”的施工方案。
隧道设斜井两座，长度分别为1350m和1280m。
斜井与隧道采用斜交单联式，无轨运输双车道断面。
2.裂缝现场调查隧道已经完成的衬砌中存在15条裂纹。
通过现场观察和数据统计发现：⑴裂纹一般在边墙与仰拱连接处较宽，靠近拱顶处较窄，且逐渐消失或很细微；⑵裂纹一般均为仰拱施工缝开始发展，裂纹方向均为仰拱施工缝向衬砌施工缝方向发展；⑶裂纹角度全部大于45°，为斜向上发展；⑷仰拱施工缝与衬砌同缝地段，施工缝段微小开裂或施工缝距离变大，实际上隧道衬砌每循环间施工缝充当了伸缩缝的功能；⑸混凝土拆模后，前期均未发现裂纹，裂纹均在后期产生。
3.隧道裂缝原因分析3.1工程地质条件隧道进洞段围岩以Ⅴ级为主，为弱风化砂岩，地层破碎。
隧道围岩条件较差，容易引起不均匀变形以及地基不均匀沉降；围岩条件差以及铁道部红线管理强制要求，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。
浅谈隧道混凝土衬砌裂缝的成因及处理
环球市场施工技术/-207-浅谈隧道混凝土衬砌裂缝的成因及处理王钟辉 李 笠山东省路桥集团有限公司摘要：随着我国经济实力的不断增强，国家基础建设也在完善，加大力度修建隧道也是我国首要的任务之一，其在减轻交通压力的同时，也促进了国民经济的快速发展。
现如今，在隧道工程施工过程中隧道洞身衬砌混凝土的开裂病害还是较多，为避免这种病害，在施工过程中要严格加以控制，并多加分析找出相关的原因，在此基础上找到尽量消除裂缝所带来的影响，从而提高混凝土衬砌施工水平。
基于此本文分析了隧道混凝土衬砌裂缝的成因及处理。
关键词：隧道；混凝土衬砌裂缝；成因；处理1、我国隧道的发展前景隧道工程建设主要包括铁路隧道、公路隧道、城市地铁等项目，隧道在很大程度上节约了土地资源，缓解了城市的压力，在面临环境恶化等问题中发挥着重要的作用。
在工程建设技术上，我国也处于领先地位，发展空间较大，前景十分可观。
随着现在生活节奏越来越快，隧道的数量逐年增加，质量逐步提高，这就要求我们在增加数量的同时，也要保证隧道的质量。
但是近年来，隧道工程的原材料不断改进，导致隧道混凝土衬砌出现裂缝、坍塌等严重现象，相关技术部门对此也是越来越重视，加大资金投资力度进行研究，在修补方法上不断创新，努力做到成本较低、效果最好。
隧道的建设不仅推动了我国经济的发展，带动了交通运输的同时，也缓解了城市随着人口增多而增大的压力，给人们出行带来了极大的便利。
2、隧道衬砌开裂原因2.1混凝土干缩裂缝。
混凝土浇筑完成后，随着表面水分的蒸发，水泥混凝土会干燥变形，进而产生拉应力，如果拉应力大于混凝土表面的抗拉强度，则会导致混凝土出现干缩裂缝。
通常情况下，干缩裂缝宽窄不一，形态不规则，而且深度一般在50mm 以内。
2.2温度应力裂缝。
水泥水化过程中产生大量的热量，在混凝土表面和内部间形成温度差值而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。
裂缝宽度冬季较宽，夏季较窄。
浅析隧道衬砌混凝土产生裂纹(缝)原因的分析及控制措施
Ｎ １ ｌ ｏ Ｇ Ｏ Ｘ １ ５ ０ Ｚ ８ ０
（ 快速退 刀至换 刀点 ）
参考文献
［ １ 】 王 清明 、卢泽声 、梁迎春 ，亚微米数 控车床误 差补偿
技术研究 【 Ｊ 】 中 国机 械 工程 ，１ ９ ９ ９ ，１ ０（ １ ０ ）： １ １ ６ ９ － Ｉ １ ７ ２ ．
２结论
带刀 尖圆弧过渡刃 的车 刀在 车削圆弧面 时，编程 中预先在 程序 圆弧半径上加 上或减去一个 刀尖 圆弧 半径同样也可 以消除 刀 尖圆弧过渡刃 引起 的加工误差 。在实 际生产 中，采用 以上 办 法进行 加工补偿不 仅能达到 消除加工误差 的 目的，而且编程 简
单方便 。
如图７ 所示 ， 在 加 工 圆弧 前 已经 用 ４ ５ 。 弯 头 刀 完 成 中的Ｒ 值一致 。由于 程 序 中刀尖 圆心 的轨迹 是 由刀尖 圆弧半径
