公路铁路隧道知识充电

公路铁路隧道知识充电公路隧道作为一种人工地下结构，处于天然介质的环境中，由于设计、施工、材料及地质因素等各方面的原因，无论是国内还是国外，大多隧道都存在不同程度的病害，如渗漏水、隧道冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀等。这些病害一般不是单独存在而是相互影响，相互作用的。公路隧道二衬是隧道结构最外面混凝土结构层隧道开挖后，隧道洞内周边呈现不规则岩石表面，首先通过喷射混凝土基本填补表面凹凸不平岩面，起到初期支护作用，亦称“初衬”。然后隧道内搭设模板，铺设防水层，浇筑一定厚度的混凝土，形成光顺整齐的隧道内几何表面，故亦称为“二衬”。隧道二衬对隧道周边围岩起到一定的稳定和支护作用，同时也起到防水、和美观功能。因此，隧道“二衬”是隧道结构中的重要组成部分，发生裂缝会直接影响隧道工程质量和运营安全。隧道二次衬砌混凝土属于薄壁连续结构，受复杂围岩压力作用，加上隧道内施工条件差，因此隧道衬砌开裂是隧道工程最常见的病害之一。衬砌开裂也是隧道出现衬砌渗漏水的主要原因。隧道由于渗漏水、积水，将会造成衬砌开裂和原有裂缝发展变大，加剧衬砌裂损。隧道衬砌裂损病害主要表现为衬砌的变形、开裂和错台，而衬砌一旦开裂，不但不易修缮，影响隧道正常运营，而且造成隧道衬砌和各种通风、照明和消防等设备的腐蚀损坏衬砌裂损使隧道结构的稳定性造成不同程度的破坏，使衬砌的有效厚度减薄，安全可靠性降低，随着病害的持续发展，最终导致衬砌结构失稳破坏，严重危及行车安全。目前隧道衬砌开裂几乎成为公路隧道的通病，成为隧道病害预防和治理的难点，因此对公路隧道衬砌裂缝控制与防治进行研究显得十分重要。目前，我国高速公路隧道普遍采用新奥法设计施工技术，隧道主体结构以锚喷支护和模筑混凝土复合衬砌结构为主流形式在施工过程中，由于施工单位的技术水平和围岩性质多变常产生超欠挖超挖回填往往不密实或施工塌方处理不彻底而常在衬砌背后形成空洞，改变了衬砌的受力状态欠挖则再次扰动围岩，造成围岩再次松弛，而且超欠挖产生巨大的应力集中可达初始应力值的十几倍使围岩产生较大的变形和位移，导致围岩物理力学性质的恶化，严重影响结构的耐久性施工浇注混凝土时容易产生二衬强度不足、二衬厚度不均、拆模过早产生裂纹以及混凝土本身缺陷等也会造成隧道结构的破损、破坏和耐久性降低。另外，在具体的施工方法中开挖方法、开挖步骤及锚喷支护和模筑混凝土的施设时机的不同对建成后的隧道围岩和衬砌的工作状态有很大的影响。如采用光面爆破、预裂爆破、大断面开挖能够尽量减少对围岩的扰动，根据对围岩位移收敛的监测适时施做二次衬砌能够合理地分配围岩、初期支护、二次衬砌所承担的应力，控制围岩物理力学性质的恶化，使围岩和衬砌在设计的条件下共同作用。此外，岩石的塑性和流变引起锚杆失效，地下水长期侵蚀引起锚杆、钢筋锈蚀、混凝土腐蚀，导致衬砌结构实际承载力下降。在运营过程中出现隧道衬砌裂损的实质是结构承载的荷载超过了结构的承载力。不管何种原因引起隧道病害，最终会反映到二次衬砌上，使二衬出现张裂、压溃、错台等。在隧道衬砌裂缝的产生原因和治理措施方面，日本的研究较多。国内外对隧道衬砌的调查结果表明，衬砌混凝土开裂是一普遍现象，造成衬砌混凝土开裂的原因众多据调查由变形引起的裂缝占，而由荷载引起的裂缝占王铁梦，。变形一般包括混凝土与室外温差产生的温度应力、水泥水化热产生的温度应力及由于混凝土失水引起的干缩应力围岩变形引起的应力。而作用于衬砌混凝土上的作用力，可以等效为轴力和弯矩的共同作用。利用对隧道衬砌的初期、中期检测，将衬砌裂缝的产生和治理分为三个方面进行研究，一）：针对围岩压力产生的裂缝；二）：针对衬砌劣化产生的裂缝；三）针对漏水和冻害产生的裂缝。对于隧道理论研究，由于只有在少数简单边界条件才能得到解析解，所以理论研究多借助于数值方法，由于岩性、结构、材性的复杂性，计算结果的可信度并不高。若能与现场测试与室内试验较好地结合，将对隧道的抗裂研究给予很好的支持。