明洞隧道襯砌環向非受力裂縫分析及控制技術

岳 嶺，于進江，呂 剛

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055；2.京張城際鐵路有限公司，北京 100070)

引言

在隧道襯砌施工中，因混凝土是一種抗拉能力很低的脆性材料，當溫度、濕度發生變化時，極容易產生裂縫[1-2]。而正確判斷和分析隧道襯砌施工中混凝土裂縫的成因是有效控制和減少裂縫產生的最有效的途徑[3-5]。隧道襯砌混凝土裂縫形成機理以及裂縫防治技術是隧道襯砌混凝土施工領域中的重要研究方向之一。

董飛[6]以北京地鐵為例，提出地鐵隧道襯砌結構破壞的裂縫分布模式，分析了地鐵隧道襯砌截面裂縫擴展過程及其影響因素。湯建和[7]通過對高速鐵路隧道二次襯砌混凝土裂縫產生的原因進行分析研究，提出了有針對性的預防及整治措施。張國華，游元明等[8]選取重慶市已建成通車的3段地鐵隧道進行調研，重點調研襯砌混凝土的裂縫形式、寬度、深度，并分析了裂縫的產生原因。葉飛等[9]針對某高速公路隧道工程剛投入運營即出現較多襯砌裂縫的工程實際，結合施工期地質觀測報告、施工記錄、施工監控量測資料、現場調查情況，以及數值模擬分析結果，系統總結分析裂縫產生的原因。呂康成等[10]針對寒冷地區隧道的氣溫特點和襯砌裂縫成因，提出了盡量隔離各襯砌段以減少其周邊約束的防裂措施。榮耀[11]結合廈門翔安海底隧道工程的設計實踐，圍繞海底隧道鋼筋混凝土襯砌裂縫控制問題，對海底隧道裂縫形成機理、襯砌裂縫參數的計算模式、襯砌模型試驗等進行了較深入的系統分析研究。

隧道襯砌結構裂縫主要分為受力裂縫和非受力裂縫[12]，受力裂縫一般指結構受到外力作用產生的裂縫，目前規范有明確的計算方法和理論依據[13]，而非受力裂縫一般尚未施加任何外力作用而在澆筑完成后產生的裂縫，為非結構受力裂縫，該類裂縫成因非常復雜且不影響襯砌承載力，目前這類裂縫尚未引起重視，也無統一的理論研究。因此本文依托京張高鐵東花園隧道，闡述了明洞隧道襯砌混凝土環向非受力貫通性裂縫分布規律，分析了裂縫的形成機理及影響因素，首次提出混凝土襯砌中非受力裂縫的關鍵影響因素及寬度的計算方法，并提出了相應的裂縫控制技術，對今后其他明洞隧道襯砌設計、施工具有一定的指導意義。

1 明洞隧道拱墻襯砌混凝土環向裂縫分析及寬度計算

1.1 環向非受力裂縫形成時機及特點

明洞隧道襯砌施工受日光照射、晝夜溫差較大、風速大、表面水分及溫度損失過快等外部環境影響，在襯砌澆筑完成后混凝土表面除出現龜裂狀細裂紋外，拱墻混凝土水平施工縫上方會出現1～2道豎向(環向)裂縫，該裂縫一般在襯砌脫模之后尚未回填即已出現，除自重外未承受任何荷載。該類型裂縫特點為：有規律性，大多位于襯砌中部邊墻上，非受外力影響，裂縫寬度一般在0.4 mm左右，少數具有貫穿性。

1.2 明洞隧道拱墻襯砌環向裂縫的成因分析

1.2.1 混凝土干燥收縮變形

首先，混凝土干燥收縮主要起因于水泥石的脫水收縮，其中重要因素是水灰比、骨料、外部環境濕度，當混凝土用灰量、用水量增多時，收縮變形增大[13]。明洞的施工環境基本都在露天情況下修筑襯砌，襯砌內外側混凝土大面積裸露在室外環境中，混凝土表層水分蒸發散失快，內部損失慢，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產生干縮裂縫。

1.2.2 混凝土溫度升降變形

混凝土具有熱脹冷縮的性質，其線膨脹系數一般為1×10-5/℃[15]。而明挖隧道的襯砌混凝土為現澆，在其硬化初期，混凝土中水泥水化放出的熱量較多，混凝土溫度較高，再加上骨料的初始溫度，混凝土內部的最高溫度可達到70～80 ℃[16-19]?；炷羶炔恳蚋邷囟a生體積膨脹，但外部卻隨氣溫降低而收縮，這兩種作用互相抵制，使混凝土外部產生較大的拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土外部開裂，形成溫度收縮裂縫。

1.2.3 混凝土變形約束開裂

通過以上分析溫度和干縮是明洞襯砌非受力裂縫的主要影響因素，拱墻襯砌混凝土澆筑及養護期間溫度變形和干縮變形收到的約束作用主要為外部約束和內部約束。外部約束主要為先澆段隧道、仰拱及矮邊墻對后澆混凝土的約束。特別是矮邊墻部分對拱墻以上混凝土的約束較為明顯，當約束拉應力大到混凝土本身抗拉強度，混凝土就產生開裂，也是明洞隧道獨有施工環境和澆筑特點造成的。