１ ０ ０ ｍ ｍ ） ｂ 圆的加工， 圆弧车 刀的 圆弧半 径为Ｒ ３ ｍ ｍ ，仅加工 图 中 算 出，不 同的轨迹对 应不 同的轨迹 ，所 以此方法 加工零件 时， Ｒ ｌ ９ ｍ ｍ 的圆弧部分，刀尖 圆心轨迹 圆弧 的半径为Ｒ ｌ ６ ｍ ｍ ，起点Ａ 和 车刀 圆弧半径 的测量精 度将直接 影响到零件 的加 工精度，车 刀 终点Ｂ 的直径均 为 １ ０ ０ ｍ ｍ ，距右端面 的距离分 别为８． ０ ｍ ｍ ， ４ ０ ｍ ｍ ， 的刀尖 圆弧半径改变 时，程序必须 跟着改变 ，在批量 较大 的生 其加 工程 序如下：
１ ． ３ 举 例 说 明
外 圆直径 为３ ０ ｍ ｍ ，不 应按 原来假想 刀尖 的输入Ｘ ３ ０ ，而应 输入 （ ２ ）计 算 圆心 坐标 时，要根据 其刀位 点在 原有 的坐 标点 的方 向决定其加或减 。 （ ３ ）检查所使用 的刀具的刀尖 圆弧半径 的Ｒ 值是否 与程序
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文章编号:1009-6582(2004)01-0026-06衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术李治国张玉军(中铁隧道集团有限公司科研所,洛阳471009) (中科院武汉岩土力学研究所,武汉430071)摘 要 隧道衬砌开裂将影响隧道的承载能力和使用安全。
文章主要分析了铁路隧道开裂状况及原因,对裂缝宽度的影响程度进行了分级,利用断裂力学的方法研究了衬砌开裂隧道的稳定性,并提出了相应的裂缝治理技术。
关键词 铁路隧道 衬砌开裂 裂缝宽度分级 稳定性 治理技术中图分类号:457+.2 文献标识码:A1 概 述随着我国国民经济的发展和地面空间日益紧张,基础设施建设投入不断加大,隧道与地下工程正在迅猛发展。
由于大部分隧道结构设计基准为100年,因此对其承载能力、使用安全要求很高。
然而,由于运营年限、地质条件、气候条件、设计、施工及造价、维修管理等方面的原因,致使病害隧道数量越来越多,具体表现在:开裂、渗漏水、变形侵限、掉块、坍塌、基底翻浆冒泥、下沉、底鼓、冻胀等。
其中开裂是比较严重的病害之一,有的隧道开裂以后因没有及时治理,致使突然掉块和坍塌,影响了承载能力,危及使用安全。
因此我们应认真分析开裂隧道的稳定状况,研究其产生的主要原因和治理技术。
2 我国铁路隧道开裂的状况及原因分析2.1 铁路隧道开裂状况1972年我国铁道部工务局及基建总局对全国30～70年代在不同地质(坚硬、软岩、黄土)条件下修建不同类型(单心圆拱、三心圆拱、直边墙和曲边墙、单线和双线断面)的隧道混凝土衬砌裂缝产生的原因进行调查分析,其调查隧道94座,总长80.7km ,约有93.2%的隧道衬砌开裂,裂缝长度占隧道总长19.2%。
1995年我国铁路共有运营隧道4855座,总长度2261.56km 存在的主要病害是侵限、漏水和通风照明不良。
据工务部门1995年秋检测,开裂和净空不足侵入建筑限界的2546座,占52.44%。
1997年我国铁路隧道技术状态统计,全路有运营隧道5000余座,共计2500km ,其中由于开裂、渗漏水等原因影响隧道运营的达1502座,占隧道总数的30.04%。
2.2 隧道产生开裂的主要原因根据国内有关的统计资料和参考文献,并结合作者调查有关的工程实例和病害整治经验,我国隧道产生病害的主要原因为地质问题、设计问题、施工质量问题、环境影响及其他因素。
(1)地质问题隧道施工中的地质问题主要有:软弱破碎围岩、岩溶、暗河、流沙、滑坡、膨胀性围岩、岩堆体、高应力、偏压、高水位、煤层瓦斯、石油天然气、高地温、地基不均匀沉降等,这些因素往往导致隧道支护结构变形、破坏、渗漏水或坍塌,尤其在深埋、高水位、富水区、岩溶隧道施工方面应引起高度重视。
(2)设计问题主要是隧道位置选择不好,穿越的地质条件和环境条件复杂;设计的地质条件与实际偏差较大;结构形式和断面形式不合理,支护结构强度不够,防排水体系不完善,对混凝土收缩及温度应力未采取措施,细部处理不当,导致隧道使用年限减少。
