某铁路明洞拱部裂缝成因分析

张鸿昆， 王立川, 2， 练发胜， 刘志强， 吴 剑， 龚 伦， 王 刚

(1. 中国铁路成都局集团有限公司, 四川 成都 610082； 2. 中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075；3. 中铁西南科学研究院有限公司, 四川 成都 611731； 4. 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都 610031)

0 引言

明洞作为隧道工程中的一种型式，是部分隧道洞口段施工质量安全控制的重要环节，明洞结构的裂缝产生原因及整治措施，一直是隧道工程领域的难点问题之一。明洞结构主要问题表现在基础的不均匀沉降、结构内外表面温差引起温度应力、偏压及结构裂缝等。程正明[1]分析了海底隧道软基地段明洞不均匀沉降后的回填安全性并提出加固措施；刘浩[2]通过实测明洞结构内外温差及数值计算分析，得出温差对隧道结构应力的影响规律；刘新荣等[3]、吴启勇[4]对不良地质条件下偏压引起的结构裂缝进行了分析；陈国富[5]针对偏压错台明洞结构，提出对边坡坡脚位置及抗偏压墙处采用反压回填法等处治方法；徐湉源等[6]通过考虑大体积混凝土水化热导致的结构温度应力，提出超高填方明洞的双层衬砌型式；赵鹏[7]通过室内模型试验提出采用格栅、EPS板对黄土高填方明洞的减载措施。国内业者同时对明洞隧道结构裂缝进行了相关的研究工作[8-9]： 马洪玉等[10]通过对煤矿主副平洞明挖回填段的结构裂缝分析，查明了裂缝产生的原因并提出整治方案建议；杨建龙等[11]对南京地铁部分明挖段结构裂缝原因进行了分析，并提出了相应的裂缝处治方案；崔毓善等[12]对地表水下渗及车辆荷载作用下的明洞结构裂缝进行了分析研究。

总体上，国内业者主要关注施工完成后的明洞结构裂缝，而对施工过程尤其是由施工工序影响所致的裂缝研究较少，本文就明洞在此研究领域出现的裂缝进行成因分析并提出防治的思路。

1 工程概况

GD铁路扩改工程YY双线隧道采用明洞型式，全长440 m(D1K122+580～D1K123+020)，隧道区域上覆第四系全新统坡残积粉质黏土、膨胀土，更新统松毛坡组粉质黏土、粉土、中砂、角砾土、碎石土，下伏基岩为三叠系云南驿组一段页岩夹泥质粉砂岩，特殊岩土为膨胀土。地表水主要为沟水，水量不大，季节性明显；地下水主要为坡洪积覆盖层中的孔隙潜水和基岩裂隙水，水量丰富，水位季节性特征显著，钻孔揭示稳定水位2.8～15.0 m。进口段D1K122+580～+670和出口段D1K122+970～D1K123+020为斜切式洞门及斜切延伸段，采用C40耐腐蚀混凝土，厚0.8 m，环向主筋为HRB400φ25@200，纵向主筋为HRB335φ18@400；D1K122+670～+970段为I型明洞，采用C40耐腐蚀混凝土，仰拱衬砌厚1.3 m，拱墙厚1.2 m，内侧主筋为HRB400φ25@200，外侧主筋为HRB400φ28@200，纵向主筋为HRB335φ18@400。线路纵坡为12‰及6‰上坡。

隧道防水层由1 cm厚聚合物水泥砂浆找平层+防水板+土工布+2 cm厚聚合物水泥砂浆保护层构成；回填由C15混凝土+碎石反滤层+夯填土石+黏土隔水层构成。明洞横断面如图1所示。

图1 明洞横断面图(单位： cm)

全隧挖方深度最大27 m，回填厚度最大15 m；仰拱和拱墙结构分别分段整体浇筑；洞顶回填厚度2～15 m。D1K122+580～+670、D1K122+970～D1K123+020回填厚度2 m；D1K122+670～+800、D1K122+840～+970段回填厚度2～15 m，纵坡10%；D1K122+800～+840段回填厚度15 m。隧道纵断面如图2所示。

