海底隧道衬砌裂缝扩展试验研究

隧道衬砌裂缝在外荷载作用下的演变规律以及裂缝随时间的发展变化情况，是一个亟待研究解决的重要问题。掌握裂缝的演变规律，不仅可以判断裂缝的发展趋势，而且对裂缝的稳定性也会有个清晰的了解，在此基础上可提出更合理的裂缝控制措施。通过对海底隧道衬砌裂缝开展模型试验，期望对衬砌的开展规律有进一步的认识，为海底隧道衬砌裂缝控制提供参考依据。1试验方案经过对厦门东通道翔安隧道衬砌结构进行内力分析可知，最不利部位衬砌结构截面受力状况与一般扁坦马蹄形隧道相同，承受大、小偏心两种受力状态，大部分截面为小偏心受力，仅在拱脚截面附近为大偏心受力，并且最危险截面位于拱脚，将发生受拉破坏。据此，试验中选择最危险截面的大偏心受力状态进行裂缝开展试验。模型编号：CZ0（不锈蚀构件），CZ1，CZ2，CZ3，CZ4，CZ5；根据钢筋实际锈蚀率检测方法，偏心柱钢筋模型试件的实际钢筋锈蚀率如表1所列。模型构件尺寸如图1所示。

2009年3月第3期总第425期Mar.2009No.3SerialNo.425水运工程Port&WaterwayEngineering

收稿日期：2008-08-08*基金项目：江西省交通厅科技基金资助项目（200740）。作者简介：荣耀（1979—），男，博士，高级工程师，主要从事公路隧道质量监督和科研工作。

海底隧道衬砌裂缝扩展试验研究荣耀1，黄红元2

(1.江西省交通工程质量监督站，江西南昌330008；2.南昌工程学院土木系，江西南昌330099)

摘要：通过模型试验探讨了锈蚀钢筋混凝土偏压构件和普通钢筋混凝土偏压构件裂缝发生和发展的演变规律，对模型构件加载下的裂缝扩展宽度、扩展速度及扩展加速度进行了分析，据以判断裂缝的发展趋势及稳定性，从而提出合理有效的裂缝控制措施，为海底隧道衬砌的限裂设计提供参考。关键词：模型试验；海底隧道；衬砌；裂缝扩展中图分类号：TU528文献标志码：A文章编号：1002-4972（2009）03-0046-04

ExperimentalresearchoncrackexpansionofunderseatunnelreinforcedconcreteliningRONGYao1,HUANGHong-yuan2

(1.TrafficEngineeringQualitySuperviseStationofJiangxi,Nanchang330008,China;2.DepartmentofCivilEngineering,NanchangInstituteofTechnology,Nanchang330099,China)Abstract:Thedevelopmentandevolutionruleoftherustyandnon-rustyreinforcedconcretebiasvoltage

components′cracksarediscussedbyrelatedmodeltests.Thecrackexpansionwidth,expansionvelocityandaccelerationofthecomponentsunderloadareanalyzed.Basedtheresearchresult,thedevelopmenttendencyandstabilityofcrackscanbejudged,andreasonableandavailablemeasuresforcrackscontrolcanbeputforward,servingasreferencesforcrackscontroldesignofunderseatunnels.Keywords:modeltest;underseatunnel;lining;crackexpansion第3期表1模型试件钢筋锈蚀率

图1模型构件设计图2试验过程[1-2]

试件模型养护完成后，开始进行裂缝扩展及承载力试验。偏心模型裂缝开展试验在同济大学建筑工程系结构试验室进行。2.1无锈蚀钢筋偏心受压构件裂缝扩展试验2.1.1CZ0模型试件裂缝扩展情况图2为模型试件加载破坏后的情形，开裂初期主要呈现如图a）上的3条裂缝，平均间距约为12cm，在加载过程中由此形成以3条裂缝为中心的裂缝带（图b）），约有10条裂缝，开展深度2.5～25.0cm，主裂缝最后在受压区相汇、贯通。

2.1.2CZ0模型试件数据分析试验中采用JC-100型裂缝读数显微镜进行量测，对中部开裂的裂纹进行了全程量测，图3为裂缝宽度随荷载变化图，开裂荷载为90kN，所加荷载在390kN(约为极限荷载的82.5%)以下时，裂缝宽度随荷载增加幅度无明显拐点，此时裂缝宽度达到0.293mm，超过390kN后裂缝宽度增加幅度加大，最后破坏时裂缝宽度达到0.58mm。图4所示的是不同应力水平下裂缝扩展速度曲线，从曲线图形上分析认为：可以将裂纹扩展速度随荷载增加分成3个阶段：稳定阶段，变速阶段，剧变阶段。当荷载在240kN(约为极限荷载的50.0%)以下时裂缝为稳定发展阶段，即裂缝扩展将趋于稳定；当荷载在240～390kN(约为极限荷载的50.0%～82.5%)之间时，裂缝扩展速度不稳定，也是隧道衬砌结构处理裂缝的关键阶段，如果在这个阶段不对隧道衬砌结构进行及时加固，则会由于裂缝扩展的进一步加速而影响衬砌结构的安全性，图5为裂缝宽度随加载时间加速度变化曲线图，变化曲线在加载为390kN(约为极限荷载的82.5%)处出现加速点，此荷载为裂缝突变的临界点。