国内外最新的关于隧道衬砌开裂研究进展表明，隧道围岩偏压及不均匀沉降导致衬砌出现裂缝直接外部原因，而混凝土温度应力的不均匀释放则是导致衬砌出现裂缝的内部原因。对隧道衬砌结构而言，我们主要关心什么情况下会出现裂缝，裂缝对结构安全会有什么影响。这涉及到隧道结构与围岩的相互作用、隧道截面形式及衬砌材料性能等多方面内容。偏压极易造成隧道衬砌开裂，钟新樵对地形原因引起的偏压隧道衬砌进行了模型试验。认为围岩状态、地表坡率、覆盖厚度、洞室尺寸及形状及施工方法等五个方面是土质隧道形成偏压的影响因素。应该说，由于影响隧道衬砌因素的多样性与不确定性，隧道工程中没有相应“标准试验”上述试验研究只是给出了特定情况下的定性结果，要在多影响因素的情况下，得到统计意义上的认识规律，还需要进行大量的试验。另外，就试验内容而言，许多重要的影响因素如衬砌背后空洞、地下水作用、震动荷载等还没有涉及，更谈不上进行多因素祸合试验分析。为取得良好的防水效果，隧道工程中常用的作法是将隧道衬砌修成复合式衬砌，采用夹层防水层，即在隧道开挖后的初衬与二衬之间设置防水层，这就存在防水层与两层衬砌之间是否能很好的结合为整体衬砌结构。为了增加初衬混凝土的力学性能，在初衬混凝土中加入纤维，使初衬混凝土能够承担围岩传递较大的压力。但是在公路建设中普遍采用模筑式混凝土施做二次衬砌混凝土，因模筑混凝土的施工工艺的制约，初衬与二次衬砌之间经常会产生脱空特别是拱顶附近区域更趋于严重背后脱空区的存在使二次衬砌及反向施加给初衬上的压力不均匀，存在应力集中现象，从而使二次衬砌和初衬发生损伤及开裂。针对初衬与二次衬砌间普遍存在的脱空区，目前尚没有成熟的处理方法及更好的施工工艺。二次衬砌的开裂问题不论是公路隧道还是铁路隧道，都是一个普遍、长期存在的问题，也就是运营中的隧道是带着裂纹工作的，所以对运营中的隧道进行研究时，必须考虑裂纹的存在，否则使分析具有很大的局限性。二次衬砌中裂缝的存在改变了二次衬砌结构中应力场的分布，特别是裂缝尖端和开裂面附近的应力分布更趋于复杂，根据断裂力力学理论可知，裂纹尖端应力场具有很大的奇异性，由损伤力学可知，裂纹尖端在高应力梯度场的作用下，裂尖附近混凝土材料将发生连续损伤。所以需要展衬砌结构的力学机理方面的系统研究，这方面还有很多要做。开展围岩、初衬和二次衬砌的共同作用研究在目前的科学技术水平下还无法完成，所以需要分步进行研究，研究方向大致可分为：1)针对二次衬砌开裂问题，抽象出来的计算模型为初衬与二次衬砌复合式结构，而围岩对初衬的作用需要进行合理的简化2)长期监测围岩传递给初衬及初衬与二次衬砌间的接触压力，为复合式隧道结构提供基础资料3)对二次衬砌开裂问题开展机理研究，研究影响二次衬砌开裂主要因素的定量分析。4)开展二次衬砌治理措施的研究，并为隧道施工时提供借鉴。本文目的是通过调研国内外相关隧道衬砌抗裂研究成果经验，在理论分析和大量的现场检测、室内材料试验研究基础上，探索现有隧道衬砌材料抗裂性能机理，从材料抗裂性能机理、施工工艺、材料改性等方面，提高衬砌材料抗裂能力，寻求更适合隧道衬砌的新材料、新工艺，提高公路隧道衬砌抗裂性能，在此基础上，探索公路隧道衬砌裂缝的治理技术方法。在隧道工程混凝土衬砌抗裂研究领域，理论与试验研究还落后于工程实践。隧道衬砌开裂是一个常见却又复杂的问题，由于其特殊性，希望仿真技术能全面、真实地描述隧道衬砌结构的力学行为是不可能的。但就目前情况而言，试验与理论研究工作不够深入、系统，导致对隧道衬砌开裂机理的认识还显粗糙公路隧道衬砌裂缝成因分析公路隧道衬砌混凝土裂缝产生的原因很多，也很复杂。有受围岩变形压力或不均匀沉陷、由于材料收缩变形如温度收缩、干缩等原因引起的裂缝，有施工工艺技术和养护不当原因，以及受到外部作用力等因素。对各种导致隧道衬砌裂缝因素，其产生的机理不同，在实际工程中要区别对待，并采取恰当的治理措施。1、衬砌外力作用①松驰压力。由于风化及水的作用使围岩强度降低以及拱顶有空洞等原因，围岩松驰压力会逐年发展，在拱顶沿纵向发生张开性裂缝。