(3)施工质量问题主要是开挖和支护方法不合理,欠挖未进行处理,超挖未进行回填,支护结构背后存在空洞,隧道基底未清理干净,回填不合要求,衬砌结构未按要求收稿日期:2003-06-17作者简介:李治国,男,高级工程师,总工程师.・62・第41卷第1期2004年2月 现代隧道技术Modern Tunnelling Technology Vol.41 No.1Feb.2004配筋,混凝土灌注、拆摸、养护不合规定、厚度不够、强度不足、蜂窝麻面现象严重,防排水体系不健全或发生堵塞。
(4)环境影响问题环境影响因素很多,主要表现在以下三个方面:①地下水的侵蚀,主要是受地下水的物理或化学作用,导致混凝土碱度降低、水化产物分解或体积膨胀,从而引起混凝土强度降低或开裂、破坏。
地下水侵蚀主要有溶出性侵蚀、酸性侵蚀、盐类析晶侵蚀等。
②空气的影响,主要表现在混凝土的碳化。
由于空气中的二氧化碳和混凝土的碱性成分氢氧化钙、硅酸三钙、硅酸二钙等水化产物相互作用,形成碳酸盐,降低混凝土碱度,破坏钢筋表面的钝化膜,使混凝土失去对钢筋的保护作用,加快钢筋锈蚀;同时碳化还会加剧混凝土的收缩,导致混凝土结构产生裂缝和破坏。
③混凝土在寒冷气候和地下水的共同作用,宜引起结构冻融破坏。
主要是由于在一定的冻结温度下,在混凝土内部或外部形成结构冰或过冷的水,水结冰产生体积膨胀,过冷的水发生迁移,当温度升高到一定程度时,冰又融化为水,这样引起了混凝土外部压力和内部应力的变化,使混凝土内部出现空隙和微裂隙;当达到产生裂缝的条件时,混凝土内部孔隙及微裂缝增大、扩展,并互相连通,出现裂缝,严重时混凝土发生剥落或破坏。
(5)自然灾害或其它原因①列车荷载或地震荷载。
主要受交变应力和震动作用,混凝土发生疲劳破坏,产生裂缝。
②相邻洞室的开挖或其它临近构筑物的修建对已建隧道的影响,主要是改变了隧道的受力状况,出现应力重分布或局部应力集中、偏压等,导致结构开裂和破坏。
③隧道年代久远、结构老化、年久失修。
④其它因素的影响,诸如山体采空区、泥石流、洪水、滑坡等自然灾害也会引起隧道不同程度的开裂。
⑤隧道附近大型爆破及深基坑开挖的影响。
⑥战争引起的隧道和地下工程的破坏。
3 隧道裂缝宽度的分级隧道衬砌裂缝一般是指二次衬砌混凝土中的不连续面,肉眼可见的裂缝范围一般以0.05mm 为界[1],一般的工业和民用建筑中,宽度小于0.05mm 的裂缝对防水、防腐、承重都无危险性。
对于一般的隧道二次衬砌,宽度小于0.05mm 的裂缝对隧道的正常使用、承载无太大影响,可以不进行治理。
因此,我们研究的裂缝治理技术,主要是指混凝土可见裂缝,即宽度大于0.05mm 的裂缝的加固和修补。
裂缝对隧道稳定性的影响比较复杂,它涉及到裂缝位置、方向、长度、宽度、深度、密度等诸多方面,为了便于实际工作中操作,参照国内有关规范的规定,可采用裂缝宽度进行判断,如果裂缝位置、方向、密度等对结构稳定十分不利,则相应的影响程度应考虑提高一个级别。
《G BJ 10—89 混凝土结构设计规范》第三章规定,钢筋混凝土结构的一般构件的最大裂缝宽度为0.4mm 。
《TB10003—2001 铁路隧道设计规范》第10章规定,钢筋混凝土衬砌结构构件,按荷载基本组合所求得的最大裂缝宽度W max 不应大于0.2mm 。
《G B50292—1999 民用建筑可靠鉴定标准》规定,混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度的评定标准如表1所示。
