某鐵路明洞拱部裂縫成因分析

張鴻昆， 王立川, 2， 練發勝， 劉志強， 吳 劍， 龔 倫， 王 剛

(1. 中國鐵路成都局集團有限公司, 四川 成都 610082； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075；3. 中鐵西南科學研究院有限公司, 四川 成都 611731； 4. 西南交通大學土木工程學院, 四川 成都 610031)

0 引言

明洞作為隧道工程中的一種型式，是部分隧道洞口段施工質量安全控制的重要環節，明洞結構的裂縫產生原因及整治措施，一直是隧道工程領域的難點問題之一。明洞結構主要問題表現在基礎的不均勻沉降、結構內外表面溫差引起溫度應力、偏壓及結構裂縫等。程正明[1]分析了海底隧道軟基地段明洞不均勻沉降后的回填安全性并提出加固措施；劉浩[2]通過實測明洞結構內外溫差及數值計算分析，得出溫差對隧道結構應力的影響規律；劉新榮等[3]、吳啟勇[4]對不良地質條件下偏壓引起的結構裂縫進行了分析；陳國富[5]針對偏壓錯臺明洞結構，提出對邊坡坡腳位置及抗偏壓墻處采用反壓回填法等處治方法；徐湉源等[6]通過考慮大體積混凝土水化熱導致的結構溫度應力，提出超高填方明洞的雙層襯砌型式；趙鵬[7]通過室內模型試驗提出采用格柵、EPS板對黃土高填方明洞的減載措施。國內業者同時對明洞隧道結構裂縫進行了相關的研究工作[8-9]： 馬洪玉等[10]通過對煤礦主副平洞明挖回填段的結構裂縫分析，查明了裂縫產生的原因并提出整治方案建議；楊建龍等[11]對南京地鐵部分明挖段結構裂縫原因進行了分析，并提出了相應的裂縫處治方案；崔毓善等[12]對地表水下滲及車輛荷載作用下的明洞結構裂縫進行了分析研究。

總體上，國內業者主要關注施工完成后的明洞結構裂縫，而對施工過程尤其是由施工工序影響所致的裂縫研究較少，本文就明洞在此研究領域出現的裂縫進行成因分析并提出防治的思路。

1 工程概況

GD鐵路擴改工程YY雙線隧道采用明洞型式，全長440 m(D1K122+580～D1K123+020)，隧道區域上覆第四系全新統坡殘積粉質黏土、膨脹土，更新統松毛坡組粉質黏土、粉土、中砂、角礫土、碎石土，下伏基巖為三疊系云南驛組一段頁巖夾泥質粉砂巖，特殊巖土為膨脹土。地表水主要為溝水，水量不大，季節性明顯；地下水主要為坡洪積覆蓋層中的孔隙潛水和基巖裂隙水，水量豐富，水位季節性特征顯著，鉆孔揭示穩定水位2.8～15.0 m。進口段D1K122+580～+670和出口段D1K122+970～D1K123+020為斜切式洞門及斜切延伸段，采用C40耐腐蝕混凝土，厚0.8 m，環向主筋為HRB400φ25@200，縱向主筋為HRB335φ18@400；D1K122+670～+970段為I型明洞，采用C40耐腐蝕混凝土，仰拱襯砌厚1.3 m，拱墻厚1.2 m，內側主筋為HRB400φ25@200，外側主筋為HRB400φ28@200，縱向主筋為HRB335φ18@400。線路縱坡為12‰及6‰上坡。

隧道防水層由1 cm厚聚合物水泥砂漿找平層+防水板+土工布+2 cm厚聚合物水泥砂漿保護層構成；回填由C15混凝土+碎石反濾層+夯填土石+黏土隔水層構成。明洞橫斷面如圖1所示。

圖1 明洞橫斷面圖(單位： cm)

全隧挖方深度最大27 m，回填厚度最大15 m；仰拱和拱墻結構分別分段整體澆筑；洞頂回填厚度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，縱坡10%；D1K122+800～+840段回填厚度15 m。隧道縱斷面如圖2所示。

