探讨公路隧道二衬砼开裂在施工中的因素分析及对策

探讨公路隧道二衬砼开裂在施工中的因素分析及对策
摘要：文章针对公路隧道二衬砼裂缝的质量病害，从衬砌结构承受偏载和过大的温度和干缩应力两个方面，总结归纳了造成隧道二衬砼开裂的施工因素。

开展有限元数值模拟计算，定量分析偏载和温度、干缩应力对二衬砼产生裂缝的影响，并提出规范施工、减少隧道二衬砼开裂的对策。

关键词：公路隧道；二衬裂缝；施工；因素；对策
目前，我国公路隧道普遍采用锚喷支护和模筑混凝土的复合衬砌结构，国内外隧道衬砌调查结果表明，二次衬砌砼开裂是一种普遍现象，其原因众多。

本文主要从衬砌结构承受偏载和过大的温度及干缩应力两个方面，分析隧道施工因素对隧道二衬混凝土开裂的影响，并提出相应的对策。

一．影响隧道衬砌混凝土受力状态的施工因素
（一）造成衬砌砼偏载的施工因素
光面爆破效果欠佳(超欠挖明显)，超挖回填不密实将在衬砌背后形成空洞，欠挖则再次扰动围岩、造成围岩再次松弛，超欠挖均会产生应力集中，使衬砌结构承受非均匀荷载。

大断面开挖施工工序欠合理以及未适时施做二次衬砌，均能够导致围岩力学性质的恶化，二次衬砌局部承受集中荷载。

施工测量放线发生差错、模板拱架支撑变形等原因，均造成局部衬砌厚度偏薄或衬砌结构受力不对称；二衬砼浇筑管理欠到位会造成拱背部位出现拱顶衬砌与围岩不密贴的空隙，形成拱腰承受较大荷载，拱顶在一定范围存在空载。

钟世航对70多座隧道的调查结果表明整体式模筑混凝土衬砌出现厚度偏薄的比例较高，二次衬砌砼厚度不均现象在隧道工程中普遍存在。

赖金星等对石匣隧道的左右拱脚、左右拱腰和拱顶五条测线采用探地雷达进行了测试，测试结果见图1和图2所示，由图可知，衬砌的厚度具有很大的离散性，且衬砌背后脱空区普遍存在。

图1 隧道二次衬砌检测厚度
图2 隧道衬砌背后空洞空隙分布
钟新樵对偏压隧道衬砌进行了模型试验，试验结果表明围岩状态、地表坡率、覆盖厚度、洞室尺寸及形状、施工方法等五个方面是隧道形成偏压的影响因素。

（二）造成二衬砼温度和千缩应力过大的施工因素
施工质量管理松弛和不善，混凝土材料检验不力，施工配合比控制不严，水灰比过大，混凝土捣实质量不佳，二衬砼施工中养护不到位，水泥水化热产生的温度应力及由于混凝土失水引起的干缩应力。

当应力值超过混凝土的
抗拉强度时，就会出现温度裂缝和干缩裂缝。

耿伟采用王铁梦的计算公式进行收缩应力的计算，通过应变等效将干缩应变转化为等代的变温、再加上与周围环境的温差、水化热产生的温度应力。

二．数值计算分析
（一）计算模型
采用平面八节点缩减积分等参单元CPE8R对初衬和二次衬砌进行有限元离散，在初衬与二次衬砌之间设置接触单元，在初衬外边界上设置法向弹簧，有限元模型见图3所示。

接触单元仅在隧道上部二次衬砌结构上设置接触单元，而在二次衬砌与余下部分相重合部位通过绑定约束（Tie Constraint）。

图3 实体单元及荷载示意
围岩压力通过衬砌表面传递到隧道结构上，根据地应力场的特点，垂直作用于隧道衬砌结构上的均布压力集度由拱脚向拱顶逐渐增大，为了简化起见，假定均布荷载集度沿着衬砌外壁呈线性增长，同时考虑隧道围岩的不均匀等导致隧道
衬砌的荷载分布不对称，见图4所示。

图4隧道衬砌上施加荷载示意
在隧道二次衬砌砼浇筑后，砼特别是表面会失水产生的干缩和因温度变化而产生的温度收缩，干缩或是温缩沿着隧道二次衬砌厚方向都是衰减的，假定失水和温度岩壁厚分布为线性变化，最大变化量发生在隧道壁表面。