若上部空洞较大，空洞上部的岩块可能与围岩分离而掉落，对衬砌产生冲击，严重者会导致隧道衬砌崩塌式破坏。②偏压。产生偏压的情况有多种。有地形上的，如斜坡地貌有地质上的，如围岩倾斜还有滑坡造成的。其它因素如地面挖方、坡面坍塌以及水位上升或急剧降低等也会形成偏压。即使是很小的偏压，也会使隧道衬砌产生开裂。偏压导致的裂缝特点是主动土压力作用侧的拱肩产生纵向的开口开裂，被动土压力侧的拱肩产生龟甲状开裂与斜向开裂，拱和墙的接缝处会产生错台。③膨胀性土压。④水作用力。此处包括水压力与因水引起的冻胀力。通常，隧道几乎不虑水压的作用，但由于连续的大雨积水渗透加上排水系统不畅，将使隧道受力处于极限平衡状态引起隧道从拱部到边墙的水平裂缝，同时还有环状开裂在寒冷地区，衬砌背后的围岩冻结会产生冻结力，一直继续到融雪期，所以其变形是逐年积累的。冻结力在拱的下部到边墙的区域产生主动土压力，相应地使拱顶附近产生局部压溃。⑤温度应力。温度应力是由于隧道衬砌混凝土的干缩与温缩变形受到约束引起的混凝土是抗压性能远高于抗拉性能的材料，能抵抗温度上升时的压应力，却难以抵抗降温时的拉应力。⑥不均匀沉降。隧道边墙脚处的承载力不足会造成隧道的不均匀下沉承载力不足引起的隧道开裂有几种模式在隧道纵向发生不均匀下沉时，隧道边墙的接地部发生垂直开裂，并逐渐形成环形开裂在隧道横向发生不均匀下沉时，在拱部产生纵向开裂重力式或半重力式的端墙多采用与洞口部分离的结构，洞口部的承载力不足时，洞门端墙将前顷，洞口部的拱部将产生环状开裂，路面也会开裂⑦其他荷载作用。受车辆荷载或地震等动荷载的影响，衬砌混凝土会发生疲劳破坏而产生裂缝。2、衬砌材质的劣化①经年劣化。②冻害。在寒冷地区，冻害是衬砌劣化的主要原因，冻害不仅使混凝土产生麻面，还有混凝土表面剥落③水。衬砌背后的地下水，有时含有对衬砌有害的成份，特别是其呈酸性时，是衬砌劣化的主要原因。3、施工工艺与质量控制施工没有处理好施工缝、变形缝温度缝、沉降缝，因施工质量问题没有处理好而出现裂缝。施工技术条件限制，施工质量管理松弛和不善，混凝土材料检验不力，施工配合比控制不严，水灰比过大，混凝土捣实质量不佳，拱部浇注间歇施工形成水平工作缝，混凝土模板不平等因素，修成的隧道衬砌在施工缝处产生裂缝，以及衬砌混凝土表面产生蜂窝麻面等衬砌质量不良，降低承载能力。施工测量放线发生差错、欠挖、模板拱架支撑变形、塌方等原因，造成局部衬砌厚度偏薄或衬砌结构受力不对称，降低了衬砌承载能力。由于施工方法和施工组织不当，在施工过程中各工序紧跟不上不能及时成环。4、结构设计因素隧道设计时，因围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，造成衬砌结构与围岩实际荷载不相适应而引起衬砌裂缝病害隧道穿过偏压地段时，没有采用偏压衬砌隧道穿过断层破碎带、褶皱区等局部围岩松散压力或结构力较大的地段，衬砌结构没有相应地采取加强措施基底软弱和易风化围岩地段，未设可靠防水设施，混凝土铺底厚度及强度不足，使得隧道发生不均匀沉降。5、水文地质因素地质因素对隧道衬砌裂缝的产生有很大影响。地质因素是一些纵向裂缝和斜向裂缝产生的主要因素。地质因素包括水的作用、复杂地质条件，如地震带、断裂带、滑坡，偏压等等。纵向裂缝和斜向裂缝大多数出现在进出口处，进出口处衬砌裂缝主要是由于偏压、滑坡、水的作用等地质因素产生的。裂缝的调查方法调查围岩类别、衬砌类型、地下水情况、检查裂缝特征和发育情况，包括裂缝位置、长度、宽度和深度及分布情况，分析裂缝产生的原因，确定裂缝类型。选取有代表性的裂缝进行定期跟踪观测。目前隧道衬砌结构中的混凝土材料施工过程中不可避免存在微孔洞和微缺陷，在围岩释放的压力作用下，衬砌混凝土结构中的应力应变逐渐增大，当其抗压和抗拉强度超过其压拉强度时，混凝土中就会出现损伤乃至宏观裂缝。混凝土中的微缺陷在外荷载场及变形场作用下，裂纹尖端的高应力区，均会使原有缺陷和损伤进一步发展。所以对衬砌混凝土进行力学分析时，必须借助于断裂力学和损伤力学即破坏力学的方法。因能够获得含缺陷及损伤结构的解析解很有限，所以