圖2 隧道縱斷面圖

全隧按設計采用明挖法施工，從進口向出口順序施工，設計回填方式為： 明洞結構混凝土達到設計強度的70%后，回填兩側C15混凝土至設計高度，拆除明洞拱架，及時對稱回填土石，拱頂齊平后再分層滿鋪至設計高度，回填土壓實系數不應低于0.8，分層厚度不宜大于0.3 m，如采用機械回填，應在人工夯填超過拱頂1 m以上后進行，且不宜采用大型機械設備。該明洞隧道2014年6月開工，2015年5月7日完成第一單元拱墻結構澆筑，2016年6月施工完畢。

2 拱頂開裂情況

2.1 裂縫情況

2017年3—4月，發現D1K122+730～D1K123+020段拱部90°范圍內出現密集的縱向裂縫。典型裂縫分布情況見圖3： D1K122+730～D1K123+020段隧道拱頂中心線兩側約2.5 m范圍內，分布縱向裂縫7～10條，裂縫間距20～60 cm，無錯臺，沿隧道縱向線性分布。2017年7月，局部清除該隧裂縫對應段落回填土，觀察拱部外側無裂縫產生(見圖4)，表明隧道拱部內側裂縫為張拉裂縫。

圖3 拱部典型裂縫照片

2.2 裂縫寬度與分布特征

通過對2個獨立檢測單位的明洞裂縫檢測資料匯總和梳理，得到裂縫寬度統計見表1。裂縫寬度為0.17～0.98 mm。

圖4 拱頂外側照片

斷面里程裂縫寬度/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

裂縫寬度隨回填厚度的變化曲線如圖5所示。由圖5可見： 裂縫寬度與回填厚度存在一定正相關性，裂縫寬度隨回填厚度的增加而增大，裂縫最大寬度出現在回填土石厚度為15 m段落，表明回填土石厚度對裂縫的寬度具顯著影響。當回填厚度為15 m時，裂縫寬度為0.55～1.00 mm。

圖5 裂縫寬度隨回填土石厚度變化曲線圖

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

3 數值計算分析

3.1 計算模型及參數

使用ANSYS進行數值計算分析，采用摩爾-庫侖本構、荷載-結構模型，計算埋深按回填厚度考慮，襯砌采用平面單元，周邊采用彈性鏈桿模擬地層反力。按照設計驗算要求，同時考慮回填土體未完全固結不能形成承載拱，因此15 m回填厚度范圍內均按松散土體自重考慮，將回填土石自重轉化為單元節點荷載，計算模型如圖6所示。分別計算回填土石自重作用、回填土石自重及施工荷載作用、邊墻回填不密實對明洞結構受力的影響。分析單元受拉應力與出現部位，并與材料受拉強度進行比較，不單獨進行裂縫模擬。

圖6 計算模型圖

參考TB10003—2005《鐵路隧道設計規范》，回填土石按Ⅴ級圍巖取下限值，計算物理力學參數如表2所示，拱墻結構厚度按設計取120 cm。

表2 計算物理力學參數表

3.2 回填土石自重作用下結構受力分析

明洞結構在其上回填土石自重作用下，結構所受拉應力最大在拱頂部位，通過計算得到不同厚度回填土石自重作用下結構的拱頂拉應力，拱頂拉應力值如表3所示，拱頂拉應力云圖如圖7所示。

表3不同填土厚度明洞拱頂拉應力

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

填土厚度/m1251015拱頂拉應力/MPa000.111.152.18

由表3可知： 明洞結構在回填厚度小于5 m時，拱頂基本不產生拉應力；拱頂回填厚度與拱頂拉應力值呈線性正相關關系，回填厚度15 m時，拱頂拉應力為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 回填施工動載計算分析

