公路隧道衬砌纵向及斜向裂缝形成机理探讨

黄云

摘要：衬砌裂缝是公路隧道比较常见的病害，也是影响隧道结构性能与安全的主要病害之一。文章从公路隧道衬砌裂缝现状出发，总结已有研究成果，并通过建立数值力学模型，探究纵向裂缝及斜向裂缝的形成机理。

关键词：公路隧道;衬砌裂缝;形成机理

Highway tunnel;Lining crack;Formation mechanism

0 引言

广西山区多，在高速公路修建过程中产生了大量的隧道工程。由于地质水文条件、设计施工、自然灾害等不利因素的影响，隧道在运营过程中会出现不同程度的病害，其中衬砌裂缝是影響隧道结构性能与安全的主要病害之一，而衬砌裂缝的形成是多种复杂因素相互作用的结果，不同类型的裂缝，形成机理也不同，盲目地采用处治方案，不仅达不到维修加固的效果，还可能错过最佳的处治时期，造成更大的损失。本文在广泛调查广西多条高速公路隧道衬砌开裂情况的基础上，分析了纵向裂缝或斜裂缝的形成机理，可为隧道工作者在减少或避免衬砌裂缝方面提供参考，其应用于已建或在建的公路隧道中，有利于延长广西区公路隧道的使用寿命，保障隧道施工运营的安全性、经济性。

1 隧道衬砌裂缝成因

公路隧道衬砌裂缝的形成是多种复杂因素相互作用的结果，这些影响因素中不仅包括前期的各种设计施工缺陷，还包括运营期间的各种自然灾害、变异、材料劣化等。对此，王建秀等[1]对云南三公箐隧道裂缝进行实测，指出混凝土温度、不均匀沉降、偏压荷载及施工工序不合理是导致衬砌裂缝的主要成因;严中、王飞[2]对某公路隧道洞口段衬砌裂缝进行了现场调查，推断偏压及混凝土收缩变形是导致衬砌开裂的主要因素;丰权章等[3]认为衬砌裂缝的产生主要受材料、温度、受力、施工4方面的不利因素影响;宋瑞刚等[4]认为导致衬砌裂损的主要原因有两大类，外因是外部围岩条件发生变化，内因是衬砌结构本身存在缺陷;黄友林、吴连波[5]等认为偏压、不均匀沉降、地下水作用及施工等不利因素是导致隧道衬砌开裂的主要原因。综上，目前认为隧道衬砌裂缝形成的主要原因有：

（1）外荷载的直接应力引起的裂缝;（2）变形变化引起的裂缝;（3）温度变化引起的裂缝;（4）结构次应力引起的裂缝;（5）地质、勘察设计、施工环境等其他因素。

2 隧道衬砌裂缝形态及分布调研

根据裂缝形态与隧道的关系，可以将裂缝分为纵向裂缝（裂缝的发育大体上沿着隧道走向）、环向裂缝（裂缝的发育大体上沿着隧道的环向）、斜向裂缝（裂缝的发育与纵向成一定角度发育）、网状裂缝等。

根据广西公路隧道衬砌裂缝现状的调查结果可知，裂缝形态主要有环向裂缝、纵向裂缝及斜裂缝三类，其中环向裂缝分布较为普遍，多分布在施工缝处，施工缝之间也有环向裂缝分布，不过经过证实其中很多都只是防火涂料开裂，衬砌并未开裂;纵向裂缝多发生在拱顶及边墙部位，纵向裂缝的发育多与温度、混凝土本身的收缩徐变、施工缝、沉降缝等因素有关;斜向裂缝多发生在边墙检修道上方，这些斜向裂缝往往具有贯穿性，尤其是对于尚在发展的斜裂缝，需要引起足够重视。

3 纵向裂缝及斜向裂缝形成机理分析

为探究纵向裂缝、斜向裂缝及组合形态裂缝形成的机理，选取受力、沉降、温度作为外部变化条件，并结合数值试验及理论手段进行定性分析，研究衬砌裂缝发展的规律与趋势。

3.1 荷载受力分析

一般情况下，隧道衬砌可简化为平面应变模式，但由于混凝土材料存在泊松比，其在纵向上也存在较大受力，复杂的受力模式会诱发多种形式的裂缝形态。采用MIDAS/GTS软件建立荷载-结构三维模型，定性探究受力对隧道衬砌裂缝产生的影响。选取如下三种工况：工况一，隧道衬砌承受规范规定的荷载，在纵向均匀分布;工况二，隧道衬砌两端承受规范规定的荷载，中部承受为规范值2倍的荷载;工况三，隧道衬砌承受规范规定的荷载，中部局部地段承受一个很大的集中荷载。其中规范荷载为：竖向荷载q=150 kPa，水平荷载e=50 从图2中可以发现，受力不均匀或局部存在集中力时，其纵向应力明显不同。集中荷载存在时，在集中荷载周边存在较大的拉应力或压应力区间。隧道衬砌中部存在较大荷载时，受力较大处纵向拉应力较大，且分布不均匀。隧道受力的不均匀，使得其在隧道纵向上具有复杂的应力状态，多会形成环向裂缝或纵向裂缝。

一般情况下，隧道衬砌是环向受力构件，工程实践中，由于施工过程中对施工缝处理不当，造成施工缝处衬砌脱开，隧道纵向长度与环向宽度的比例减小，隧道衬砌结构将呈现双向受力状态，在隧道纵向也会因荷载产生很大的纵向应力。纵向应力与其他多种原因产生的共同的应力组合，可能造成环向裂缝、斜向裂缝等多种裂缝形态。

