岳 嶺，于進(jìn)江，呂 剛

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)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(dāng)溫度、濕度發(fā)生變化時(shí)，極容易產(chǎn)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(chǎn)生的最有效的途徑[3-5]。隧道襯砌混凝土裂縫形成機(jī)理以及裂縫防治技術(shù)是隧道襯砌混凝土施工領(lǐng)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(jié)構(gòu)破壞的裂縫分布模式，分析了地鐵隧道襯砌截面裂縫擴(kuò)展過(guò)程及其影響因素。湯建和[7]通過(guò)對(duì)高速鐵路隧道二次襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究，提出了有針對(duì)性的預(yù)防及整治措施。張國(guó)華，游元明等[8]選取重慶市已建成通車(chē)的3段地鐵隧道進(jìn)行調(diào)研，重點(diǎn)調(diào)研襯砌混凝土的裂縫形式、寬度、深度，并分析了裂縫的產(chǎn)生原因。葉飛等[9]針對(duì)某高速公路隧道工程剛投入運(yùn)營(yíng)即出現(xiàn)較多襯砌裂縫的工程實(shí)際，結(jié)合施工期地質(zhì)觀測(cè)報(bào)告、施工記錄、施工監(jiān)控量測(cè)資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況，以及數(shù)值模擬分析結(jié)果，系統(tǒng)總結(jié)分析裂縫產(chǎn)生的原因。呂康成等[10]針對(duì)寒冷地區(qū)隧道的氣溫特點(diǎn)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(jié)合廈門(mén)翔安海底隧道工程的設(shè)計(jì)實(shí)踐，圍繞海底隧道鋼筋混凝土襯砌裂縫控制問(wèn)題，對(duì)海底隧道裂縫形成機(jī)理、襯砌裂縫參數(shù)的計(jì)算模式、襯砌模型試驗(yàn)等進(jìn)行了較深入的系統(tǒng)分析研究。

隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)受到外力作用產(chǎn)生的裂縫，目前規(guī)范有明確的計(jì)算方法和理論依據(jù)[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(chǎn)生的裂縫，為非結(jié)構(gòu)受力裂縫，該類(lèi)裂縫成因非常復(fù)雜且不影響襯砌承載力，目前這類(lèi)裂縫尚未引起重視，也無(wú)統(tǒng)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(huán)向非受力貫通性裂縫分布規(guī)律，分析了裂縫的形成機(jī)理及影響因素，首次提出混凝土襯砌中非受力裂縫的關(guān)鍵影響因素及寬度的計(jì)算方法，并提出了相應(yīng)的裂縫控制技術(shù)，對(duì)今后其他明洞隧道襯砌設(shè)計(jì)、施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 明洞隧道拱墻襯砌混凝土環(huán)向裂縫分析及寬度計(jì)算

1.1 環(huán)向非受力裂縫形成時(shí)機(jī)及特點(diǎn)

明洞隧道襯砌施工受日光照射、晝夜溫差較大、風(fēng)速大、表面水分及溫度損失過(guò)快等外部環(huán)境影響，在襯砌澆筑完成后混凝土表面除出現(xiàn)龜裂狀細(xì)裂紋外，拱墻混凝土水平施工縫上方會(huì)出現(xiàn)1～2道豎向(環(huán)向)裂縫，該裂縫一般在襯砌脫模之后尚未回填即已出現(xiàn)，除自重外未承受任何荷載。該類(lèi)型裂縫特點(diǎn)為：有規(guī)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(shù)具有貫穿性。

1.2 明洞隧道拱墻襯砌環(huán)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(huán)境濕度，當(dāng)混凝土用灰量、用水量增多時(shí)，收縮變形增大[13]。明洞的施工環(huán)境基本都在露天情況下修筑襯砌，襯砌內(nèi)外側(cè)混凝土大面積裸露在室外環(huán)境中，混凝土表層水分蒸發(fā)散失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)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(zhì)，其線膨脹系數(shù)一般為1×10-5/℃[15]。而明挖隧道的襯砌混凝土為現(xiàn)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(nèi)部的最高溫度可達(dá)到70～80 ℃[16-19]。混凝土內(nèi)部因高溫而產(chǎn)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(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土外部開(kāi)裂，形成溫度收縮裂縫。

1.2.3 混凝土變形約束開(kāi)裂

通過(guò)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(yǎng)護(hù)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(nèi)部約束。外部約束主要為先澆段隧道、仰拱及矮邊墻對(duì)后澆混凝土的約束。特別是矮邊墻部分對(duì)拱墻以上混凝土的約束較為明顯，當(dāng)約束拉應(yīng)力大到混凝土本身抗拉強(qiáng)度，混凝土就產(chǎn)生開(kāi)裂，也是明洞隧道獨(dú)有施工環(huán)境和澆筑特點(diǎn)造成的。

