1、隧道混凝土襯砌裂縫成因分析及擴展規律研究 摘要：隧道混凝土襯砌開裂在施工中，是一個普遍問題。本文主要研究了隧道混凝土襯 砌開裂的各種原因，利用斷裂力學的強度因子開裂準則原理，研究裂縫擴展規律。從而為 隧道混凝土襯砌的設計和施工中防止裂縫提供理論依據。關鍵詞：混凝土襯砌；強度因子；隧道混凝土襯砌裂縫和滲漏水防治是國內外公認的難題。據統計，我國早在1990年就有31 00座鐵路隧道由于襯砌結構開裂滲漏而存在不同程度的病害，占當時隧道總數的65%左右。隧道的襯砌裂縫大多出現在隧道建成的早期，有的甚至在隧道修建的過程中就出現了大量 的裂縫，而在建后5至10年之間出現的幾率較少，隧道使用10年以后，由于

2、多種原因，隧 道也會開始出現裂損、錯臺、滲漏等惡化現象。探討隧道襯砌的裂縫成因及其擴展理論對 襯砌裂縫治理和保證施工質量有重要意義。1混凝土產生裂縫的原因分析混凝土產生裂縫的原因很多，根本原因是混凝土收縮造成的。混凝土收縮主要有兩類：干 燥收縮和溫降收縮。1. 1混凝土的干燥收縮變形混凝土的干燥收縮變形受到混凝土環境（如空氣濕度）、混凝土構件形狀、尺寸和混凝土 原材料及配合比等因素的制約。混凝土在潮濕養護中其內部孔隙濕度可保持100%,在結束濕養并裸露于大氣中后開始從表 面蒸發脫水并引發干縮。因此，大氣濕度是制約混凝土干縮的重要因素。同時，與隧道內 溫度高低、通風強弱等也有一定影響。水泥石中的

3、可蒸發水存在于大孔洞、毛細孔及凝膠孔中。脫水干燥時，首先是大孔洞里的 水蒸發，但這不至于引起收縮；隨后是較粗毛細孔水蒸發，脫水量較多而收縮較小；再后 依次是較細、更細孔里的水蒸發，脫水量依次減少，但收縮量依次增大。在強烈干燥下， 凝膠孔里的吸附水也能解析蒸發并引起收縮。可見，混凝土的干燥收縮，在體內將主要受 制于水泥石的細孔含量和孔徑分布，亦即是要受制于混凝土用水量以及水泥水化度（水化 齡期）。延長混凝土的潮濕養護時間和增加混凝土中骨料含量，都可減小混凝土的干縮率。混凝土的溫度變化起因于兩個因素，即周圍環境溫度變化和水泥水化放熱。環境溫度變化 視不同地區、不同季節、不同天氣各不相同，需根據工程

4、所在地的具體條件確定。水泥水 化熱的多少取決于水泥的礦物組分、混合材料和細度。混凝土溫度升高幅度可通過計算混 凝土的絕熱溫升和散熱降溫速率求得，但需測得很多相關數據，準確計算難度較大。2隧道混凝土襯砌開裂機理分析 將以隧道襯砌作為受力實體，著重從其所受的水平應力（主要是由于干縮和熱脹冷縮引起 的溫度應力）、襯砌的不均勻沉降、拱部不均勻受力（馬鞍形受力）等三個方面進行研究 分析，并采取各種措施減少或消除其對隧道襯砌的影響，從而防止隧道裂縫的出現，保證 襯砌的整體結構。2. 1隧道的溫度應力在隧道中，襯砌混凝土存在干縮與熱脹冷縮，而且由于襯砌外側圍巖阻礙了襯砌的自由脹 縮，所以在襯砌混凝土內部產生

5、溫度應力，這種溫度應力的大小與襯砌混凝土的介質性能 （彈性模量、線膨脹系數）、升降溫度（溫差）、巖土介質對隧道壁的阻力及隧道長度有 關，并隨著這些因素的增大而增大。而混凝土是抗壓不抗拉的材料，故常能抵抗升溫時產 生的壓應力，而難抵抗降溫時產生的拉應力。當襯砌內部的拉應力超過隧道襯砌混凝土的 抗拉強度時，隧道襯砌將發生開裂，這種開裂的發生首先是從隧道的中部開始的。2. 2隧道的不均勻沉降由于隧道縱向穿過不同力學性質的巖層，地基承載力差異較大；由于襯砌背后回填不對稱, 以及不同斷面的襯砌抗不均勻性變形能力的差異性等原因，都可能導致隧道縱向的不均勻 沉降，引起縱向彎矩，產生裂縫°這種由隧道

6、的不均勻沉降而產生的隧道應力，與隧道的 彈性模量成正比，即彈性模量越大，由相同的不均勻沉降所引起的隧道內力越大，也越容 易引起隧道襯砌的開裂。3隧道混凝土襯砌裂縫擴展規律3. 1隧道混凝土襯砌裂縫擴展臨界應力在斷裂力學中，由于裂紋尖端應力場的強程度主要由Km （應力強度因子）這個參量來描述。 通過它可以建立K1=K1C或KnrKmc）的斷裂準則。3. 2隧道襯砌背后荷教分布對裂縫的影響通過調查，隧道襯砌縱向裂縫約占裂縫總長度的80%,是一種主要的裂縫形式4。其中拱 頂內緣擠壓剝落、拱腰內緣拉裂、張開、錯臺者約占縱向裂縫總長度的65%,這是一種比 較普遍、數量多的典型破壞形式。實測表明，有這種破

7、壞形態的隧道襯砌拱部地層壓力小, 拱腰部位壓力大，荷載分布近似“馬鞍形”。產生這種荷載分布形式有三個主要原因：一 是由于目前施工工藝的限制，拱背難以回填密實；二是由于光面爆破技術把握不夠，引起 超挖而乂未能及時回填；三是由于隧道拱頂巖石坍塌破碎，回填不理想等。這樣，使原來 應由拱頂承受的山體壓力轉到拱腰部位，造成了隧道拱部荷載的“馬鞍形”分布，從而與 原設計假定的襯砌與圍巖密貼不相符合，使拱腰內緣由原來的受壓變為受拉，拱頂內緣由 受拉變為受壓，使拱腰內緣出現拉裂裂縫，而拱頂內緣則出現壓裂裂縫等破壞特征。隧道襯砌在“馬鞍形”荷教作用下，隨著拱腰拱頂荷載比的不斷增大，襯砌拱頂的內緣由 受拉逐漸變為受壓，而拱腰部分則相反，由受壓變為受拉。同時.，隧道襯砌的最不利截面 也由拱頂下移到拱腰，此時，隧道襯砌的拱腰部分，有可能最先拉裂，產生沿隧道縱向方 向的裂縫，同時在水平方向應力的作用下還可能產生錯臺；隨后拱頂的外緣也可能出現沿 縱向方向的拉裂縫，從而使拱頂的內緣因受壓致裂。4結論應用隧道混凝土襯砌裂紋擴展規律如下：（1）隧道混凝土襯砌裂縫主要來自于混凝土的干縮與溫升和溫降；（2）隧道混凝土襯砌最早裂縫出現在中間，隨著應力重分布，裂紋不斷在每段中部增加, 直至中間最大拉應力