根据以上三个规范或标准的有关规定,并参照国内多座铁路、公路隧道、地下铁道区间隧道和车站的设计标准以及多座病害隧道的调查、统计资料和整治经验,对于采用钢筋混凝土结构衬砌的隧道,其表1 混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度评定标准T able 1 Evalu ation criteria for crack widths of concrete elements not suitable for further loadin g检查项目受力主筋处的弯曲(含一般弯剪)裂缝和横向或斜向拉裂缝宽度/mm 剪切裂缝环境正常湿度环境高湿度环境任何湿度环境构件类别钢筋混凝土预应力混凝土钢筋混凝土预应力混凝土主要构件一般构件主要构件一般构件任何构件钢筋混凝土或预应力混凝土C u 级或d u 级/mm>0.50>0.70>0.20(0.30)>0.30(0.50)>0.40>0.10(0.20)出现裂缝注:表中括号内限值适用于冷拉、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋的预应力混凝土构件・72・衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术裂缝宽度的影响程度建议采用如表2所示的分级方法。
如为素混凝土结构,同样宽度的裂缝影响程度更大一些。
表2 裂缝宽度影响程度分级T able 2 Classif ication of the degree of influenceof different crack widths检查项目环境材料裂缝宽度/mm影响级别隧道裂缝宽度正常湿度环境钢筋混凝土W ≥0.5严重影响A 0.3≤W <0.5较大影响B 0.2≤W <0.3较小影响C W <0.2(0.1)轻微影响D4 二次衬砌带裂缝隧道的稳定性分析4.1 力学模型混凝土在外力作用下会产生内力和变形,当荷载水平较低时,并不出现破坏迹象;当载荷逐渐增加到一定水平后,能听到混凝土内部破坏的微弱而清晰的声音,并逐渐发展到混凝土表面出现许多小裂缝;当荷载继续增加,这些裂缝会扩展并贯通;达到极限荷载时,混凝土会产生最终破坏。
故采用断裂力学的方法对裂缝进行分析和计算,并假定二次衬砌开裂过程中的外荷载保持不变。
(1)裂缝在外力作用下的三种扩张方式裂缝扩展主要有三种类型:张开型(Ⅰ型),滑开型(Ⅱ型),撕开型(Ⅲ型),如图1所示。
滑开型或撕开型裂纹都属于剪切裂纹。
如果裂纹同时受正应力和剪应力作用时,Ⅰ型和Ⅱ型(或Ⅲ型)同时存在,称为复合型裂纹。
由于隧道长度方向的尺寸比宽度和高度方向尺寸大得多,其纵向的变形可以忽略不计。
为了重点分析二次衬砌上裂缝宽度和深度对隧道稳定性的影响,采用平面应变状态的有限元计算模型。
图1 三种裂缝形式Fig.1 Three types of cracks (2)工程实用近似判据对于复合型裂纹,有两个问题要解决:第一,裂纹沿什么方向进行扩展;第二,裂缝在什么条件下扩展。
在实际工程中,第二个问题更重要,人们总是比较关心裂纹在什么条件下失稳扩展。
因而人们常常根据各种理论判据进行比较,或者根据实验结果进行拟合并求出简化的表达式,这些表达式能满足工程计算的需要,并且往往是偏于安全的。
于骁中等提出了混凝土拉剪复合裂纹断裂判据[2],如式(1)所示,与实验结果比较接近。
K 2Ⅰ+4.2K 2Ⅱ=K 2ⅠC(1)式中 K Ⅰ、K Ⅱ为Ⅰ、Ⅱ型裂纹应力强度因子;K ⅠC 为Ⅰ型裂纹断裂韧度。
(3)混凝土的断裂韧度K ⅠC常用的混凝土的断裂韧度K ⅠC 的测试方法有:①三点(或四点)弯曲梁法;②紧凑拉伸试件法;③直接拉伸试件法;④其它方法,如双悬臂梁试件法、双扭转试件法、立方体劈裂试件法等。
一些研究者给出了K ⅠC 的实测数据[2],从实测数据看K ⅠC 的离散性较大,一般混凝土的K ⅠC =0.3～1.0MN.m-3/2。
4.2 建立裂纹模型及确定隧道承载能力安全系数计算裂纹尖端的应力强度因子的有限元直接法,即先将二次衬砌离散成细分的网格(特别在裂纹尖端部位),其边界上的荷载可采用规范、经验公式或围岩-支护结构模式的有限元计算得出,故可求得裂纹尖端附近的应力分量或位移分量的数值解;再利用裂纹尖端应力场或位移场的表达式,直接推算裂纹尖端的应力强度因子,在这种方法中位移法精度较高。