图2 隧道纵断面图

全隧按设计采用明挖法施工，从进口向出口顺序施工，设计回填方式为： 明洞结构混凝土达到设计强度的70%后，回填两侧C15混凝土至设计高度，拆除明洞拱架，及时对称回填土石，拱顶齐平后再分层满铺至设计高度，回填土压实系数不应低于0.8，分层厚度不宜大于0.3 m，如采用机械回填，应在人工夯填超过拱顶1 m以上后进行，且不宜采用大型机械设备。该明洞隧道2014年6月开工，2015年5月7日完成第一单元拱墙结构浇筑，2016年6月施工完毕。

2 拱顶开裂情况

2.1 裂缝情况

2017年3—4月，发现D1K122+730～D1K123+020段拱部90°范围内出现密集的纵向裂缝。典型裂缝分布情况见图3： D1K122+730～D1K123+020段隧道拱顶中心线两侧约2.5 m范围内，分布纵向裂缝7～10条，裂缝间距20～60 cm，无错台，沿隧道纵向线性分布。2017年7月，局部清除该隧裂缝对应段落回填土，观察拱部外侧无裂缝产生(见图4)，表明隧道拱部内侧裂缝为张拉裂缝。

图3 拱部典型裂缝照片

2.2 裂缝宽度与分布特征

通过对2个独立检测单位的明洞裂缝检测资料汇总和梳理，得到裂缝宽度统计见表1。裂缝宽度为0.17～0.98 mm。

图4 拱顶外侧照片

断面里程裂缝宽度/mm回填土石厚度/mD1K122+7530.4210.3D1K122+7880.4813.8D1K122+7920.6714.2D1K122+8010.6815D1K122+8130.5615D1K122+8260.9815D1K122+8410.7114.9D1K122+8450.7314.5D1K122+8580.8513.2D1K122+8650.6712.5D1K122+8830.5810.7D1K122+9000.2510D1K122+9130.177.7

裂缝宽度随回填厚度的变化曲线如图5所示。由图5可见： 裂缝宽度与回填厚度存在一定正相关性，裂缝宽度随回填厚度的增加而增大，裂缝最大宽度出现在回填土石厚度为15 m段落，表明回填土石厚度对裂缝的宽度具显著影响。当回填厚度为15 m时，裂缝宽度为0.55～1.00 mm。

图5 裂缝宽度随回填土石厚度变化曲线图

Fig. 5 Variation curves of crack widths with thickness of backfill rock

3 数值计算分析

3.1 计算模型及参数

使用ANSYS进行数值计算分析，采用摩尔-库仑本构、荷载-结构模型，计算埋深按回填厚度考虑，衬砌采用平面单元，周边采用弹性链杆模拟地层反力。按照设计验算要求，同时考虑回填土体未完全固结不能形成承载拱，因此15 m回填厚度范围内均按松散土体自重考虑，将回填土石自重转化为单元节点荷载，计算模型如图6所示。分别计算回填土石自重作用、回填土石自重及施工荷载作用、边墙回填不密实对明洞结构受力的影响。分析单元受拉应力与出现部位，并与材料受拉强度进行比较，不单独进行裂缝模拟。

图6 计算模型图

参考TB10003—2005《铁路隧道设计规范》，回填土石按Ⅴ级围岩取下限值，计算物理力学参数如表2所示，拱墙结构厚度按设计取120 cm。

表2 计算物理力学参数表

3.2 回填土石自重作用下结构受力分析

明洞结构在其上回填土石自重作用下，结构所受拉应力最大在拱顶部位，通过计算得到不同厚度回填土石自重作用下结构的拱顶拉应力，拱顶拉应力值如表3所示，拱顶拉应力云图如图7所示。

表3不同填土厚度明洞拱顶拉应力

Table 3 Tensile stresses of open-cut tunnel with different backfill heights

填土厚度/m1251015拱顶拉应力/MPa000.111.152.18

由表3可知： 明洞结构在回填厚度小于5 m时，拱顶基本不产生拉应力；拱顶回填厚度与拱顶拉应力值呈线性正相关关系，回填厚度15 m时，拱顶拉应力为2.18 MPa。

(a) 回填土石厚度5 m

(b) 回填土石厚度10 m

(c) 回填土石厚度15 m

Fig. 7 Nephograms of tensile stresses of crown top under weight load of backfill rock (unit: Pa)