试件编号CZ0CZ1CZ2CZ3CZ4CZ5锈蚀时间/h02404807209601200锈蚀电流/(μA·cm-2)010001000100010001000

实际锈蚀率/％06.4811.316.422.327.5

图2模型试件加载后裂缝分布

图3裂缝宽度随荷载变化

荣耀，黄红元：海底隧道衬砌裂缝扩展试验研究

a)分布1b)分布247··水运工程2009年

图4不同应力水平下裂缝扩展速度2.2锈蚀钢筋偏心受压构件裂缝扩展试验2.2.1CZ1模型试件裂缝扩展情况图6为模型试件加载破坏后的情形，开裂初期主要呈现如图6a）上的3条裂缝，平均间距约为7.5cm，在加载过程中由此形成以3条裂缝为中心的裂缝带（图6b）），约有16条裂缝，开展深度1.5～25cm，主裂缝最后在受压区相汇、贯通。

2.2.2CZ1模型试件数据分析CZ1模型试件经过240h的钢筋锈蚀，实际钢筋锈蚀率为6.48%，试验中采用JC-100型裂缝读数显微镜进行量测，对中部开裂的裂纹进行了全程量测，图7为裂缝宽度随荷载变化图，开裂荷载为115kN，所加荷载在420kN(约为极限荷载的86.5%)以下时，裂缝宽度随荷载增加幅度比较稳定，此时裂缝宽度达到0.183mm，超过420kN后裂缝宽度增加幅度加大，最后破坏时裂缝宽度达到0.551mm。图8所示的是不同应力水平下裂缝扩展速度曲线，从曲线图形上分析认为：可以将裂纹扩展速度随荷载增加分成3个阶段：稳定阶段，变速阶段，剧变阶段。当荷载在180kN(约为极限荷载的37.0%)以下时裂缝为稳定发展阶段，即裂缝扩展将趋于稳定；当荷载在180～420kN(约为极限荷载的37.0%～86.5%)时，裂缝扩展速度不稳定，也是隧道衬砌结构处理裂缝的关键阶段，如果在这个阶段不对隧道衬砌结构进行及时加固，则会由于裂缝扩展的进一步加速而影响衬砌结构的安全性，图9为裂缝宽度随加载时间加速度变化曲线图，变化曲线在加载为420kN(约为极限荷载的86.5%)处出现加速点，此荷载为裂缝突变的临界点。2.3偏心受压构件模型试验裂缝扩展规律2.3.1模型试件开裂荷载大小对试件CZ0—CZ5进行裂缝扩展试验，裂缝

图5裂缝扩展速度加速度曲线

图6模型试件加载完后裂缝分布图7裂缝宽度随荷载变化图图8不同应力水平下裂缝扩展速度a)分布1

b)分布2

48··第3期

表3各模型试件达到开裂荷载前的加载速度（kN/min）表2各模型试件开裂荷载kN开裂量测，结果列于表2。没有进行钢筋锈蚀的试件开裂荷载最小，开裂随着钢筋实际锈蚀率的增加而增加，超过20%的试件CZ4和CZ5其开裂荷载为150kN，比CZ0的开裂荷载增加66.7%，锈蚀前的制作过程中并无差别。从表3可以看出，加载速度相差不明显，其原因可能为各试件在水中浸泡的时间不同，混凝土在水中抗拉强度的增长速度快于非水中抗拉强度的增长，由此时间越久初始开裂荷载值越大。

2.3.2不同试件同一加载荷载值下裂缝开展宽度比较对试件CZ0—CZ5进行裂缝扩展试验，通过裂缝开裂量测，各试件在不同加载水平下的裂缝宽度比较如图11所示。除所加荷载值为450kN的裂缝宽度外，其余荷载水平下的宽度曲线具有

相似性，可以用4次多项式曲线y=ax4+bx3+cx2+

dx+e来拟合。图12为各试件的裂缝宽度变化曲线，除CZ1裂缝宽度变化曲线有突变外，其余试件的宽度变化曲线具有相似性，可以用3次多项式曲线y=ax3+bx2+cx+d来拟合。

2.3.3不同试件同一加载荷载值下裂缝开展速度比较试件CZ0~CZ5进行裂缝扩展试验，通过裂缝开裂量测，各试件在不同加载水平下的裂缝扩展速度比较如图13所示。除所加荷载超过420kN后的裂缝扩展速率超过0.02mm/min，其余荷载水平下的裂缝扩展速率都在0.02mm/min以下，试件模型CZ3在各个荷载水平下的扩展速率相差较大。

图9裂缝扩展速度加速度曲线编号CZ0CZ1CZ2CZ3CZ4CZ5开裂荷载90115116120150150

试件编号CZ0CZ1CZ2CZ3CZ4CZ5加载速度8.211.56.441216.69.4

图10试件开裂荷载随钢筋实际锈蚀率变化曲线

图11各试件在不同加载水平下的裂缝宽度变化曲线图12各试件的裂缝宽度变化曲线

图13各试件在不同加载水平下的裂缝扩展速度变化曲线

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荣耀，黄红元：海底隧道衬砌裂缝扩展试验研究49··