高速公路隧道衬砌纵向裂缝成因分析
黄杰
【摘 要】针对某高速公路隧道运营后出现的纵向裂缝,通过裂缝调查,结合地质报告,运用有限元数值模拟的方法,建立在松散围岩荷载、水压力、形变压力作用下病害结构的计算模型,总结隧道衬砌裂缝产生的原因.研究结果表明:松散围岩荷载作为集中荷载,往往会导致作用部位的应力集中,衬砌内侧会出现较大拉应力而产生裂缝;水压力作用下衬砌结构承受较为均匀的压应力,往往在结构薄弱部位最先出现裂缝;形变压力作用下结构易产生纵向结构性受力裂缝.%Aimed at the longitudinal cracks appearing in a highway tunnel after running,based on the examination of the cracks,and according to the geological report,a computation model was established for the affected structure under loose rock load,hydraulic pressure,and deformation pressure by using finite element numerical simulation method.The formation cause of the tunnel lining cracks was summarized.The investigation result shows that the loose rock load as concentrated one will often lead to local stress concentration at the load application place,a greater tensile stress will appear at the inner side of the lining,producing lining cracks.Hydrau
lic pressure will cause more uniform compressive stress in the lining structure,so that the cracks will appear first at the weak place of the structure.Longitudinal structural stress cracks of structure will be easy to be caused by deformation pressure.
【期刊名称】《兰州理工大学学报》
【年(卷),期】2017(043)006
【总页数】5页(P144-148)
【关键词】隧道裂缝;数值模拟;松散荷载;水压力;形变压力
【作 者】黄杰
【作者单位】四川交通职业技术学院道路与桥梁工程系,四川成都611130
【正文语种】中 文
【中图分类】TU312.3;U451.4
对于公路隧道衬砌裂缝的形态及其产生原因的研究,一直是热门课题.国内外学者关于衬砌裂缝进行了诸多研究.刘新根等[1]建立了公路隧道衬砌的力学评价模型,工程算例分析表明：衬砌裂缝和空洞的存在均会降低结构的安全系数,且空洞区域内的结构安全系数影响比较平稳;随着与病害位置距离的增加,其影响能力亦逐渐减弱.张晓航[2]通过对高速公路隧道衬砌裂缝的产生原因和整治措施的研究,重点分析了温度应力、偏压、纵向沉降差是如何导致隧道衬砌裂缝产生的.叶飞等[6]结合某高速公路隧道工程刚投入运营即出现较多衬砌裂缝的实际工程情况,采用数值模拟进行分析,研究结果认为：地质因素、设计因素、偏压荷载以及施工因素是导致隧道衬砌裂缝的主要原因.王春景等[9]基于结构-荷载法隧道计算理论,分别建立了隧道衬砌结构厚度不足、材料劣化及背后空洞3种病害结构计算模型,进行了工程实例分析；并且阐述了病害隧道结构安全性评价的具体方法.杨建国等[10]运用层次分析法分析了影响隧道衬砌结构的各种不确定性因素.
本次研究通过调查某高速公路的裂缝情况,利用数值计算，定性分析不同影响因素下裂缝的表现形式和部位,从而对裂缝的原因进行判断.研究结果可为类似隧道裂缝成因分析提供参考依据.
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达陕高速公路达州境内某隧道为分离式长大隧道,左右洞中线间距30～38 m,主洞净宽10.25 m,净高5.0 m,隧道采用复合式衬砌.隧道所处位置岩性主要包括碎屑岩类、碳酸盐岩类,以及第四系堆积等几大类.围岩岩石具有矿物成分、结构、构造、强度差异极大的特性.地下水发育,最大涌水量18 000 m3/d,集中涌水危险性相对较高.最大埋深350 m,Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道的89%以上.
隧道建成运营后,发现左线LK63+600～LK64+030段、右线K63+664～K64+000段纵向裂缝.裂缝在纵向方向基本连续,并伴随有边墙环向裂缝.左线纵向裂缝宽度在0.3～2.0 mm之间,右线纵向裂缝宽度在0.2～1.5 mm之间,高度均在墙脚以上1.2～2.0 m之间,为张拉裂缝.左线裂缝展示图如图1所示,现场裂缝照片如图2所示.
对该段落进行检测发现,隧道衬砌厚度在40～60 cm左右,均大于设计厚度40 cm.混凝土强度平均为35 MPa,满足C30设计强度要求.通过钻孔取芯显示,裂缝深度范围分布在16～40 cm之间,平均裂缝深度在30 cm左右,部分裂缝已贯穿整个衬砌.右线纵向裂缝与左线纵向裂缝相比裂损程度较轻,裂缝不连续出现.
针对该隧道出现的左线、右线纵向裂缝,假定受松散围岩荷载、水压力、形变压力等单因素作
用,分析各种单因素作用下衬砌裂缝可能出现的部位,定性探讨裂缝成因.数值模拟利用大型通用有限元软件ANSYS与FLAC3D进行数值计算模拟.主要计算内容包括：1) 松散荷载作用下衬砌受力分析；2) 水压力作用下衬砌受力分析；3) 形变压力作用下衬砌受力分析.
根据设计资料,该隧道裂缝段落围岩主要为泥灰岩,薄层,岩体较破碎,围岩等级为Ⅴ级.参考规范,选取模型材料物理力学参数见表1,衬砌厚度取40 cm.
当衬砌结构背后存在空洞或不密实情况时,该部位的围岩处于临空状态.受自重力影响,围岩内部节理裂隙发展,逐渐出现松散,形成松散荷载突然作用在衬砌上,形成对衬砌结构的冲击.通常在隧道的某一部位,受到这种松散围岩的冲击作用比较明显.当衬砌背后空洞范围较大时,才形成比较长范围的结构裂缝.本次计算以拱顶部位受到松散围岩的作用为例,分析在荷载作用部位的衬砌结构受力.