1.3 裂縫寬度計(jì)算

本節(jié)[20]提出了明洞隧道襯砌混凝土裂縫寬度的計(jì)算方法，其中混凝土收縮微應(yīng)變是根據(jù)美國(guó)Amercian Concrete Institute(ACI209)規(guī)范所確定。在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合明洞襯砌的施工特點(diǎn)，總結(jié)補(bǔ)充明洞隧道襯砌環(huán)向非受力裂縫的關(guān)鍵影響因素，并提出此類(lèi)裂縫寬度計(jì)算公式，裂縫寬度w主要由以下關(guān)鍵因素影響：配筋率ρ、溫差ΔT、襯砌長(zhǎng)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(yīng)變，βM為濕養(yǎng)影響系數(shù)，βH為環(huán)境濕度影響系數(shù)，βd為構(gòu)件尺寸影響系數(shù)，βS為塌落度影響系數(shù)，βF為細(xì)骨料影響系數(shù)，βC為水泥量影響系數(shù)，βA為含氣率影響系數(shù)。

(2)

式中，εs,t為混凝土收縮微應(yīng)變，t為混凝土經(jīng)濕養(yǎng)或蒸養(yǎng)之后的氣干持續(xù)時(shí)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(yīng)變，ΔT為溫度差。

(5)

式中，εs,h為最終微應(yīng)變，Rb為底板約束度，φ為徐變系數(shù)。

(6)

式中，Rb為拱墻混凝土所受的約束度，為實(shí)際約束拉伸應(yīng)變，為完全約束拉伸應(yīng)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(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，按隧道縱向施工縫以上高度與隧道總高度相對(duì)關(guān)系進(jìn)行確定。

(7)

式中，w為單條裂縫寬度，L為一版襯砌長(zhǎng)度。

2 明洞隧道襯砌環(huán)向非受力裂縫預(yù)防及控制關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)裂縫形成機(jī)理的分析，影響明洞隧道襯砌混凝土環(huán)向裂縫的主要因素為混凝土的澆筑、保養(yǎng)時(shí)的溫度差、混凝土本身的干縮變形以及受到約束程度。通過(guò)裂縫計(jì)算寬度公式，對(duì)相關(guān)影響因素采取相應(yīng)的措施，使裂縫的寬度控制在0.2 mm以內(nèi)，盡量減少裂縫長(zhǎng)度，一般情況下不會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)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(gè)控制因素進(jìn)行。

(1)調(diào)整材料配比。在確保混凝土澆筑均勻、振搗密實(shí)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(jí)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(chǎn)生。

(2)控制溫差。根據(jù)式(7)，控制配筋率不變，通過(guò)改變溫度差，對(duì)明挖隧道矮邊墻以上1.5 m處裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同溫差下單條最大裂縫寬度

由表1可知，當(dāng)溫度差為20 ℃時(shí)，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(guī)范要求，混凝土的入模溫度冬季時(shí)不應(yīng)低于5 ℃，夏季時(shí)不應(yīng)超過(guò)30 ℃，混凝土內(nèi)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(nèi)是有效且經(jīng)濟(jì)的控制裂縫措施。

(3)保濕養(yǎng)護(hù)。襯砌混凝土早期養(yǎng)護(hù)質(zhì)量與裂縫的關(guān)系密切，在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，明洞襯砌內(nèi)外均應(yīng)采用保濕養(yǎng)護(hù)臺(tái)車(chē)，外部氣溫在5～10 ℃保濕養(yǎng)護(hù)期限≮21 d，外部氣溫在10～20 ℃保濕養(yǎng)護(hù)期限≮14 d，外部氣溫>20 ℃保濕養(yǎng)護(hù)期限≮7 d。

(4)優(yōu)化調(diào)整縱向分布筋的配筋率。根據(jù)式(7)，控制溫差為35 ℃不變，通過(guò)改變縱向分布筋的配筋率，對(duì)明挖隧道矮邊墻以上1.5 m處裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同配筋率下單條最大裂縫寬度

由表2數(shù)據(jù)可知，調(diào)整配筋率對(duì)控制裂縫寬度也有效果，但明顯不經(jīng)濟(jì)。

(5)減少后澆混凝土所受的約束程度，優(yōu)化調(diào)整每版襯砌/臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度等。理論上分析拱墻混凝土離縱向水平施工縫越遠(yuǎn)，所受的約束越小，襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，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(zhǎng)度L影響裂縫的寬度且成正比關(guān)系，臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度過(guò)大，每版襯砌出現(xiàn)環(huán)向裂縫的條數(shù)也會(huì)增加，同時(shí)增加拱墻襯砌整體澆筑時(shí)間，臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度過(guò)短，雖可減少裂縫條數(shù)和裂縫寬度，但增加了環(huán)向施工縫的條數(shù)，同樣對(duì)防水不利。襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度需結(jié)合施工進(jìn)度、整體澆筑時(shí)間、混凝土養(yǎng)護(hù)等因素綜合考慮，目前國(guó)內(nèi)明洞襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度一般為10～15 m。

由表4數(shù)據(jù)可知，環(huán)向裂縫的位置、形態(tài)和寬度與所受的約束度Rb有很大關(guān)系，一般出現(xiàn)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(huì)再產(chǎn)生環(huán)向裂縫。

表3 同一高度(1.5 m高)不同襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)度下單條最大裂縫寬度

