隧道衬砌结构裂损机理及定量评估

隧道衬砌裂缝产生原因分析李　新(中铁十八局集团第二工程有限公司　河北唐山　063030)摘　要　通过对隧道开裂现象的调查,总结隧道开裂的规律性,将隧道二衬作为受力实体,从温度应力、不均匀沉降、拱部不均匀受力3个方面进行分析,得出隧道衬砌背后“马鞍形”荷载分布对衬砌的影响特点,并采取相应措施以减小或消除“马鞍形”荷载分布对隧道衬砌的影响。

关键词　铁路隧道　衬砌裂缝　受力分析收稿日期:2005-03-28 隧道及地下工程的裂缝整治和渗漏水防治是国内外公认的难题,据统计,1990年我国有3100座铁路隧道由于衬砌结构开裂渗漏而存在不同程度的病害,占当时隧道总数的65%左右。

近几年来,随着一些新型防水材料的出现和隧道施工技术水平的提高,特别是设计、施工单位对隧道防排水重视程度的提高,使隧道的防排水施工工艺有了较大的发展,并取得了较好的效果。

至90年代末期,基本上形成了比较完善的防排水施工工法。

1　隧道衬砌开裂现象调查隧道的裂缝大多出现在隧道建成的早期,有的甚至在隧道修建的过程就出现了大量的裂缝,而在建后5～10年出现的机率较少,隧道使用10年以后,由于多种原因,隧道也开始出现裂损、错台、渗漏等现象。

通过调查可以得到以下一些规律:(1)裂缝产生的地段多位于洞口、冲沟底部。

这些地方覆盖岩层薄、岩体松散、裂隙发育、垂直压力大;在隧道通过断层、破碎带区、地下水富集区时,由于隧道的开挖改变了地下水的渗流通道,使隧道成为地下水的汇集地,这不但会增加隧道衬砌的外压力,同时由于裂隙水的流动,会把岩体中的充填物带走,大大降低了岩体的完整性,甚至造成岩体坍塌,衬砌开裂。

(2)裂缝多为纵向拉裂缝,特别是在拱腰。

裂在雨季,最大涌水量2330m 3/d,因涌水顺边墙向下,两根<200钢管能满足排水要求。

涌水处理在枯水季节进行,涌水量约为850m 3/d 。

同DK177+280拱部涌水处理方法基本相同,即开挖沟槽→焊接双排钢管与斜管→并排固定安装钢管→处理截水→封堵→喷混凝土。

公路隧道衬砌裂缝成因与处治技术分析发布时间：2022-09-30T07:27:39.055Z 来源：《工程管理前沿》2022年第11期作者：王桂睿[导读] 混凝土结构产生开裂是难以避免的王桂睿中国华冶科工集团有限公司四川分公司，四川成都 641400摘要：混凝土结构产生开裂是难以避免的，宏观的来看，混凝土结构出现裂缝是一种可以接受的材料特征，只要采用科学有效的手段将裂缝控制在允许范围内，对隧道工程现场来讲就具有较大的现实意义及经济技术意义。

关键词：公路隧道；衬砌裂缝；成因分析；处治技术1.衬砌裂损原因1.1环境因素造成隧道衬砌裂损的环境因素有很多，例如温度、湿度等。

温度主要指在反复冻融循环作用下，位于寒区的隧道围岩的物理特性发会发生较大变化，低温形成的冻胀圈，会对衬砌产生冻胀压力，围岩冻胀会形成较大的冻胀附加应力，这会进一步加剧衬砌的收缩、膨胀和破裂现象。