3.3 回填施工动载计算分析

由现场调查知，回填土石压实采用前轮轴质量为9.2 t的压路机，因此，对明洞施工过程进行计算分析时，除计算回填土石静载外，还应纳入压路机的工作动载。

施工动载按2.6倍轴重，压路机振动轮按宽度2 130 mm计算，得到施工动载为112.3 kN/m。施工时任意回填土石厚度下隧道周边各节点受到的竖向附加应力σz按土力学中条形面积竖向均布荷载公式计算如下：

(1)

式中：p为均布荷载；m=x/B；n=z/B；x为任意点水平距离；z为任意点深度值；B为均布荷载宽度。

水平附加应力仍按垂直附加应力乘以侧压力系数0.43获取。

按施工动载在拱顶正上方的最不利情况计算，得到不同回填厚度下结构受力如图8所示，拱顶拉应力值汇总如表4所示。

(a) 回填土石厚度1 m

(b) 回填土石厚度2 m

(c) 回填土石厚度5 m

(d) 回填土石厚度10 m

(e) 回填土石厚度15 m

Fig. 8 Nephograms of tensile stresses of crown top under dynamic load effect of backfill (unit: Pa)

由计算知，当考虑明洞回填土石压实的施工荷载时，由于施工动载的存在，使得拱顶拉应力呈现两头大，中间小的特点，即当回填厚度小于5 m时，随着拱顶回填厚度的减小，拱顶拉应力增大，表明此时施工动载对明洞结构受力影响显著；当回填厚度大于5 m时，随着拱顶回填厚度的增加，拱顶拉应力增大，表明此时回填土石自重对明洞结构受力影响显著。

表4施工动载作用明洞拱顶拉应力

Table 4 Tensile stresses of open-cut tunnel under dynamic load effect of construction

填土厚度/m1251015拱顶拉应力/MPa1.581.371.161.682.52

3.4 边墙回填不密实计算分析

现场调查知，设计的边墙回填混凝土部分更改为回填土石，时有边墙回填不密实，因此采用减弱边墙的弹性抗力系数来模拟边墙回填不密实对结构受力的影响，计算回填厚度取15 m。将边墙弹性抗力系数按密实度折减来近似模拟计算，得到拱顶拉应力值汇总如表5所示。

表5边墙回填不密实时明洞拱顶拉应力

Table 5 Tensile stresses of open-cut tunnel when sidewall backfill is uncompacted

密实度/%拱顶拉应力/MPa比值1002.181802.671.22603.151.44403.641.67204.121.89

注： 比值以密实度100%为基准。

由计算知，边墙回填密实度对拱顶拉应力影响显著，密实度为60%时，拱顶拉应力值为完全密实时的1.44倍，且已超出结构C40的极限抗拉强度值2.7 MPa。

4 裂缝成因分析

该明洞结构拱部裂缝为受拉状态，从受力分析来看，可分为2个方面，一是拱部受到外部荷载的作用导致混凝土受拉产生裂缝，外部荷载主要包含回填土石自重及施工动载等；二是明洞两侧回填物的约束减弱导致结构在相同荷载作用下变形增大而产生裂缝。

4.1 成因分析

1)裂缝宽度随回填厚度的变化规律表明，裂缝与回填厚度存在正相关关系。按设计参数进行结构回填土石自重作用与施工动载作用下的验算表明，拱墙结构所受拉应力是满足要求的。该验算为隧道结构最终的受力状态，未考虑混凝土养护过程中强度的增长过程及在养护期施工动载对结构的影响，但现场确有混凝土强度不足即回填的现象。

2)混凝土抗压强度随时间的增长公式[13]：

ft=f28·lg(t)/lg(28)。

(2)

式中f28为28 d的抗压强度。

按式(2)计算，混凝土龄期与其28 d强度变化的近似曲线如图9所示。由图9可见： 混凝土第3 d抗压强度为28 d强度的48%，即混凝土抗压强度仅为19.2 MPa，对应的抗拉强度为1.6～1.9 MPa(抗拉强度按抗压强度的1/12～1/10取值)；第10 d抗压强度为28 d强度的69%，即混凝土抗压强度仅为27.6 MPa，对应的抗拉强度为2.3～2.7 MPa。