由現場調查知，回填土石壓實采用前輪軸質量為9.2 t的壓路機，因此，對明洞施工過程進行計算分析時，除計算回填土石靜載外，還應納入壓路機的工作動載。

施工動載按2.6倍軸重，壓路機振動輪按寬度2 130 mm計算，得到施工動載為112.3 kN/m。施工時任意回填土石厚度下隧道周邊各節點受到的豎向附加應力σz按土力學中條形面積豎向均布荷載公式計算如下：

(1)

式中：p為均布荷載；m=x/B；n=z/B；x為任意點水平距離；z為任意點深度值；B為均布荷載寬度。

水平附加應力仍按垂直附加應力乘以側壓力系數0.43獲取。

按施工動載在拱頂正上方的最不利情況計算，得到不同回填厚度下結構受力如圖8所示，拱頂拉應力值匯總如表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)

由計算知，當考慮明洞回填土石壓實的施工荷載時，由于施工動載的存在，使得拱頂拉應力呈現兩頭大，中間小的特點，即當回填厚度小于5 m時，隨著拱頂回填厚度的減小，拱頂拉應力增大，表明此時施工動載對明洞結構受力影響顯著；當回填厚度大于5 m時，隨著拱頂回填厚度的增加，拱頂拉應力增大，表明此時回填土石自重對明洞結構受力影響顯著。

表4施工動載作用明洞拱頂拉應力

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

填土厚度/m1251015拱頂拉應力/MPa1.581.371.161.682.52

3.4 邊墻回填不密實計算分析

現場調查知，設計的邊墻回填混凝土部分更改為回填土石，時有邊墻回填不密實，因此采用減弱邊墻的彈性抗力系數來模擬邊墻回填不密實對結構受力的影響，計算回填厚度取15 m。將邊墻彈性抗力系數按密實度折減來近似模擬計算，得到拱頂拉應力值匯總如表5所示。

表5邊墻回填不密實時明洞拱頂拉應力

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

密實度/%拱頂拉應力/MPa比值1002.181802.671.22603.151.44403.641.67204.121.89

注： 比值以密實度100%為基準。

由計算知，邊墻回填密實度對拱頂拉應力影響顯著，密實度為60%時，拱頂拉應力值為完全密實時的1.44倍，且已超出結構C40的極限抗拉強度值2.7 MPa。

4 裂縫成因分析

該明洞結構拱部裂縫為受拉狀態，從受力分析來看，可分為2個方面，一是拱部受到外部荷載的作用導致混凝土受拉產生裂縫，外部荷載主要包含回填土石自重及施工動載等；二是明洞兩側回填物的約束減弱導致結構在相同荷載作用下變形增大而產生裂縫。

4.1 成因分析

1)裂縫寬度隨回填厚度的變化規律表明，裂縫與回填厚度存在正相關關系。按設計參數進行結構回填土石自重作用與施工動載作用下的驗算表明，拱墻結構所受拉應力是滿足要求的。該驗算為隧道結構最終的受力狀態，未考慮混凝土養護過程中強度的增長過程及在養護期施工動載對結構的影響，但現場確有混凝土強度不足即回填的現象。

2)混凝土抗壓強度隨時間的增長公式[13]：

ft=f28·lg(t)/lg(28)。

(2)

式中f28為28 d的抗壓強度。

按式(2)計算，混凝土齡期與其28 d強度變化的近似曲線如圖9所示。由圖9可見： 混凝土第3 d抗壓強度為28 d強度的48%，即混凝土抗壓強度僅為19.2 MPa，對應的抗拉強度為1.6～1.9 MPa(抗拉強度按抗壓強度的1/12～1/10取值)；第10 d抗壓強度為28 d強度的69%，即混凝土抗壓強度僅為27.6 MPa，對應的抗拉強度為2.3～2.7 MPa。