二根据失水与温度等效进行处理的原则，在进行环境变化对隧道结构的影响时，均采用变温作用下对隧道结构的影响。

隧道衬砌结构温度应力对隧道二次衬砌的影响不仅与混凝土水化热有关，还与二次衬砌施工浇筑时的气温有关。

如果二次衬砌浇筑时为运营期内最低温度，则隧道内温度变化为升温，温差将导致混凝土的压应力；反之二次衬砌是在最高温度下浇筑，则温差将导致混凝土的拉应力。

为此，本文从不利于衬砌砼受力的角度考虑，取最大降温幅值为12℃，分别对二次衬砌内表面发生1℃～12℃降温时温度应力进行数值分析。

表1 材料参数
（二）温度应力对二次衬砼的影响分析
二次衬砌内部发生变温后的整体应力分布和拱顶附近区域环向应力分布，随着温度幅度下降增大，最大环向应力逐渐增大，由最初的压应力逐步变化为拉应力，且当降温幅度大于8℃后，二次衬砌上的最大拉应力位置已经有拱脚过度到拱顶附近区域。

图5给出了二次衬砌最大环向应力随降温的变化情况。

随着变温幅度的增加，最大温度应力呈线性增加，采用线性进行拟合可得到相应的拟合方程，最大相关数达0.999。

最大环向应力随内侧变温幅度的增加而呈线性增长的原因在于初衬与二次衬砌并未发生明显的脱离，因此拱顶附近区域最大环向应力与降温成线性关系。

当最大降温幅度达到12℃时，最大环向应力达到2.429MPa，已超过C30混凝土的抗拉强度，二次衬砌混凝土将在拱顶区域产生开裂。

图5 二次衬砌拱顶附近最大环向应力随温度变化
（三）混凝土失水收缩的影响分析
本文将混凝土失水收缩影响以降温来模拟，根据《水工混凝土试验规程》进行混凝土干缩试验。

通过试验得到不同失水率时混凝土收缩率，建立于之相同收缩率的当量温度变化值，将失水收缩率转换为等效温度变化值，见表2。

假定失水沿着二次衬砌厚度方向线性衰减至零，根据温度与失水等效原则，相当于换算后的降温沿着二次衬砌厚度线性衰减至零。

表2 龄期28d不同配合比砼的平均干缩系数和平均温缩系数的对应关系（四）偏载、温度及干缩应力耦合作用分析
将沿着隧道初砌对称轴右侧的荷载集度乘以n倍，模拟不同偏载对隧道结构的影响。

混凝土的温度及于缩应力均以温度变化来模拟，图7给出偏载幅度为2倍及降温6℃耦合作用时的二衬砼的环向应力分布，图8给出偏载及降温耦合作用与二衬砼最大环向应力的关系。

图7 偏载倍数为2时环向应力分布
图8 降温及偏载情况对二衬砼最大环向应力影响
三．结论
(1)光面爆破效果欠佳、大断面开挖施工工序欠合理以及未适时施做二次衬砌、模板拱架支撑变形等原因，均造成二衬结构局部承受偏载。

混凝土原材料质量及施工配合比控制不严、水灰比过大、二衬砼施工中养护不到位均会造成二衬砼承受过大的温度及干缩应力。

(2)降温作用下，二衬砼的最大拉应力随温差成线性增加，且最大拉应力位置已经由拱脚过渡到拱顶区域。

(3)二衬结构在偏载、降温及干缩耦合作用下，二衬砼的最大拉应力将超过砼的抗拉强度而发生开裂。

(4)为避免隧道二衬砼发生开裂，应规范隧道开挖和二衬砼施工，提高光面爆破质量，规范二衬砼施作时间及砼养护等施工工艺。

参考文献：
【1】钟世航．从隧道衬砌检测结果看施工和设计中的问题[J]．岩石力学与工程学报，2o02’21(增),2201-2207．
【2】赖金星谢永利赵严峰．公路隧道衬砌裂损病害检测与治理对策[J]_沈阳建筑大学学报，2007，23(1)：37 ．
【3】钟新樵．土质偏压隧道衬砌模型试验分析[J]．西南交通大学学报，1996,31(6)：602-606．
【4】耿伟．隧道加设防水层复合式衬砌收缩应力计算及裂缝检算(考虑超欠挖)[J]．西部探矿工程，2004，16(11)：
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。