1.3 裂縫寬度計算

本節[20]提出了明洞隧道襯砌混凝土裂縫寬度的計算方法，其中混凝土收縮微應變是根據美國Amercian Concrete Institute(ACI209)規范所確定。在相關研究的基礎上，結合明洞襯砌的施工特點，總結補充明洞隧道襯砌環向非受力裂縫的關鍵影響因素，并提出此類裂縫寬度計算公式，裂縫寬度w主要由以下關鍵因素影響：配筋率ρ、溫差ΔT、襯砌長度L及約束度R等。

εs,u=780×10-6×(βM·βH·βd·βs·βF·βC·βA)

(1)

式中，εs,u為極限收縮微應變，βM為濕養影響系數，βH為環境濕度影響系數，βd為構件尺寸影響系數，βS為塌落度影響系數，βF為細骨料影響系數，βC為水泥量影響系數，βA為含氣率影響系數。

(2)

式中，εs,t為混凝土收縮微應變，t為混凝土經濕養或蒸養之后的氣干持續時間。

Rs=1-e-0.52ρ

(3)

式中，Rs為配筋約束度，ρ為縱向分布筋的配筋率。

εs,T=ΔT×10-5

(4)

式中，εs,T為溫度微應變，ΔT為溫度差。

(5)

式中，εs,h為最終微應變，Rb為底板約束度，φ為徐變系數。

(6)

式中，Rb為拱墻混凝土所受的約束度，為實際約束拉伸應變，為完全約束拉伸應變，Rb=0～1。明洞拱墻襯砌混凝土所受到仰拱及矮邊墻混凝土的約束度Rb可以進行簡化計算，按隧道縱向施工縫以上高度與隧道總高度相對關系進行確定。

(7)

式中，w為單條裂縫寬度，L為一版襯砌長度。

2 明洞隧道襯砌環向非受力裂縫預防及控制關鍵技術

通過裂縫形成機理的分析，影響明洞隧道襯砌混凝土環向裂縫的主要因素為混凝土的澆筑、保養時的溫度差、混凝土本身的干縮變形以及受到約束程度。通過裂縫計算寬度公式，對相關影響因素采取相應的措施，使裂縫的寬度控制在0.2 mm以內，盡量減少裂縫長度，一般情況下不會影響混凝土結構的使用功能及耐久性，明洞隧道的安全性也將得以保證?？刂屏芽p措施可按以下5個控制因素進行。

(1)調整材料配比。在確保混凝土澆筑均勻、振搗密實的前提下，采用較少的拌和水量，較小的水灰比[7]、較好的骨料級配及較小的塌落度及較低的拌和溫度有助于降低混凝土的干縮性，從而減少裂縫的產生。

(2)控制溫差。根據式(7)，控制配筋率不變，通過改變溫度差，對明挖隧道矮邊墻以上1.5 m處裂縫寬度進行計算分析，計算結果見表1。

表1 不同溫差下單條最大裂縫寬度

由表1可知，當溫度差為20 ℃時，單條最大裂縫寬度為0.185 mm<0.2 mm，滿足要求。因此一定要控制混凝土的入模溫度，按照規范要求，混凝土的入模溫度冬季時不應低于5 ℃，夏季時不應超過30 ℃，混凝土內部與表層溫差不宜大于20 ℃，與先澆混凝土介面溫差不得大于15 ℃。將后澆混凝土與仰拱混凝土溫差控制在20 ℃以內是有效且經濟的控制裂縫措施。

(3)保濕養護。襯砌混凝土早期養護質量與裂縫的關系密切，在養護過程中，明洞襯砌內外均應采用保濕養護臺車，外部氣溫在5～10 ℃保濕養護期限≮21 d，外部氣溫在10～20 ℃保濕養護期限≮14 d，外部氣溫>20 ℃保濕養護期限≮7 d。

(4)優化調整縱向分布筋的配筋率。根據式(7)，控制溫差為35 ℃不變，通過改變縱向分布筋的配筋率，對明挖隧道矮邊墻以上1.5 m處裂縫寬度進行計算分析，計算結果見表2。

表2 不同配筋率下單條最大裂縫寬度

由表2數據可知，調整配筋率對控制裂縫寬度也有效果，但明顯不經濟。

(5)減少后澆混凝土所受的約束程度，優化調整每版襯砌/臺車長度等。理論上分析拱墻混凝土離縱向水平施工縫越遠，所受的約束越小，襯砌臺車長度越長，拱墻混凝土中部位置混凝土約束度越大。

由表3中可以看出，每版襯砌長度L影響裂縫的寬度且成正比關系，臺車長度過大，每版襯砌出現環向裂縫的條數也會增加，同時增加拱墻襯砌整體澆筑時間，臺車長度過短，雖可減少裂縫條數和裂縫寬度，但增加了環向施工縫的條數，同樣對防水不利。襯砌臺車長度需結合施工進度、整體澆筑時間、混凝土養護等因素綜合考慮，目前國內明洞襯砌臺車長度一般為10～15 m。