高地温隧道产生的附加温度应力也会引起隧道初期支护及衬砌开裂，影响隧道结构的安全和耐久性。

湿度引起的干缩应力对隧道衬砌的影响同样不容忽视。

长期处于高水压状态下的隧道，在突水与渗透变形的正反馈机制下由于层间充填介质透水性差，致使混凝土性能劣化，最终导致衬砌产生开裂、突水等病害。

另外，地下水的存在会加剧衬砌的裂损，致使衬砌产生渗漏水。

在有侵蚀性地下水的隧道中，地下水的侵蚀将造成衬砌疏松、剥落、开裂加剧等现象。

季节性降水造成的围岩淹水也会影响衬砌的受力状态，导致衬砌开裂。

1.2设计因素隧道在进行设计前准备时，由于种种原因无法进行深入勘察，无法准确确定隧道围岩等级，隧道的支护结构和整体线位布置设计依据不充分。

此外，限于个别设计单位缺乏相关经验及自身专业水平欠佳，导致设计过程极不规范，常任意改变或推翻原有设计。

这些现象都是隧道产生病害的关键因素。

1.3施工因素隧道的施工要求较高，良好的施工技术是隧道质量的基本保障。

混凝土水灰比不当、钢筋配筋率不当、骨料品种选择不合理、外加剂种类选用及用量不当都会导致隧道干热地段衬砌产生开裂。

公路隧道工程衬砌裂损的病害检测与解决措施摘要：本文分析了公路隧道问题，对公路隧道出现的病害原因进行分析，对这些问题提出了治理措施。

分析这些问题借助地质雷达进行无损性分析。

为治理提供方案，在实际治理中衬砌裂损问题得到了较好处理，提高了公路隧道建设质量和水平。

关键字：公路隧道工程；合众衬砌裂损；措施一、衬砌裂损病害检测（一）渗砌渗漏水检测隧道穿透垭口时，它的埋深深度比较浅，只是在地面的岩石部分，时常岩体出现裂缝。

因此，在具体施工时，需要保障地表能畅通的排水。

这样每当遇到雨季时，不会因为渗漏功能缺失，使得地表覆盖大量的水量。

该检测直接表明在地下隧道，这些地下水的来源主要还是因为地面降水积留导致，每个洞口都需要建设蓄水工程。

在顶洞部位，这些壁面会出现渗漏，尤其是在整个洞口范围内。

一般而言，水泥的混凝土铸成的壁面它一般不会渗漏。

因此，这些水源为地下水提供了水资源。

隧道用的是矿山法进行施工，首先在内部拱起墙体进行修筑，然后沿着墙体建筑其围墙，这样的做法在隧道铸造时，时常运用到。

（二）隧道口病害检测思蒙隧道是位于我国湘黔地区的隧道工程，整个工程的进口里程为K376+270.5，它的出口里程为K376+472。

中心里程的数值为K347+296，整个隧道距离为201.7m。

工程已经竣工，并且已经通车。

检测发现，该工程在145m 至160m地段出现了水平裂纹，这是隧道墙边缘出现的工程质量。

通过仔细观察，这是一道新的痕迹，它是属于轻微裂痕，影响不太大。

相距轨面段标160米的地方，有一处高为1.8米，宽为5到10米的裂缝，该裂缝是一道旧裂缝。

对照该范围进入检测发现，隧道裂缝不断的扩建，漏水非常严重。

在出洞口的地方，有一条垂直的裂纹，宽度高达15mm，外鼓为50mm，缝宽为15mm，这是比较危险的病害。

通过检测发现，随着隧道技术不断提高，隧道使用到的材料，这些材料在实验中发现。

风化泥质一般都包含了砾砂岩，这是一种泥质比较重的材料。

公路隧道衬砌开裂损伤机理与加固补强方法公路隧道衬砌是隧道工程中的重要组成部分，主要用于支撑和保护隧道结构。

然而，在使用过程中，由于各种原因，隧道衬砌可能会出现开裂和损伤现象，严重影响隧道的安全和使用寿命。

本文将对公路隧道衬砌开裂损伤的机理和加固补强方法进行详细介绍。

一、公路隧道衬砌开裂损伤机理1. 强度不足：公路隧道衬砌在施工中可能会出现材料强度不足的情况，或者在使用过程中受到外力作用而超过了其承载能力，从而产生开裂损伤。

2. 温度变化：隧道内外温度存在差异，随着温度的变化，隧道衬砌会发生热胀冷缩，长期累积下来容易导致开裂。

3. 地震作用：地震是导致公路隧道衬砌开裂损伤的重要因素之一。

地震产生的地面震动会使衬砌结构受到巨大的动力荷载，从而引起开裂。

4. 地质条件：隧道所处地质条件的差异也是导致衬砌开裂的原因之一。

地质构造不稳定、地下水位变化、地表沉降等都会对衬砌结构产生不利影响。

二、公路隧道衬砌开裂损伤的加固补强方法1. 加固补强材料的选择：在进行公路隧道衬砌的加固补强时，可以使用高强度、耐久性好的材料，如玻璃纤维增强材料、碳纤维增强材料等。