3.2 沉降分析

当隧道在纵向上呈现不均匀沉降时，其对隧道的受力状态会产生不同的影响。采用MIDAS/GTS软件建立荷载-结构三维模型，共分析三种工况：工况一，隧道采用有仰拱形式，数值模型中部的弹簧抗力系数采用50 MPa，其余段落采用250 MPa;工况二，隧道采用有仰拱形式，在数值模型中，中部两侧一点范围内基底抗力系数分别采用50 MPa和25 MPa，其余段落采用250 MPa;工况三，隧道采用无仰拱形式，中部两侧一点范围内基底抗力系数分别采用50 MPa和25 MPa，其余段落采用250 MPa。由于中部弹簧抗力系数较小，中部将产生较大的变形和沉降。竖向荷载采用150 kPa，水平荷载采用50 kPa。仅用受压弹簧作为边界条件，数值试验模型见图3。

从图4（a）图可以发现，在中部沉降后，除了沉降区外，沉降区附近也将产生较大的纵向应力。中部沉降区内侧在环向有较大的纵向压应力，外侧有较大的拉应力。沉降区附近内侧有较大的拉应力，外侧有较大的压应力，且呈现倾斜趋势。

从图4（b）图可以发现，在中部两侧沉降后，隧道底板的应力变化最为明显，在沉降区内侧底板承受较大的压应力，外侧承受较大的拉应力。在沉降区两侧，内表面承受较大的拉应力，外表面承受较大的压应力。

从图4（c）图可以发现，在仰拱两侧出现沉降后，无仰拱区的受力与有仰拱的工况二明显不同，沉降区应力影响最大的区域比较集中，应力等值线呈倾斜趋势，且内外侧应力都为拉应力，呈现出明显的拉剪破坏特点。

隧道不均匀沉降对隧道衬砌的影响是一个复杂的过程，除了与沉降区的分布有关外，还与隧道是否设置仰拱及伸缩缝位置等有关。沉降引起的裂缝形态复杂，一般都有环向裂缝、斜向裂缝和纵向裂缝。隧道衬砌沉降后，通常先产生一种类型的裂缝，由于衬砌应力重分布，以及裂縫的进一步发展，隧道衬砌会产生多种形态的裂缝。地质条件的复杂性、施工的误差、衬砌及变形缝的设置不合理等都可能引起沉降，进而诱发裂缝发展。

3.3 温度分析

温度场在隧道进出口分布是极不均匀的，但是在隧道深处，温度场在整个隧道衬砌范围内分布较为均匀。鉴于隧道通常在纵向上有变形缝及施工缝，将数值试验模型简化为一环向实体衬砌，衬砌与围岩之间相互作用，采用只受压的法向弹簧和切向弹簧进行模拟，数值试验模型见图5。

从图6可以发现，衬砌结构整体降温后衬砌中部环向区域出现较大的纵向拉应力，且拉应力最大达700 kPa;衬砌整体升温后，在衬砌结构的两端存在纵向拉应力，中部存在纵向压应力，拉压应力较大，最大达820 kPa。

隧道结构表层通常会涂刷一定厚度的防火涂料，防火涂料虽然具有防火性能，但是其抗拉、抗压强度相对于混凝土来说极低，通常防火涂料的粘结强度<150 kPa，抗压强度基本在500 kPa以下。由于温度场的作用，温度在纵向上的应力，很容易达到防火涂料的开裂应力，在多次受到温度差作用后，防火涂料表层会生成多种裂缝。根据裂缝调查结果，很多裂缝并未完全发育到衬砌结构，通常仅在防火涂料范围内发育，这些裂缝通常不对衬砌结构的稳定性造成实质性影响。

裂缝的形态往往呈现复杂多样性，是多种因素共同作用的结果。除了外力、不均匀沉降、温度等因素外，裂缝的发展过程也是造成衬砌多种裂缝形态的重要原因。混凝土开裂后，衬砌应力将发生重分布，裂缝逐步由开裂区向非开裂区发展，在发展的过程中逐步形成多种多样的裂缝形态，这也是一种裂缝形态会伴随有其他裂缝形态的重要原因。同时，混凝土施工后的各种缺陷及其各项特性也会造成隧道衬砌产生多种裂缝形态。

4 结语

（1）隧道受力不均匀，多会形成环向裂缝或纵向裂缝。

（2）隧道不均匀沉降引起的裂缝形态复杂，通常先产生一种类型的裂缝，由于衬砌应力重分布及裂缝的进一步发展，继而产生多种形态的裂缝。

（3）温度变化多会形成环向裂缝，但大部分裂缝仅在防火涂料范围内发育，通常不对衬砌结构的稳定性造成实质性影响。

参考文献：

[1]王建秀，朱合华，唐益群，等.双连拱公路隧道裂缝成因及防治措施[J].岩石力学与工程学报，2005，24（2）：195-202.

[2]严 中，王 飞.公路隧道衬砌裂缝处治技术研究[J].公路隧道，2016（1）：31-34.

[3]丰权章，董晓明，张素磊.公路隧道衬砌裂缝成因及其防治措施研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010（8）：257-258.

[4]宋瑞刚，张顶立，伍 冬，等.隧道衬砌结构裂损机理及定量评估[J].北京交通大学学报，2010，34（4）：22-26，35.

[5]黄友林，吴连波.公路隧道衬砌开裂和渗漏水的分析及防治[J].公路交通技术，2008（1）：115-117，124.