衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术

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、维修管理等方面韵原因，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。
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。
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。
《GBJl0—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0．4 mm。
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。如果裂缝同时受到应力和剪应力作用时，型和型()或 型同时存在，称为复合型裂纹。
针对隧道二次衬砌上存在微小裂纹的不利情况，为了对裂缝进行治理，提高二次衬砌的承载能力，我们假定在二次衬砌内施作了20 cm厚的C25钢筋混凝土衬套进行补强，并仅取二次衬砌裂纹深度h=25 cm、30 cm，宽度取w=10，5，1，0．5，0．3，0．2，0．1 mm的情况为例进行了隧道稳定系数计算，计算结构如表5所示。
4．3裂缝位置确定为
为了分析二次衬砌开裂隧道的稳定性，假定隧道横断面上的裂缝分别为两条和四条，并对称地位于隧道起拱线处和拱腰。
计算KⅠKⅡ精度与单元划分，特别是与单元边长L有关。经实际计算研究，取L/h=0．05—0．15 (h是裂纹的深度)，对工程应用来讲已有足够的精度。考虑的结构和裂缝的对称性，取一半结构进行计算。
1995年我国铁路共有运营隧道4 855座，总长度2 261．56 km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，开裂和净空入建筑限界的2 546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5 000余座，共计2 500 km，其中由于开裂、渗漏水等原因影响隧道运营的达1 502座，占隧道总数的30．04％。
表3 隧道稳定性系数
表4 隧道稳定性系数
表5 钢筋混凝土衬套补强后隧道稳定性系数f
(2)由表3和表4还可以看到，如果裂纹条数由两条增加到四条，在同样裂缝深度和宽度的条件下，衬砌稳定性系数f减小。其原因在于由于裂纹的增多，使得结构的刚度降低，导致裂纹尖端处更容易产生剪切变形，因此f值显著降低。
(3)从表5可以看出，施作一定厚度的钢筋混凝土套衬后，隧道稳定性系数可大大提高，例如：裂纹深度为30 cm、裂缝宽度为0．5 mm时，在两条裂缝的条件下，施做套衬前后f值分别由1.31提高为13.86；在四条裂缝的条件下，施做套衬前后f值分别由0．42提高到4．30。由此可见，从断裂力学的观点来看，混凝土衬套是提高带裂缝隧道稳定性的有效手段。
衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术
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：A
(1)从表3和表4中可以看到，在隧道存在β=45。的两条裂纹的特定条件下，随着裂纹深度和宽度的增加，二次衬砌稳定性系数f逐渐减小。同时也看到，裂缝深度对隧道稳定性系数的影响比宽度大，当裂纹深度较小，10≤10mm时，其宽度和深度对，f值的影响较大；而当裂纹深度较大，h≥15 cm时，其宽度对f值的影响较小，而深度影响较大。总之，随着裂纹深度、宽度和条数的增加，二次衬砌 裂纹尖端应力强度因子增大，衬砌稳定性系数f减小。
4．4有限元计算结果及分析
选择不同的裂缝宽度和深度组合，通过划分单元网格和有限元计算可求出KI、KⅡ，代人公式(8)中求出，f值。如果衬砌上有若干条裂纹时，彼此会产生相互影响，此时可将每条裂纹的KI、KⅡ算出再分别代人断裂判据，取其中安全系数最小值作为衬砌稳定性系数。隧道上存在两条和四条裂缝的计算结果如表3和表4所示。
(1)裂缝在外ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ作用下的三种扩张方式
裂缝扩展主要有三种类型：张开型(工型)，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。
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。
5裂缝治理技术
综观国内外隧道裂缝的治理技术，主要有拆除重建法、锚固注浆法、挂网喷浆法、套衬补强法、骑缝注浆法、凿槽嵌补法、直接涂抹法等。根据作者的研究和经验，几种主要整治方法的适用范围、施工方法、注意事项如表6所示。
除严格要求不允许出现宏观裂缝的隧道以外，裂缝宽度在0。2 mm(有严格防水要求时为0．1 mm以下)不会对隧道的承载能力、正常使用和安全带来危害，可考虑暂不处理，但应注意观察，必要时进行处理。但有的学者认为，对于有抗渗要求的水工建筑物或水底隧道，若裂缝宽度超过0．05 mm，必然会渗漏水，应进行处理。
为了定量判断和对比不同宽度、深度的裂缝对隧道承载能力的影响，我们用f表示带裂纹隧道稳定性系数，并定义为：
当f<1时，表明裂缝不发展，隧道基本稳定，且f值越大，表明隧道越稳定；当f=1时，裂缝处于临界状态，表明隧道处于临界状态；当f>1时，表明裂缝将发展，隧道处于不稳定状态，且f值越小，表明隧道稳定性越差。
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0．05 mm为界(1)，一般的工业和民用建筑中，宽度小于0．05 mm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0．05 mm的裂缝对隧道的正常、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0．05 mm的裂缝的加固和修补。
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，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。图2为一带裂纹平面物体的裂纹尖端附近的有限元网格划分。
K21 +4．2K2Ⅱ二K2lc(1)
式中KI、KⅡ为工、Ⅱ型裂纹应力强度因子；
K1c为工型裂纹断裂韧度。
(3)混凝土的断裂韧度K1c
常用的混凝土的断裂韧度足k1c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。一些研究者给出了足K1c的实测数据(2)，从实测数据看K1c的离散性较大，一般混凝土的足K1c=0．3—1．0MN．m-3/2
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。
2 裂缝宽度影响程度分级
4二次衬砌带裂缝隧道的稳定性分析
图1 三种裂缝形式
(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。
《TBl0003--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Wmax不应大于0．2mm。
《GB50292—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。
表1 混凝土构件不适于继续承载的裂缝宽度评定标准
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80．7 km，约有93．2％的隧道衬砌开裂，裂缝长度占隧道总长19．2％。