高速铁路隧道衬砌开裂因素及整治对策研究

王 硕 闫 晶

(1.吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132001； 2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)



高速铁路隧道衬砌开裂因素及整治对策研究

王 硕1,2闫 晶1

(1.吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林 132001； 2.兰州交通大学土木工程学院，甘肃 兰州 730070)

阐述了引起隧道衬砌开裂的相关因素，研究了衬砌裂缝的分布特征，从外力作用、施工工艺与质量方面，分析了产生隧道衬砌混凝土裂缝的原因，提出了相应的整治对策，对高速铁路隧道衬砌裂缝的防治有一定意义。

隧道，衬砌裂缝，开裂原因，整治对策

近几年来，中国的高速铁路建设稳定而有序的发展，隧道作为铁路线路上的重要结构构筑物，其安全性将对列车的运营产生深远的影响，而关于隧道衬砌的多种病害中裂缝则是威胁结构安全的常见病害。因此，对高速铁路隧道衬砌裂缝开裂因素以及相应整治技术的研究显得十分必要。

伴随国家经济的腾飞，我国的高铁技术已经处于世界的领先水平。近年以来，国内的高铁建设始终保持着快速而有序的发展，而这也同时带来了一些工程质量上的问题。以高速铁路隧道为例，如果在设计、施工、运营维护中的任一环节存在缺陷就会对隧道的结构造成质量上的隐患，这其中隧道的衬砌裂缝是最常见的也是安全隐患较为严重的病害。裂缝的产生和发展不仅会影响工程结构的自身强度。同时，裂缝的存在会导致隧道渗漏水现象的发生，特别是在地下水丰富且水质有腐蚀性的情况下会对衬砌结构造成非常大的危害。

高速铁路隧道二次衬砌的开裂不论是处在何种地质状况下，都是一个广泛存在并具有普遍性的长期问题，通常意义上讲铁路隧道在正常的运营过程中二衬表面不同程度都会存在裂缝，所以在对铁路隧道进行相关理论研究时，其裂缝因素是必须考虑的问题，否则相关的研究所得到的结论将会有很大的局限性。运营过程中由于二次衬砌上裂缝的存在将会改变衬砌在修建之初内部的应力场，尤其是对于裂缝的尖端部位，其附近的开裂面的应力分布将变得更为复杂，此处应力场将具有较大奇异性，在高应力梯度场中混凝土材料将发生损伤，而这种损伤又带有很大程度的连续性，所以需要详细的展开对于二次衬砌裂缝开裂因素的系统研究。

本文意在通过对高速铁路隧道衬砌引起开裂的相关因素的探讨，从而研究衬砌裂缝的特征及引起衬砌开裂的主要原因，通过研究寻找整治对策，为隧道衬砌的开裂防治提供借鉴意义。

1 隧道衬砌开裂机理

1.1 开裂机理

从衬砌本身材料缺陷及施工缺陷上考虑，由于隧道衬砌在浇筑过程中不可避免会存在微孔洞和微缺陷，而这些孔洞、缺陷的存在就是初始微裂缝发生并发展的起源。在围岩压力作用下，衬砌结构中的应力逐渐增大，特别是在衬砌的某些部位诸如拱顶，由于浇筑不足够等原因造成衬砌后背空洞等问题，会使衬砌产生拉力区，当其抗拉压强度超过其自身所能承受的拉压强度时，混凝土就会发生损伤出现微观甚至宏观裂缝，而这些缺陷在外力场和变形场的作用下，裂缝的尖端处由于应力集中而成为高应力区，这些区域的存在又将进一步使已产生的缺陷发生进一步的损伤。

从衬砌与围岩的相互作用上考虑，山体内部的地应力作用于围岩，围岩将这部分荷载传递到二次衬砌上面，并且在各种地质环境因素的作用下其隧道衬砌的裂缝开展可以假定为两种力学破坏行为，分别是拉伸开裂以及由于达到极限抗压强度而发生的破碎现象。在单轴拉伸的受力环境中，混凝土的应力应变关系在达到破坏应力前可以视作处于线弹性范围之内，此时该破坏时的应力相当于材料自身的微裂缝初始。当经过破坏应力后，混凝土处于弹塑性范围，此时出现的微裂缝多而密集并引起衬砌结构发生局部的应变变化。对于处在单轴压缩受力环境下的衬砌结构来讲，在初始的屈服应力之前可视作线弹性，随着应力的增大，当出现塑性区时，此时衬砌的变形为应变强化，超过其抗压极限强度后表现为应变软化，即发生较大的塑性变形。