由表4數據可知，環向裂縫的位置、形態和寬度與所受的約束度Rb有很大關系，一般出現位置均為縱向施工縫以上4 m范圍，再向上約束度Rb趨近于零，不會再產生環向裂縫。

表3 同一高度(1.5 m高)不同襯砌臺車長度下單條最大裂縫寬度

表4 相對矮邊墻以上不同高度處裂縫寬度分析

3 工程應用

3.1 工程概況

東花園隧道位于河北省張家口市懷來縣東花園鎮，隧址區屬于寒溫帶半干旱性氣候區，冬季漫長寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多風沙，晝夜溫差較大，空氣干燥，外部環境不利于明洞襯砌混凝土施工和保養。隧道全長4 970 m，設計速度350 km/h。隧道內縱坡為“V”形，隧道內最大坡度為25‰，最大開挖深度21.96 m。全隧采用放坡明挖法施工，襯砌結構采用拱形明洞襯砌，隧道采用全封閉防水措施。隧道采用內外整體式臺車澆筑施工，襯砌臺車長度為15 m，隧道襯砌分兩次澆筑完成，先澆筑仰拱及矮邊墻襯砌，后澆筑邊墻及拱部襯砌，設縱向施工縫。明洞隧道施工工序如圖1所示。

圖1 明洞隧道施工工序

3.2 東花園隧道裂縫數值與本文理論計算論證對比

東花園隧道前期二襯施工過程中，拆模后發現在每版襯砌的中部位置，縱向施工縫以上均出現了長2～4 m的裂縫，裂縫寬度在0.1～0.6 mm，局部裂縫深度貫穿內外襯砌，通過后期觀察至明洞覆土回填完成后，裂縫寬度、長度及深度基本沒有變化。環向裂縫分布見圖2。

圖2 環向裂縫分布示意

根據現場實際環境，對該隧道非受力裂縫寬度、長度通過式(7)進行理論計算，并與實際情況進行驗證對比。相關參數為：襯砌厚度為800 mm，溫差ΔT為35 ℃，縱向鋼筋配筋率ρ為0.254%。該隧道襯砌混凝土的影響系數已知，可求得極限收縮微應變εs,u為891.676×10-6，而混凝土氣干持續時間t為15 d，代入式(2)求得混凝土收縮微應變εs,t為267.50×10-6。再根據式(7)，對矮邊墻以上0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4 m高度進行裂縫寬度計算，得到理論裂縫寬度值見表5。

表5 矮邊墻以上不同高度裂縫寬度計算

通過理論計算，可得知該隧道明洞襯砌裂縫主要出現在縱向施工縫以上4 m范圍內。裂縫長度0.2～4 m，裂縫寬度0.01～0.7 mm。與現場實際情況基本吻合，驗證了本文所提出裂縫寬度計算公式的正確性，該公式將對其他明挖隧道襯砌混凝土裂縫寬度的預測提供一定的借鑒與參考。

3.3 東花園隧道裂縫控制技術

結合現場實際情況，對混凝土的入模溫度、環境溫度、濕度、混凝土配合比進行詳細的調查研究，并按照本文研究的裂縫影響關鍵因素，通過縮短襯砌臺車長度，以減少底邊墻的約束度，控制混凝土入模溫度和整體澆筑時間，盡量在夜間澆筑混凝土，減少溫度應力，適當提高加密鋼筋間距，減小裂縫的寬度，通過以上綜合措施，裂縫出現概率大大降低，裂縫的寬度和長度也相應減小。從現場統計看，每10版襯砌出現裂縫1～2條，較早期未采取相應措施之前減少80%～90%，實施效果較好，該類裂縫雖不可完全杜絕，但可以大大改善隧道襯砌開裂狀況。

4 結論

(1)從現場裂縫形態、位置、分布規律及產生時機，并與理論計算分析對比，基本可以確定明洞隧道拱墻襯砌混凝土環向裂縫產生的原因是，后澆拱墻混凝土收縮受到先澆仰拱混凝土的約束而產生的，降低約束度是減少裂縫寬度和長度的有效措施。

(2)提出了影響明洞襯砌環向裂縫的主要因素，并對影響因素進行了量化，提出了5個有效控制裂縫的措施。通過工程實例，采取以上措施可減少裂縫出現概率，并有效控制裂縫長度、寬度，將裂縫的寬度控制在0.2 mm以下，滿足明洞隧道結構的使用功能及耐久性要求。

(3)提出了明洞隧道拱墻襯砌環向非受力裂縫寬度的計算方法及裂縫的形態、位置、長度、分布規律，并以東花園隧道為工程實例，將計算所得的裂縫寬度理論值與實際工程監測值相比對，結果基本吻合，驗證了裂縫寬度計算方法的正確性，對明洞隧道工程的環向非受力貫通性裂縫寬度預測及裂縫控制具有一定的指導意義。