这些材料具有较高的抗拉、抗压性能，可以有效增强衬砌的整体强度。

2. 预应力技术：预应力技术是一种常用的衬砌加固补强方法。

通过在衬砌内部施加预应力，可以有效地减少开裂和变形，在地震等外力作用下提高衬砌的抗震性能。

3. 钢筋混凝土加固：钢筋混凝土加固是一种常用的衬砌加固方法。

通过在衬砌表面加固钢筋混凝土，可以增加衬砌的受力面积，提高其整体强度和稳定性。

4. 粘结剂修补：在衬砌开裂损伤较轻的情况下，可以采用粘结剂进行修补。

首先清理开裂处的杂物和松动部分，然后使用粘结剂填充开裂缝隙，保证衬砌的完整性和稳定性。

5. 密封防水：隧道内部的地下水位变化是导致衬砌开裂的重要原因之一。

因此，在加固补强过程中，应注重对隧道的密封和防水措施，避免水分渗入衬砌结构，导致进一步损伤。

软岩隧道衬砌开裂机理分析及预防措施论文
《软岩隧道衬砌开裂机理分析及预防措施》
本文探讨了软岩隧道衬砌开裂的机理，并对此类开裂的预防措施进行了分析。

软岩隧道多由软性土壤如砂、泥等构成，加之地下水数量大、压力大，以及施工期间施工方式不当等原因，容易造成软岩隧道衬砌开裂。

针对软岩隧衬砌开裂的机理，主要分为三类：侧向开裂、翻转开裂和侧位移开裂。

侧向开裂是由于软岩地基具有弹性行为和胶结剂优良性，使得隧道衬砌经受不同位移比、弯曲应变，起到均匀拉伸、多次反复挤压作用，使衬砌片上下出现拉伸变形，最终造成裂痕。

翻转开裂是指地基土的自重及施工力产生的冲击和拉力，造成衬砌片的翻转，再经受拉伸变形，最终形成裂缝。

侧位移开裂是指地基土根据偏心荷载的变化，导致衬砌的侧位挤压，起到了“撬动”的作用，最终形成裂缝。

针对软岩隧道衬砌开裂，应采取相应的预防措施。

首先，要择优地质条件，降低施工现场渗水量，同时改善支护结构、减少地基位移和冲击，以减少界面引发的机械剪切作用;其次，要
控制衬砌施工和排水措施，采用水泥混凝土衬砌结构，使衬砌结构形成更结实的均匀结构;最后，加强施工现场管理，及时
发现和处理地质灾害，以避免裂缝的发展。

总之，通过本文的分析，我们已经对软岩隧道衬砌开裂的机理和预防措施有了一定的了解。

但软岩隧道的建设和管理仍然存在一定的挑战，仍有待加以改进。

在役隧道衬砌裂损机理与整治研究收稿日期:2009-03-23作者简介:孙 彬(1979-),男,助理工程师,重庆交通旅游投资集团有限公司,重庆 401147彭玉麒(1963-),女,工程师,重庆市南岸区市政工程处,重庆 400060张 平(1979-),男,工程师,重庆市交通规划勘察设计院,重庆 400067孙彬 彭玉麒 张平摘 要:从隧道衬砌裂损的原理着手,总结得出隧道衬砌裂损的几种类型,并通过对受力变形及裂缝特征的分析,重点针对在役隧道衬砌由于劣化引起的裂损进行了分析,依此提出了整治隧道衬砌裂损的一些办法,以使隧道衬砌裂损整治做到有的放矢。

关键词:在役隧道,衬砌,裂损机理,整治措施中图分类号:U 457.2文献标识码:A作为地下工程结构之一的隧道工程,由于其隐蔽性、复杂性、难维修与管理性,从建设初期到交付营运,其病害问题一直困扰着广大工程技术人员和科研工作者。

针对部分在役隧道病害的调查表明,70%的隧道会发生衬砌破损病害,占整个隧道病害的40%左右。

隧道衬砌裂损造成的危害较多,如衬砌结构失稳破坏,净空变小等,将使整个隧道结构的稳定性造成不同程度的破坏,使衬砌结构的安全可靠性降低,造成危及行车安全的重大问题。

因此,我们必须掌握在隧道使用过程中,发生和可能发生的各种变异(病害)现象,尤其是在役隧道的支护结构的裂损,并推定变异发生的原因,研究隧道结构的安全性,从而对隧道的长期安全性进行评估,评价结构物的损伤程度和研究是否采取相应的措施和对策,以延长结构物的寿命,提高结构物的服务功能。