从裂缝本身的形态方面考虑，在断裂力学理论中按受力情况的不同，将裂缝分为三种基本类型，即张开型裂缝、剪切型裂缝以及撕开型裂缝。张开型裂缝是在拉应力作用下产生方向垂直于裂缝面的裂缝形式，剪切型裂缝在垂直于裂缝前端而平行于裂缝面的剪应力作用下所产生的，撕开型裂缝则是在平行于裂缝前端并且平行于裂缝面的剪应力作用下产生的。当然，对于实际的结构物上的裂缝来讲，其可能是张开型与剪切型相复合的裂缝形式，也可能是张开型，剪切型与撕开型三者相复合的裂缝形式。可以假设三种裂缝形式分别相对应应力强度因子K1，K2，K3以及断裂韧性K1C,K2C,K3C。这时裂缝扩展时的临界条件和延伸方向与单一型裂缝的延展方向有所不同，判断复合型裂缝是否稳定可以应用最大轴向拉应力理论，应变能密度理论以及最大能量释放率理论。

1.2 裂缝平均宽度计算

通常情况下，混凝土的平均拉应变远小于钢筋拉应变，可忽略不计。故而裂缝平均宽度计算可简化为：

2 衬砌裂缝分布特征

1)裂缝宽度沿截面发生显著变化，衬砌表面的裂缝宽度最大，裂缝表面是一个规则的曲面。2)钢筋表层的界面裂缝宽度较小，钢筋与混凝土相对的滑移量较小。3)衬砌的受拉区裂缝除衬砌表面宽度较大的主裂缝外，还有产生于钢筋肋处延伸出的内部斜裂缝，其在钢筋界面附近产生，随着钢筋应力的增大，内裂缝的数量增多，间距密且向外延伸。4)对于贯通性裂缝，其特征为外宽内窄，而衬砌表层与内部的应变差是引起这一现象的根本原因。

3 开裂原因

隧道衬砌混凝土裂缝种类主要有：由于混凝土自身在硬化过程中水分蒸发引起干缩产生的裂缝，受到温度应力的影响产生的裂缝以及外荷载(诸如围岩压力)作用下产生的变形裂缝等，究其原因主要有以下几方面。

3.1 外力作用方面

外力作用是指由于地质环境作用以及围岩随时间发生的变形作用在衬砌上的荷载。

1)松弛作用。由于岩体风化和地下水的作用使得围岩强度弱化以及浇筑混凝土不足使得拱顶产生空洞等原因造成，围岩松弛会随时间逐年发展，在拱顶沿隧道纵向产生张开型裂缝，如果拱顶后背空洞较大则围岩随时间的变化中由于松弛产生剥离而掉落的岩块对衬砌形成冲击作用，过强的冲击作用会使二次衬砌发生较大的变形，严重时会发生诸如崩塌等现象。

2)偏压的作用。在一些特殊的地质地貌及施工环境下，诸如隧道建址在山脚处，地质褶皱以及倾斜性地貌等情况下，围岩会产生倾斜。另外诸如洞顶山体覆土填挖方或者地下水位的升降，都会形成偏压力，即使洞身承受的偏压力不大也会使衬砌产生裂缝，其裂缝特点是：近山体侧拱肩部产生平行于洞身走向的开裂，远侧的拱肩部则产生龟甲形状的开裂，接缝处发生错台现象。

3)膨胀性土质产生的土压力。膨胀性土压力是由于含有黏土矿物质的围岩产生体积膨胀所引起的附加应力，其中围岩产生的一部分塑性变形也是由于附加应力的作用。此种土压力随时间的增长而增长，并保持很长时间，是危害比较大的作用力，它的存在将会引起隧道边墙与拱肩部水平向的开裂，有接缝处依然会产生错台现象，拱顶后背存在空洞时会有局部压溃的现象发生。