图9 混凝土龄期与28 d强度变化曲线图

Fig. 9 Variation curve of concrete age with 28-day strength

3)在拱部回填压实过程中，回填厚度在5 m以内时，施工动载对拱顶拉应力的作用非常明显，如图10中的区域A。因此，当混凝土养护不到位或过早实施回填施工时，因混凝土抗拉强度尚未达设计值，施工动载会导致在拱部混凝土产生裂缝，尤其当回填土石厚度仅1 m时(通常2 m以上压实，2 m以下夯实；该案例工程施工中，1 m以上已采用压路机压实)，填土自重及施工动载作用下拱顶拉应力已达1.58 MPa。

图10 衬砌拱顶拉应力曲线图

4)通过对全隧施工过程的分析可判断，进口段50 m范围内，因工序未全部铺展开，混凝土结构与回填施工的间隔时间较长，混凝土养护周期较长，因此回填施工并未导致明洞结构拱部产生裂缝，伴随全工序铺开及施工进度的加快，之后的混凝土养护时间较短(对应混凝土临界抗压强度值16～19 MPa)的情况下，立即实施回填施工，导致混凝土在回填土石自重与施工动荷载作用下出现裂缝。因此，D1K122+730～D1K123+020段(即除进口50 m外)拱部出现了大面积裂缝。

同时，由于施工中部分明洞段落边墙回填采用回填土石替代混凝土，两者密实度差别较大，回填土石段落对边墙的约束减弱，在拱部回填土石及施工动载作用下，边墙向两侧产生更大的水平位移，因而拱部产生更大的竖向位移，导致拱部受拉加剧，使拱部裂缝呈现环向范围的差异化现象。

4.2 结论

基于以上受力状态分析，结合现场核对吻合度较高的现状，得出导致该明洞拱部裂缝的主因如下：

1)该明洞拱部裂缝宽度与回填厚度存在正相关性，裂缝宽度随回填厚度增加而增大，最大裂缝宽度0.98 mm，出现在回填厚度15 m段落；

2)结构混凝土强度未达设计强度即实施回填施工及边墙回填不密实是导致该明洞回填厚度大于5 m段落拱部产生裂缝的主因；

3)设计计算时未纳入施工动载，也是回填厚度小于5 m段落拱部产生拉应力进而致裂的主因之一；基于回填压实的必然性和分层厚度的随机性，不能排除施工动载对回填厚度大于5 m段落拱部产生拉应力进而致裂的影响。

5 结论与讨论

通过对GD铁路扩改工程YY明洞结构拱部裂缝的分析，得到预防同类裂缝的主要结论与讨论如下：

1)设计方面。在明洞结构设计计算时,除进行静态条件下的结构计算外，需结合回填压实设备和工作方式，包络性纳入施工动载对结构的影响，应验算和界定动载影响的回填厚度边界；设计文件中，应对结构混凝土龄期和(或)强度指标、回填物密实度的边界予以说明；宜对施工工况的不利叠加对结构特定部位的不利影响给予排除性提示。

2)施工方面。除执行相关施工规范(规程、规定、指南)和验收规范外，一方面，要研究施工力学行为，以尊重但不迷信设计的科学精神认真审核施工图设计，检漏查缺勘误；另一方面，要特别关注和考量不同设备及其不同工作模式引起的施工动载及其差异化影响，研究结构混凝土龄期和部位与回填时机的契合，持续优化施工流程，提高施工行为与设计的吻合度，避免稍有差池而不合理地承担非己方责任。

3)建设管理方面。建设管理机构宜着力提升专业能力，除应就特殊结构、特殊工程部位、特殊工况对设计提出检算要求外，需规范对设计单位、施工图审核单位、监理单位书面意见的闭环管理；编制指导性施组应具包容性，同时强调施组的动态管理与优化； 1 m的回填厚度即采用重型压路机静压、边墙回填的差异化和不密实，实乃建设管理的明显缺失。

4)现场调研资料无法确认明洞仰拱(隧底)与拱墙结构间纵向施工缝的规范性和有效性，故本论文未专事研究其对结构受力的影响及对拱部裂缝产生的成因，但也无法排除其影响，下一步应对其深入探讨。

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