1 衬砌裂损机理隧道衬砌裂损是指隧道衬砌的开裂变形、片块剥离以及大块塌落,其中地质因素是引起隧道衬砌裂损的主要原因。

衬砌裂损一般分为衬砌变形、衬砌移动和衬砌开裂3种类型。

衬砌变形又可分为横向变形和纵向变形两种形式。

其中横向变形是主要的变形形式;衬砌移动是指衬砌整体或部分衬砌出现倾斜、平移、上升、下沉等形式;衬砌开裂是指衬砌表面出现裂缝,包括张裂、压溃、错台3种形态。

隧道衬砌结构裂损机理及定量评估宋瑞刚;张顶立;伍冬;李鹏飞【摘要】隧道衬砌裂损影响衬砌结构的整体稳定性,并易引起渗漏水病害、基床病害和复合型病害等隧道病害,降低衬砌结构的耐久性和安全性.基于衬砌裂损的力学机理分析,将隧道衬砌混凝土裂缝发展过程分为6个阶段,给出每个阶段的状态描述,并针对引起衬砌裂损的隧道衬砌厚度不足及衬砌背后空洞两个影响因素进行深入研究,分别利用隧道衬砌的拉、剪应力集中系数进行计算,明确不同围岩条件下隧道衬砌厚度不足或衬砌背后空洞等因素与衬砌内部应力集中程度之间的内在联系,为进一步建立依据隧道衬砌检测结果进行隧道衬砌状态评估的评估体系提供了量化基础.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2010(034)004【总页数】6页(P22-26,35)【关键词】隧道工程;衬砌裂损;弯张作用;剪切作用;应力集中【作者】宋瑞刚;张顶立;伍冬;李鹏飞【作者单位】北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;中交公路规划设计院有限公司,北京,100088;北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044;北京交通大学,隧道及地下工程教育部工程研究中心,北京,100044【正文语种】中文【中图分类】U451.4衬砌裂损是隧道各种病害中较为普遍的一种类型,基本反映了隧道运营期间的安全状态.一方面,隧道衬砌裂损为水的渗漏提供了通路,继而会引发渗漏水病害及与水密切相关的基床病害和复合型病害.另一方面,隧道衬砌发生裂损后,将对衬砌结构的稳定性造成不同程度的影响,使衬砌结构的安全性、耐久性降低,严重的衬砌裂损将成为危及行车安全的大问题.随着我国交通事业的蓬勃发展,越来越多的铁路、公路隧道也相继投入运营,隧道衬砌裂损病害对运营安全造成的危害已经引起了人们的高度重视[1-6].为保证隧道运营安全,每年都投入大量的人力、物力、财力用于运营隧道衬砌裂损等方面的病害整治.因此,开展隧道衬砌裂损机理研究对减少、减小隧道病害,更好的治理隧道病害具有重要意义.日本对本国的公路隧道进行了大量调查,将引起衬砌裂损的原因归结为衬砌围岩压力过大、衬砌混凝土材料劣化和衬砌后接触不密实,且衬砌后接触不密实引起的衬砌裂损约占60%.刘启琛[1]对隧道衬砌裂损进行了一定的分析,认为当隧道衬砌经受的外力超过其结构材料极限强度时则发生裂损,从而影响隧道的正常运营使用;由于外力的作用性质和方向不同,其产生的衬砌变形形式和裂缝形态也不相同.王建宇[2]认为隧道衬砌结构的整体性及衬砌结构后的接触条件变化是造成隧道衬砌病害的主要原因.于学馥、方正昌研究了考虑围岩、回填层和衬砌共同作用时圆形洞室应力场和围岩场的变化情况,认为隧道衬砌后回填层的存在对围岩和衬砌的应力场与位移场都有很大影响.以上研究多是基于工程经验和统计学的定性分析,因此有必要对衬砌裂损的机理及影响因素进行深入研究,从而实现从隧道衬砌表观检测数据到隧道衬砌状态评估确定这一重要过程.1 衬砌裂损类型及评定1.1 衬砌裂损类型衬砌裂损是指衬砌表面出现裂纹(龟裂)和裂缝(宽度较大)或贯通衬砌全部厚度的裂纹的总称,主要包括张裂、压溃和错台3种类型,见图1.其中张裂是衬砌弯曲或偏心受拉引起的裂损,裂缝、裂面与应力方向正交,缝宽由表及里逐渐变窄.压溃是衬砌弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损,裂缝边缘呈压碎状,严重时受压区表面产生碎片剥落、掉块等现象.错台是衬砌受剪引起的裂损,裂缝宽度表里大致相同,当衬砌在裂缝两侧沿剪切方向有错动时,即形成错台.隧道衬砌主要为混凝土结构,从力学上分析混凝土中裂缝发展的简单过程分为6个阶段,见表1.图1 衬砌裂损示意图Fig.1 Diagram of lining splitting表1 基于力学分析的隧道衬砌裂缝发展过程Tab.1 Splitting process of the tunnel lining based on the analysis of the mechanism阶段附加应力与极限应力比衬砌裂缝发展状态描述衬砌裂损评估Ⅰ初始状态Ⅱ0.3构造裂缝尚未扩散,无新裂缝0多集料与水泥浆体界面的粘结裂缝,构造裂缝正常工作状态Ⅲ0.5在粗集料与水泥体界面上引发出了新的裂缝,在水灰比较大的情况下还可观察到粘结裂缝已扩展到基材中,同时基材中出现少量砂浆裂缝正常工作状态Ⅳ0.7粘结裂缝继续扩展,并大量向基材中延伸,砂浆裂缝不断增多,并开始将临近的粘结裂缝连接起来成为连续裂缝病害初级阶段Ⅴ病害加剧发展阶段Ⅵ1.0形成许多贯通裂缝,混凝土达到其强度极限极限状态0.9粘结裂缝及砂浆裂缝迅速增加,首先相互连结成连续裂缝,试件侧面的混凝土开始剥落隧道衬砌裂缝按其外在表现的扩展方向又可分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝3种形式.纵向裂缝根据所在位置不同,又可分为拱顶、拱脚、拱腰、边墙中部、基床面5种.根据目前病害数据收集系统统计的资料分析可知:铁路隧道二次衬砌混凝土中的纵向裂缝比其他裂缝要多,约占裂缝总长的46%以上;拱腰部分的裂缝比拱顶多;双线隧道中的裂缝主要产生在拱腰;单线隧道则主要产生在边墙.环向裂缝虽对隧道稳定性影响不大,但易引起隧道渗漏水或路面裂损,也应引起足够的重视.斜裂缝常常是由于混凝土斜截面上的拉应力或剪应力超过了混凝土的抗拉或抗剪强度所致,其危害性较大.1.2 衬砌裂损评定衬砌裂损劣化等级和判断标准见表2.