圖9 混凝土齡期與28 d強度變化曲線圖

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

3)在拱部回填壓實過程中，回填厚度在5 m以內時，施工動載對拱頂拉應力的作用非常明顯，如圖10中的區域A。因此，當混凝土養護不到位或過早實施回填施工時，因混凝土抗拉強度尚未達設計值，施工動載會導致在拱部混凝土產生裂縫，尤其當回填土石厚度僅1 m時(通常2 m以上壓實，2 m以下夯實；該案例工程施工中，1 m以上已采用壓路機壓實)，填土自重及施工動載作用下拱頂拉應力已達1.58 MPa。

圖10 襯砌拱頂拉應力曲線圖

4)通過對全隧施工過程的分析可判斷，進口段50 m范圍內，因工序未全部鋪展開，混凝土結構與回填施工的間隔時間較長，混凝土養護周期較長，因此回填施工并未導致明洞結構拱部產生裂縫，伴隨全工序鋪開及施工進度的加快，之后的混凝土養護時間較短(對應混凝土臨界抗壓強度值16～19 MPa)的情況下，立即實施回填施工，導致混凝土在回填土石自重與施工動荷載作用下出現裂縫。因此，D1K122+730～D1K123+020段(即除進口50 m外)拱部出現了大面積裂縫。

同時，由于施工中部分明洞段落邊墻回填采用回填土石替代混凝土，兩者密實度差別較大，回填土石段落對邊墻的約束減弱，在拱部回填土石及施工動載作用下，邊墻向兩側產生更大的水平位移，因而拱部產生更大的豎向位移，導致拱部受拉加劇，使拱部裂縫呈現環向范圍的差異化現象。

4.2 結論

基于以上受力狀態分析，結合現場核對吻合度較高的現狀，得出導致該明洞拱部裂縫的主因如下：

1)該明洞拱部裂縫寬度與回填厚度存在正相關性，裂縫寬度隨回填厚度增加而增大，最大裂縫寬度0.98 mm，出現在回填厚度15 m段落；

2)結構混凝土強度未達設計強度即實施回填施工及邊墻回填不密實是導致該明洞回填厚度大于5 m段落拱部產生裂縫的主因；

3)設計計算時未納入施工動載，也是回填厚度小于5 m段落拱部產生拉應力進而致裂的主因之一；基于回填壓實的必然性和分層厚度的隨機性，不能排除施工動載對回填厚度大于5 m段落拱部產生拉應力進而致裂的影響。

5 結論與討論

通過對GD鐵路擴改工程YY明洞結構拱部裂縫的分析，得到預防同類裂縫的主要結論與討論如下：

1)設計方面。在明洞結構設計計算時,除進行靜態條件下的結構計算外，需結合回填壓實設備和工作方式，包絡性納入施工動載對結構的影響，應驗算和界定動載影響的回填厚度邊界；設計文件中，應對結構混凝土齡期和(或)強度指標、回填物密實度的邊界予以說明；宜對施工工況的不利疊加對結構特定部位的不利影響給予排除性提示。

2)施工方面。除執行相關施工規范(規程、規定、指南)和驗收規范外，一方面，要研究施工力學行為，以尊重但不迷信設計的科學精神認真審核施工圖設計，檢漏查缺勘誤；另一方面，要特別關注和考量不同設備及其不同工作模式引起的施工動載及其差異化影響，研究結構混凝土齡期和部位與回填時機的契合，持續優化施工流程，提高施工行為與設計的吻合度，避免稍有差池而不合理地承擔非己方責任。

3)建設管理方面。建設管理機構宜著力提升專業能力，除應就特殊結構、特殊工程部位、特殊工況對設計提出檢算要求外，需規范對設計單位、施工圖審核單位、監理單位書面意見的閉環管理；編制指導性施組應具包容性，同時強調施組的動態管理與優化； 1 m的回填厚度即采用重型壓路機靜壓、邊墻回填的差異化和不密實，實乃建設管理的明顯缺失。

4)現場調研資料無法確認明洞仰拱(隧底)與拱墻結構間縱向施工縫的規范性和有效性，故本論文未專事研究其對結構受力的影響及對拱部裂縫產生的成因，但也無法排除其影響，下一步應對其深入探討。

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