对于外荷载，假定拱顶部位1 m3范围围岩出现松动,突然塌落至拱顶部位.采用二维荷载-结构模型进行模拟,利用梁单元Beam3模拟隧道衬砌结构,无拉链杆单元Link10模拟衬砌结构与围岩间的相互作用；对链杆单元的端部施加位移约束,围岩松散荷载以集中力的形式作用在拱顶.带荷载的计算模型如图3所示.
衬砌结构在顶部松散围岩荷载作用下的位移云图及内力图如图4所示.
计算结果表明：
1) 衬砌垂直最大位移1.1 mm,集中在荷载作用的拱顶部位.表明衬砌在松散围岩的集中力作用下,只在作用点位置产生较大的位移,对其他位置影响不大.水平位移的量值很小,最大值仅为0.3 mm,为垂直变形的1/3左右,因此水平位移基本没有受到影响.
2) 衬砌结构第一主应力(拉应力)最大值1.71 MPa,在承受荷载直接作用的拱顶部位特别突出.表明该部位在荷载作用下,衬砌结构拉应力较大且比较集中,拉应力过大时容易导致该部位出现裂缝.
3) 最大弯矩值77.2 kN·m,最大轴力值92.2 kN,最大剪力值50.7 kN,弯矩和剪力集中在拱顶部位,轴力分布较为均匀.表明松散围岩荷载集中作用在拱顶部位时,使得该部位承受较大的弯曲应力.
当衬砌结构背后围岩裂隙水发育或者隧道周围存在渗流场,而隧道的排水能力不足时,将导致隧道结构承受一定的水压力.水压力的大小跟隧道周围围岩的渗透系数、地下水补给、衬砌排
水结构形式及季节性降水都有关.
本次计算假定衬砌四周承受10 m高的水头压力.荷载模型同3.1节松散围岩荷载,水压力作用在衬砌四周,方向为径向指向隧道.带荷载的计算模型如图5所示.
衬砌结构在水压力作用下的位移云图及内力图如图6所示.计算结果表明：
1) 在水压力作用下,衬砌垂直位移最大值为8.1 mm,集中在仰拱部位;水平方向位移最大值1.6 mm,集中在左右两侧墙脚.这是因为计算中未考虑仰拱填充层的作用,而仰拱曲率较上部结构大得多,对抵抗四周径向荷载相对不利,因此在仰拱部位出现较大位移.
2) 衬砌结构第一主应力(拉应力)最大值为9.9 MPa,第三主应力(压应力)最大值为13.0 MPa,均集中在仰拱及墙脚部位.上部结构在径向水压力作用下,结构内部并未出现拉应力,这与其圆形断面良好的受力形状有很大关系.
3) 弯矩最大值477.7 kN·m、轴力最大值774.8 kN、剪力最大值371.2 kN,弯矩和剪力均集中在仰拱及墙脚部位.上部结构承受的弯矩和剪力均很小,整个衬砌结构所承受的主要为轴力.表明在这种圆形断面时,衬砌结构在水压力作用下,主要承受轴向压力.
4) 对于圆形断面的隧道衬砌结构,在径向的水压力作用下,仰拱及墙脚部位为应力集中部位.需要明确的是计算采用的衬砌结构及四周约束均为各向同性的,当衬砌某个部位混凝土质量局部较差或者衬砌本身在该部位存在细微裂缝,亦或因衬砌背后围岩局部软化、流失等因素导致结构并不是均质的,水压力作用时会在该部位引起应力集中,导致该部位先于其他部位产生裂缝.但这种因为衬砌或围岩局部变化导致的应力集中,没有明确的发生部位,因此也常在其他隧道中见到因为水压力的作用而在不同部位出现裂缝.
当衬砌结构实施完成后,围岩对支护结构的形变压力仍会随着时间的增长而有所增加.当作用在衬砌结构上的形变压力持续增大时,结构本身的内力也相应增大以抵抗围岩的变形.当两者在某一临界点处于平衡状态时,围岩即达到稳定状态.当围岩形变压力作用导致衬砌结构内力超过材料的极限状态时,衬砌结构出现破坏,其破坏形式和部位与围岩情况和衬砌断面形状、材料参数等有关.本次计算,根据现有纵向裂缝段落的地质条件和衬砌结构参数,分析衬砌结构在围岩形变压力作用下的变形与受力规律.
采用地层结构模型,围岩及隧道衬砌结构均采用实体单元模拟.模型在隧道纵向单位厚度取1 m,整体模型尺寸为100 m×100 m×1 m;左右及隧道纵向前后边界固定水平方向位移,底部边界
固定垂直方向位移;顶部边界施加由埋深引起的围岩自重应力,隧道按300 m埋深考虑,计算模型见图7.
衬砌结构在围岩形变压力作用下的位移云图及内力图如图8所示.
计算结果表明：
1) 在围岩形变压力作用下,衬砌水平变形最大值为7.7 cm,垂直变形最大值为7.2 cm.水平变形较垂直变形要大,水平方向变形部位集中在左右两侧边墙至拱脚.
2) 衬砌结构应力均为压应力,压应力最大值为32.9 MPa.衬砌结构压应力分布比较均匀,只在墙脚与仰拱接头处存在局部集中现象.这与隧道圆形断面形式有利于结构承受围岩荷载有关.
3) 塑性区范围约1倍洞径,呈水平椭圆状.塑性区水平范围较垂直方向要大,将会导致衬砌左右边墙在围岩塑性变形作用下向内挤出,甚至开裂.

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