表2 衬砌裂损劣化评定等级Tab.2 Grades of lining splits裂损类型裂损等级变形或移动开裂、错动压溃AA(极严重)滑坡滑动使衬砌移动加速;衬砌变形、移动、下沉发展迅速、威胁行车安全开裂、错台长度大于10 m,宽度大于5 mm,且变形继续发展;拱部开裂呈块状,有可能掉落.拱顶压溃范围大于3 m2;或衬砌剥落最大厚度大于衬砌厚度的1/4,发生时会危及行车安全A1(严重)变形或移动速度大于10 mm/a开裂、错台长度为5～10 m,但开裂或错台值大于5 mm;开裂或错台使衬砌呈块状,在外力作用下有可能崩塌和剥落压溃范围为1～3 m2;或有可能掉块B(较重)变形或移动速度为3～10 mm/a,且有新的变形剥落规模极小,但可对列车造成威胁;拱顶压溃范围小于1 m2,剥落块体厚度大于3 cm C(中等)有变形,但速度小于3 mm/a开裂或错台值长度小于5 m,且宽度小于3 mm压溃范围很小D(轻微)有变形,但不发展,而且对使用无影响一般龟裂或无发展状态个别地方被压溃开裂或错台长度小于5 m,且宽度为3～5 mm;裂缝有发展,但速度不快.2 衬砌裂损机理导致隧道衬砌裂损的主要原因有两大类:一是衬砌结构外部围岩条件变化引起的衬砌裂损;二是衬砌结构本身存在一些缺陷,如衬砌厚度不足、强度不足、衬砌后存在空洞或衬砌后回填不密实等.在隧道衬砌裂损的实际整治过程中,当开裂的衬砌被拆除后,有时并不出现周围松散岩石的坍落;有时背后岩石仍完好如初,这充分说明衬砌的开裂或裂损很可能是由于衬砌厚度不足或衬砌后存在空洞等恶化了衬砌结构受力而产生的.根据笔者所在课题组参与的大量铁路运营隧道工程调研,结合文献[1]的研究成果,将隧道衬砌裂损归结为两大类:1)弯张作用引起拉应力过大导致衬砌受拉裂损.这是最为普遍的隧道衬砌裂损形式.主要原因就是由于隧道衬砌多为混凝土结构,而混凝土材料最显著的特征就是受拉强度远低于其受压强度,因而当隧道衬砌在受弯张作用引起的拉应力过大时,就可能导致隧道衬砌发生裂损.对于弯张作用引起的拉应力,可采用拉应力集中系数kl对隧道衬砌状态进行评估,即其中:σl′为当衬砌截面厚度或衬砌后接触条件发生变化时的拉应力;σl为衬砌截面厚度或衬砌后接触条件未发生变化时的拉应力.2)剪切作用引起剪应力过大导致衬砌错台裂损.由剪切作用导致的隧道衬砌裂损也很普遍,在数量上仅次于弯张裂损.剪切作用引起的剪应力,可采用剪应力集中系数kτ对隧道衬砌状态进行评估,即其中:στ′为当衬砌截面厚度或衬砌后接触条件发生变化时的剪应力;στ为衬砌截面厚度或衬砌后接触条件未发生变化时的剪应力.其他,如受压导致的隧道衬砌压溃裂损等,由于混凝土结构的抗压强度较高,故较少出现.3 衬砌裂损定量评估针对引起衬砌裂损的隧道衬砌厚度不足及衬砌背后空洞两个影响因素进行深入研究,分别利用隧道衬砌的拉应力集中系数和剪应力集中系数两个指标进行计算,采用数值分析方法建立隧道衬砌厚度不足或衬砌后接触非密实与衬砌内部应力集中程度之间的内在联系,从而为进一步建立依据隧道衬砌检测结果进行隧道衬砌状态评估的评估体系提供量化基础.3.1 衬砌厚度不足当衬砌存在厚度不足的情况时,衬砌的位移场必然也随之发生变化.通过变形协调方程的传递,衬砌与围岩间相互作用力必将随之发生改变,从而也就使得衬砌的应力状态发生变化.另外,不同的围岩级别其应力释放率有所差别,故而变形协调条件也就不同,由此计算得到的围岩三次应力场、位移场及衬砌的应力场、位移场自然也就有所差别.所以,有必要针对不同围岩级别条件下的隧道衬砌应力状态进行分析,以探寻在各种不同围岩级别条件下衬砌不同部位存在厚度不足时对于衬砌应力状态的影响规律.1)随着隧道衬砌厚度不足,衬砌内的拉、剪应力集中系数均相应随之增大;以Ⅱ级围岩为例,当拱顶衬砌实测厚度与设计厚度之比为0.50,0.60,0.66,0.75,0.80,0.93时,其拉应力集中系数分别为5.12,4.23,3.11,2.26,1.67,1.08,剪应力集中系数分别为3.67,2.95,2.40,1.63,1.39,1.02,如图2所示.图2 衬砌厚度不足程度与应力集中系数的关系Fig.2 Relation between deficiency of lining thickness and stress concentration factor2)隧道衬砌拱顶部位厚度变化对于拉应力集中系数的影响较拱腰部位和拱脚部位为大,这可从图3(a)中明显地看出.而从图3(b)中可知,对于剪应力集中系数的变化,拱脚部位的厚度变化的影响较拱顶和拱腰为大.图3 衬砌不同部位厚度不足与拉、剪应力集中系数关系Fig.3 Relationship between insufficient thickness in different places and the concentration factor of tensile stress and shear stress总之,在同样的厚度变化条件下,对于拉应力集中系数影响程度的变化规律是:拱顶＞拱脚＞拱腰;而对于剪应力集中系数影响程度的变化规律则是:拱脚＞拱顶＞拱腰.3)当隧道所处围岩级别不同时,衬砌厚度的变化对于衬砌内应力集中系数的影响是不同的.以隧道拱顶衬砌实测厚度与设计厚度之比为0.75为例,对应于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩的拉应力集中系数为2.26,2.76,3.10,3.18,剪应力集中系数为1.63,1.98,2.17,2.28,如图4所示.图4 不同围岩级别条件下应力集中系数变化规律Fig.4 Variation law of the concentration factor of stress in different grades of surrounding rock从图4可看出,在同样的厚度变化条件下,不论是拉应力集中系数还是剪应力集中系数,围岩级别低的隧道其应力集中程度相应较小.即在同样的厚度变化条件下,随着围岩级别的升高,应力集中系数也相应提高.3.2 衬砌背后空洞在实际的隧道开挖过程中,由于各种原因会不可避免地出现超挖现象,其他一些原因也可能导致衬砌与围岩之间出现接触非密实的情况,甚至会出现衬砌后空洞的极端情况.一般来说,衬砌作为隧道内主要的支护结构起着调整开挖面四周围岩应力场和位移场的作用.