4)地下水产生的作用力。地下水产生的作用力包括地下水压力以及寒冷天气中对围岩造成的冻胀力，一般情况下隧道设计中并不着意考虑地下水对于围岩的作用力影响，但是在涌水巨大，渗透性较高的地区中很有可能会因为排水不通畅而使水压力持续作用在围岩上使其长时间处于极限平衡状态，而引起衬砌的开裂，一般出现水平状裂缝以及环向裂缝。特别是在寒冷地区衬砌后背的地下水结冰进而围岩冻结而产生的冻胀力，这种冻胀力的作用依然是持续的，其变形也是逐步积累，冻胀力使得拱下部至边墙的范围内产生主动土压力引起拱顶附近局部范围内产生压溃现象。

5)温度应力作用。隧道衬砌的混凝土浇筑完成后发生干缩、凝缩以及温缩引起衬砌对其的约束反力作用，由于混凝土的抗压性能优于抗拉性能，当温度上升时混凝土膨胀产生压应力，当温度下降范围超过7 ℃～10 ℃时，混凝土难以抵抗由此产生的拉应力而出现沿洞身方向的环向开裂。

6)不均匀下沉引起的作用力。如果隧道的仰拱与边墙相交部位的承载力不足则会引起隧道的不均匀沉降，沿洞身的方向发生沉降时，隧道衬砌边墙的接地部位将发生垂直向的开裂，并逐渐延伸成环向，转变为环向开裂，当在隧道的横截面方向发生沉降时，将在拱顶部发生纵向开裂。

3.2 施工工艺与质量方面

1)施工技术条件限制。由于施工技术不先进，施工企业的管理松散等原因造成施工质量缺陷，诸如施工配合比控制不严谨，水灰比过大，浇筑质量以及振捣质量不佳造成衬砌后背空洞，振捣不密实混凝土内外部气孔过多造成蜂窝麻面引发质量不良等。另外浇筑时混凝土模板不平顺导致结构尺寸形状差异引起受力不良，出现裂缝，造成承载能力降低。

2)施工组织不当。由于施工组织不当，引起机械开挖时的超欠挖，施工过程中各工序衔接不够紧密导致成环不及时都会使拱顶部和拱腰处出现裂缝。

4 整治对策

当裂缝宽度小于0.5mm时，裂缝无明显的错动以及无渗漏等现象发生，不影响结构安全和正常使用，故可采用直接涂抹法封缝；当裂缝长度小于5m时，宽度在0.5mm～3mm之间时，如果此时裂缝范围较小，数量不多时，可采用凿槽嵌补法进行整治；宽度在3mm～5mm之间时，裂缝有明显的剪力错动和渗漏现象，这时可采用骑缝注浆的方法进行整治；当裂缝长度为5m～10m，宽度大于5mm时，若存在偏压，衬砌厚度不足等情况时可采用碳纤维加固的方法进行整治；当裂缝长度大于10m且宽度大于5mm时，如存在衬砌后背空洞等情况可采用锚固注浆法进行衬砌加固。

[1] 李固华，郭建国.隧道衬砌裂缝和渗漏的成因、预防及治理[J].铁道建筑，2003(1):23-25.

[2] 黄新社.隧道衬砌裂缝及渗漏水治理技术[J].隧道建设,2006,26(3):32-35.

[3] 罗 勇.隧道衬砌开裂机理及控制方法研究[D].成都：西南交通大学,2010.

[4] 陈东柱.高速铁路隧道衬砌裂缝病害及其整治措施研究[D].长沙：中南大学,2012.

Study on lining cracking and treatment countermeasures of high speed railway tunnel

Wang Shuo1,2Yan Jing1

(1.JilinRailwayTechnologyCollege,Jilin132001,China；2.SchoolofCivilEngineering,LanzhouJiaotongUniversity,Lanzhou730070,China)

This paper elaborated the related factors caused tunnel lining cracking, researched the distribution characteristics of lining crack, from the external force, construction technology and quality aspects, analyzed the causes of tunnel lining concrete cracks, proposed corresponding control countermeasures, had certain significance for high-speed rail tunnel lining crack control.

tunnel, lining crack, cracking reason, control countermeasure

1009-6825(2016)05-0203-02

2015-11-25

王 硕(1984- )，男，助教，在读硕士

U457.2

A