表4 相對(duì)矮邊墻以上不同高度處裂縫寬度分析

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

東花園隧道位于河北省張家口市懷來(lái)縣東花園鎮(zhèn)，隧址區(qū)屬于寒溫帶半干旱性氣候區(qū)，冬季漫長(zhǎng)寒冷干燥，夏季多雷雨，春秋多風(fēng)沙，晝夜溫差較大，空氣干燥，外部環(huán)境不利于明洞襯砌混凝土施工和保養(yǎng)。隧道全長(zhǎng)4 970 m，設(shè)計(jì)速度350 km/h。隧道內(nèi)縱坡為“V”形，隧道內(nèi)最大坡度為25‰，最大開(kāi)挖深度21.96 m。全隧采用放坡明挖法施工，襯砌結(jié)構(gòu)采用拱形明洞襯砌，隧道采用全封閉防水措施。隧道采用內(nèi)外整體式臺(tái)車(chē)澆筑施工，襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)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(shè)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(shù)值與本文理論計(jì)算論證對(duì)比

東花園隧道前期二襯施工過(guò)程中，拆模后發(fā)現(xiàn)在每版襯砌的中部位置，縱向施工縫以上均出現(xiàn)了長(zhǎng)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(nèi)外襯砌，通過(guò)后期觀察至明洞覆土回填完成后，裂縫寬度、長(zhǎng)度及深度基本沒(méi)有變化。環(huán)向裂縫分布見(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)向裂縫分布示意

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境，對(duì)該隧道非受力裂縫寬度、長(zhǎng)度通過(guò)式(7)進(jìn)行理論計(jì)算，并與實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。相關(guān)參數(shù)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(shù)已知，可求得極限收縮微應(yīng)變?chǔ)舠,u為891.676×10-6，而混凝土氣干持續(xù)時(shí)間t為15 d，代入式(2)求得混凝土收縮微應(yīng)變?chǔ)舠,t為267.50×10-6。再根據(jù)式(7)，對(duì)矮邊墻以上0.5，1，1.5，2，2.5，3，3.5，4 m高度進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算，得到理論裂縫寬度值見(jiàn)表5。

表5 矮邊墻以上不同高度裂縫寬度計(jì)算

通過(guò)理論計(jì)算，可得知該隧道明洞襯砌裂縫主要出現(xiàn)在縱向施工縫以上4 m范圍內(nèi)。裂縫長(zhǎng)度0.2～4 m，裂縫寬度0.01～0.7 mm。與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合，驗(yàn)證了本文所提出裂縫寬度計(jì)算公式的正確性，該公式將對(duì)其他明挖隧道襯砌混凝土裂縫寬度的預(yù)測(cè)提供一定的借鑒與參考。

3.3 東花園隧道裂縫控制技術(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)混凝土的入模溫度、環(huán)境溫度、濕度、混凝土配合比進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查研究，并按照本文研究的裂縫影響關(guān)鍵因素，通過(guò)縮短襯砌臺(tái)車(chē)長(zhǎng)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(shí)間，盡量在夜間澆筑混凝土，減少溫度應(yīng)力，適當(dāng)提高加密鋼筋間距，減小裂縫的寬度，通過(guò)以上綜合措施，裂縫出現(xiàn)概率大大降低，裂縫的寬度和長(zhǎng)度也相應(yīng)減小。從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)看，每10版襯砌出現(xiàn)裂縫1～2條，較早期未采取相應(yīng)措施之前減少80%～90%，實(shí)施效果較好，該類(lèi)裂縫雖不可完全杜絕，但可以大大改善隧道襯砌開(kāi)裂狀況。

4 結(jié)論

(1)從現(xiàn)場(chǎng)裂縫形態(tài)、位置、分布規(guī)律及產(chǎn)生時(shí)機(jī)，并與理論計(jì)算分析對(duì)比，基本可以確定明洞隧道拱墻襯砌混凝土環(huán)向裂縫產(chǎn)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(chǎn)生的，降低約束度是減少裂縫寬度和長(zhǎng)度的有效措施。

(2)提出了影響明洞襯砌環(huán)向裂縫的主要因素，并對(duì)影響因素進(jìn)行了量化，提出了5個(gè)有效控制裂縫的措施。通過(guò)工程實(shí)例，采取以上措施可減少裂縫出現(xiàn)概率，并有效控制裂縫長(zhǎng)度、寬度，將裂縫的寬度控制在0.2 mm以下，滿足明洞隧道結(jié)構(gòu)的使用功能及耐久性要求。

(3)提出了明洞隧道拱墻襯砌環(huán)向非受力裂縫寬度的計(jì)算方法及裂縫的形態(tài)、位置、長(zhǎng)度、分布規(guī)律，并以東花園隧道為工程實(shí)例，將計(jì)算所得的裂縫寬度理論值與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)值相比對(duì)，結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了裂縫寬度計(jì)算方法的正確性，對(duì)明洞隧道工程的環(huán)向非受力貫通性裂縫寬度預(yù)測(cè)及裂縫控制具有一定的指導(dǎo)意義。