空洞的出现使得开挖轮廓线发生变化,这显然将直接影响到围岩的二次应力场和位移场;同时在衬砌施做以后,由于在空洞段衬砌与围岩间没有任何相互作用力,使得空洞的存在将直接影响到围岩三次应力场和衬砌内应力场的分布,从而导致衬砌与围岩内出现不同于衬砌后接触状态为密实理想状态的应力集中.实践证明,隧道衬砌与围岩之间并非连续接触,尤其是拱部.鉴于这种衬砌后的非密实接触对于围岩和衬砌的应力状态都有一定影响,因此首先必须从理论上深入研究各种空洞存在情况与衬砌应力状态变化之间的内在联系,进而据此提出衬砌状态评价标准及相应的整治措施.1)空洞尺寸大小对衬砌应力状态的影响.当隧道衬砌后存在空洞时,随着隧道衬砌后空洞径向尺寸的增大,衬砌内的拉、剪应力集中系数均相应随之增大.以Ⅴ级围岩为例,当拱顶衬砌后空洞径向尺寸分别为0.10,0.20,0.30,0.40,0.60,0.80 m时,其拉应力集中系数分别为1.18,1.30,1.67,2.14,3.31,3.67,剪应力集中系数分别为0.91,1.16,1.42,1.77,2.28,2.65,如图5所示.图5 空洞径向尺寸大小与应力集中系数的关系Fig.5 Relationship between the radial dimension of cavity and stress concentration index2)空洞所处位置对衬砌应力状态的影响.隧道拱顶衬砌后的空洞存在对于拉应力集中系数的影响较拱腰部位和拱脚部位为大,这可从图6(a)中明显地看出.而从图6(b)中可得出,对于剪应力集中系数的变化,拱脚部位衬砌后的空洞存在较拱顶部位和拱腰部位为大.图6 隧道衬砌背后空洞与拉、剪应力集中系数的关系Fig.6 Relationship between the cavity behind lining and the concentration index of tensile stress and shear stress总之,隧道衬砌后,当不同部位存在同样大小的空洞时,对于拉应力集中系数影响程度的变化规律是:拱顶＞拱脚＞拱腰;而对于剪应力集中系数影响程度的变化规律则是:拱脚＞拱顶＞拱腰.3)隧道所处围岩级别对衬砌应力状态的影响.当隧道所处围岩级别不同时,衬砌后空洞大小的变化对于衬砌内应力集中系数的影响显然是不同的.以隧道拱顶衬砌后存在空洞的径向尺寸大小为0.6 m时为例,对应于此条件下Ⅱ～Ⅴ级围岩的拉应力集中系数分别为4.13,4.09,3.86,3.31,剪应力集中系数分别为3.45,3.20,2.58,2.28,见图7.图7 不同围岩级别条件下应力集中系数变化规律Fig.7 Variation regularity of stress concentration index in different grades从图7中可看出,在隧道衬砌后存在同样空洞的条件下,不论是拉应力集中系数还是剪应力集中系数,围岩级别高的隧道其应力集中程度相应较小.也就是说,在同样的接触条件下,随着围岩级别的升高,衬砌内的应力集中系数也相应减小.4 结论1)衬砌裂损可分为张裂、压溃和错台3种类型,分别由隧道衬砌受弯曲偏心受拉作用、弯曲偏心受压作用、受剪作用引起.3)将隧道衬砌裂损归结为弯张作用引起的拉应力过大导致的衬砌受拉裂损和剪切作用引起的剪应力过大导致的衬砌错台裂损.4)随着隧道衬砌厚度不足程度的增大,衬砌内的拉、剪应力集中系数也随之增大,且拱顶衬砌厚度不足对拉应力集中系数影响较大,而拱脚衬砌厚度不足则对剪应力集中系数影响更为明显;另外,衬砌厚度不足导致的拉、剪应力集中系数随着围岩级别的增大即围岩条件的变差而增大.5)随着隧道衬砌背后空洞径向尺寸的增大,衬砌内拉、剪应力集中系数也随之增大,且拱顶衬砌后空洞对拉应力集中系数影响较大,而拱脚衬砌后空洞则对剪应力集中系数的影响更为明显;在同样的接触条件下,衬砌内应力集中系数随着围岩级别的增大即围岩条件的变差而有所减小.参考文献:[1]刘启琛.喷锚支护整治隧道裂损衬砌[M].北京:中国铁道出版社,1986.LIU Qichen.Regulation of Tunnel Splitted Lining by Bolt-ShotcreteSupport[M].Beijing:China Railway Publishing House,1986.(in Chinese) [2]王建宇.对我国隧道工程中2个问题的思考[J].铁道建筑技术,2001(4):1-5.WANG Jianyu.Two Problems'Thinking in Our Country's Tunnel Engineering[J].Railway Construction Technology,2001(4):1-5.(in Chinese) [3]潘昌实.隧道力学数值方法[M].北京:中国铁道出版社,1995.PAN Changshi.Tunnel Mechanics'Numerical Method[M].Beijing:China Railway Publishing House,1995.(in Chinese)[4]关宝树.隧道工程施工要点集[M].北京:人民交通出版社,2003.GUAN Baoshu.Sets of Main Points in Tunnel Construction[M].Beijing:ChinaCommunications Press,2003.(in Chinese)[5]王春梅.日本公路隧道的恶化状况及防治对策[J].世界隧道,1997(6):29-33.WANG Chunmei.Deteriorative Condition and Its Countermeasures of Japanese Highway Tunnel[J].World Tunnel Engineering,1997(6):29-33.(in Chinese)[6]Hearn G,Testa R B.Model Analysis for Damage Detection in Structures[J].ASCE.Journal of Structural Engineering,1991,117(10):3042-3063.。

高速公路隧道衬砌裂缝病害的原因分析及其整治措施探讨高速公路隧道是现代交通建设工程中不可或缺的重要组成部分，隧道衬砌作为隧道结构的重要组成部分，是确保隧道安全运行的关键因素之一。

在隧道衬砌运行过程中，常常出现裂缝等病害现象，影响隧道的安全性和稳定性。

对高速公路隧道衬砌裂缝病害的原因进行深入分析，并探讨相应的整治措施，具有重要的理论和实践意义。

1. 材料质量问题隧道衬砌的主要材料为混凝土和钢筋混凝土，在制作过程中如果出现水泥品种、配比、搅拌、浇筑等环节存在质量问题，就容易导致隧道衬砌材料内部结构不均匀，容易产生裂缝。

2. 强度设计不足隧道衬砌的强度设计不足会导致隧道在运行中受到车辆荷载和地质应力作用时，隧道衬砌容易发生开裂和破坏。

3. 温度变化隧道内部与外部温度的差异会导致隧道衬砌的温度变化，从而产生温度应力，加速了裂缝的产生和扩展。

4. 地质条件隧道所处的地质条件对隧道衬砌的稳定性有重要影响，如果隧道穿越的地质环境复杂，地质条件不稳定，则容易导致隧道衬砌产生裂缝和破坏。

5. 车辆振动高速公路隧道内车辆经常通过，车辆振动会传导到隧道衬砌上，长期累积下来容易导致隧道衬砌的疲劳破坏和裂缝产生。

1. 加强材料质量管理在隧道衬砌制作过程中，需要加强水泥品种的选择和质量控制、混凝土配比的优化设计、搅拌浇筑的工艺管理等方面的工作，以确保隧道衬砌的材料质量符合要求，减少裂缝的产生。

2. 合理设置隧道衬砌的强度设计在进行隧道衬砌的强度设计时，需要充分考虑到隧道所处的地质条件、车辆荷载等因素，合理设置隧道衬砌的强度设计参数，以保证隧道衬砌在运行中不易产生裂缝和破坏。

3. 采取有效的防护措施针对隧道衬砌裂缝病害，可以采取一些有效的防护措施，比如在隧道衬砌表面设置钢筋混凝土保护层、使用聚合纤维增强混凝土等方式来提高隧道衬砌的抗裂性能。

4. 地质条件加固对于隧道所处的地质条件不稳定的情况，可以采取地质条件加固的措施，比如使用锚杆加固、喷浆加固等技术手段，以加强隧道衬砌的稳定性和抗裂能力。

隧道衬砌结构开裂调查与研究摘要：以重庆城南某隧道的裂缝调查研究为背景，论述了裂缝分级及裂缝调查方法，运用ANSYS有限元软件分析了衬砌开裂前后隧道支护结构的承载力变化情况；研究了裂缝产生的原因并对裂缝的处理措施进行了探讨。

分析结果可为同类隧道衬砌裂缝的调查处理提供参考。

关键词：隧道；衬砌裂缝隧道衬砌开裂是既有线在役隧道常见的一种病害，裂缝的出现会使隧道的抗渗能力降低，引起钢筋的锈蚀及混凝土碳化，从而大大降低隧道的承载能力。

对隧道衬砌混凝土的开裂进行调查分析，进而采取合理的方法进行处理以便有效地预防裂缝的出现和扩展，从而保证支护结构具有可靠的承载能力。

一、工程概况重庆城南某隧道为单洞双线4车道，隧道全长1150米，隧道起止里程为AZK1+900～AZK3+050，隧道采用曲墙等截面衬砌形式，衬砌混凝土设计强度等级为C30。

二、裂缝调查裂纹的分布和形态的调查对判断隧道裂缝的成因起着关键性的作用。

裂缝调查项目应包括裂缝分布、宽度、深度及性质。

隧道裂缝的深度对二衬的承载力影响较大（尤其拱顶纵向裂缝），因此需要对隧道重点部位的裂缝深度进行探测，从而根据裂缝长度、宽度、深度等信息综合判定裂缝的健康等级为后续裂缝处治提供依据。

裂缝情况统计：对隧道衬砌裂缝的长度、宽度以及裂缝走向情况进行了调查，具体情况见表1。

表1 重庆城南某隧道衬砌结构状况统计表三、裂缝形成原因分析裂缝形成的原因比较复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。

据统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝在15%左右设计不当引起的裂缝占5%左右。

1）设计原因由于对地质情况未做出详细全面合理的勘探工作，对隧道围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据，与实际施工存在一定的偏差，这是导致隧道衬砌开裂的设计方面的原因。

2）施工工艺或现场操作不规范a、隧道开挖成形差，衬砌混凝土厚度不均匀；欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成混凝土厚度不足，个别隧道衬砌混凝土背后存在脱空现象。

隧道衬砌裂拱机理分析及整治1. 引言近年来，我国地铁建设逐年增多。

地铁隧道建设工程是地下城市交通基础设施之一，其建设质量对城市的交通运输起到关键作用。

在地铁隧道建设过程中，衬砌开裂属于较为常见的问题之一。

衬砌开裂会对隧道的稳定性、安全性、运营和维护等带来较为严重的影响。

本文基于当前的隧道建设现状，对隧道裂拱机理及其整治研究进行分析并提出相应的治理方法。

2. 隧道衬砌裂拱的表现地铁隧道衬砌主要采用的材料为混凝土，其主要功能是支撑隧道的地层，抵抗地层对隧道的挤压力和支撑隧道的荷载，同时防止地下水渗透。

衬砌裂缝是常见的发生在隧道内侧环形接缝处，其特征是线性和细小，裂缝往往会伴随着隧道大变形而延伸。

隧道衬砌的裂缝分单独裂缝和群体裂缝两种类型。

单独裂缝表现为一个通长的线性裂缝，由于地层变形引起。

而群体裂缝则是由于一段隧道表现出明显的弯曲，因而裂缝以一定间距分布在该段隧道的内环上。

地铁隧道在设计阶段需要考虑的因素较多，隧道深度、影响地层的种类和特性、围岩的完整性和可塑性等，都是会对隧道设计施加影响的因素。

同时，工程的建设难度也也会为隧道的安全施工埋下隐患。

3. 衬砌裂缝的成因衬砌开裂具有严重的隐蔽性和危害性，其施工、后期维护和治理等方面的技术难度相对较大。

在工程实践中，衬砌开裂的主要成因可以归纳为以下几个方面：3.1 材料质量和强度不足作为支撑隧道的主要材料，衬砌的质量和强度直接影响了隧道的稳定性和耐久性。

而不合格的原材料，长时间的露天曝晒、储存和搬运等环节，将会导致材料强度和质量的严重下降。

3.2 设计不当地铁隧道设计为非线性结构，相对于桥梁和建筑，属于一种相对较新的建筑类型，涉及到的因素比较多。

而设计不当常导致隧道衬砌裂缝产生。

隧道的设计需要考虑隧道的地质环境、运营和维护等影响因素。

3.3 隧道施工衬砌开裂的原因很多，施工阶段的质量和细节管理也是其中一个重要原因。

铺设衬砌前，需要对放线进行检验，及时排查问题。