公路隧道衬砌混凝土开裂的外水压力原因分析.pdf

3 8 江苏建筑 2 0 1 1 年第 4期 ( 总第 1 4 2期 ) 公路隧道衬砌混凝土开裂的外水压力原因分析 杨英云 。 ， 赵春 荣 ， 唐 明 ( 山东省招远新盛交通工程有限公司 。 山东招远2 6 5 4 0 0 ； 北京工业职业技术学院， 北京1 0 0 0 4 2 ； 山东省平安路桥监理检测有限公司。 山东招远2 6 5 4 0 0 ) 【 摘 要 在公路隧道检修时， 发现衬砌混凝土产生多处纵向裂缝， 开裂较为严重。由于该隧道处在地下水丰富的地层中， 文章采用三维有限元法、 应 用渗流应力耦合理论， 对可能导致衬砌混凝土开裂的水荷载原 因进行分析研究 ， 并从 降低 渗流荷 载引起衬砌拉应力的角度 ， 提 出了修补建议。 关键词】 隧道； 水压力； 有限元 中图分类号 U 4 5 9 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 6 2 7 0 ( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 3 8 - 0 3 The Cr a c k Re a s o n An a l y s i s o f a Tun ne l S Co nc r e t e Li ne r Ca us e d b y Ex t e r n al W a t e r Pr e s s u r e YANG Yi n g - y u n Z HAO C h u n - r o n g 2 T ANG Mi n g 3 ( 1 Z h a o y u a n X i n S h e n g T r a f fi c E n g i n e e ri n g C o ， L t d ， Z h a o y u a n S h a n d o n g 2 6 5 4 0 0 C h i n a ； 2 B e i j i n g P o l y t e c h n i c C o l l e g e B e i j i n g 1 0 0 0 4 2 C h i n a ； 3 P i n g a n R o a dB ri d g e S u p e r v i s i o n D e t e c t i o n C o ， L t d ， Z h a o y u a n S h a n d o n g 2 6 5 4 0 0 C h i n a ) Ab s t r a c t ：Wh e n a r o a d t u n n e l i s c h e c k e d ，s e r i o u s l o n g i t u d i n a l c r a c k s a r e d e t e c t e d i n t h e l i n e r c o n c r e t e F o r t h e t u n n e l i s e mb e d d e d i n wa t e r - ric h g r o u n d ， t h e e x t e r n a l w a t e r p r e s s u r e i s c o n s i d e r e d a n d a n a l y z e d a s a ma i n r e a s o n t o c a u s e t h e c r a c k s I n t h i s p a p e r ， t h e F i n i t e El e me n t Me o d a n d s e e p a g e s t r e s s c o u p l i n g t h e o r y a r e 印 p l i e d i n t h e c a l c u l a t i n g p r o c e d u r e T o d e c r e a s e t h e t e n s i l e s t r e s s c a u s e d b y s e e p a g e l o a d ， a s e r i o u s o f s u g g e s t i o n s are p u t f o r ward Ke y wo r d s ： t u n n e l ； wa t e r p r e s s u r e ； f i n i t e e l e me n t me t h o d O引盲 以往公路隧道设计在确定衬砌结构外水压力 时 ，通 常 采用 对地下水从 “ 以排为主” 的原则 出发 ， 不考 虑衬砌外 水 压力 1 】 。随着人 们对工程 认识的逐 步深化 ， 富水地层 的隧道 建设 已逐渐摈弃 “ 以排为主” 的理念 开始实施 “ 以堵 为主 、 防排结合 ” 的原则 ， 即采用控制排放 的隧道 防排水技术闭 。 在 隧道设计 中， 外水压力一般是以面力的形式施加在衬砌上 1 。 事实上 。衬砌外水压力是 由水在 围岩 和衬砌 中的渗 流引起 的 ， 其本质是体积力H 。过大 的隧道衬砌外水压力 可能造成 衬砌 混凝 土结构失效 。 本文采用三维有 限元法 、 应用渗流应 力耦 合理论 ， 以富水区隧道为研究对象 ， 对可能导致 隧道 衬 砌混凝土开裂的水 荷载原因进行 分析 并从减小水 压荷载 的角 度提出了修补建议 。 1 工 程概 况 某公路交通隧道位于丘陵区 ， 植被茂密 。 隧道最大埋深 8 0 m， 最小埋 深 2 0 n l ， 大部分 洞段埋深 在 2 0 n l 6 0 m， 地下 水位线超 出洞 顶之上 6 0余 m。工程 区断层发 育 。 主要 出露 地层为石炭 系地 层 ， 岩性 主要 为粉砂 岩 、 泥岩和炭 质页岩 。 隧道 围岩 岩体破碎 。 易风化 ， 风化层较深 。隧道所处 的岩层 走 向与隧道轴线方 向近于平行 ， 倾 向 3 0 。 5 0 。 。地表水系发 育 ， 地下水主要为基岩裂隙水 ， 水 的补给来源主要靠大气 降 水垂直补 给， 通过断层 、 节理裂隙 的形式埋藏 、 循 环与排泄 。 工程区雨量充沛 多年平均降雨量 为 1 9 0 0 mm。隧道施 工 中涌水量 为 4 O 0 om3 ， d 。 隧道 断面为城 门洞型 ，内净空尺寸为 4 3 m x 5 4 m， 纵 坡为 1 2 5 0 0 地震设计烈度 6度。 施工中采用的一次支护为 间距为 1 m 的钢 拱架 ， 挂 网喷 C 2 0混凝土 1 2 c m厚 ， 二 次 支护为 3 0 e l l l 厚 的 C 2 0素混凝土衬砌 ，在边墙打设 2排排 水孔 ， 间距 4 m， 呈梅花形 布置。施工期对 围岩条件 较差 的 洞段进行过围岩固结灌浆处理。 2 衬砌裂缝情况 隧道竣工运行后 检修期间发现衬砌 出现 大量 长度 超 过 5 m 的纵 向裂缝 。 具有 以下特点 ： 绝大部分裂缝为纵向裂 收稿日 1 2 0 1 1 0 3 3 1 【 作者简介】 杨 英 云 ， ( 1 9 7 1 一 ) ， 山 东 省 招 远 市 新 盛 交 通 工 程 有 限 公 司 ， 工 程 师 ， 总 工 程 师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1年第 4期 ( 总第 1 4 2期) 3 9 缝 ， 位于隧道起拱处 ， 边 墙亦 有分布 ， 走 向弯 曲不规则 ； 大部 分裂缝为贯穿性裂缝 ， 有渗水或钙质析 出； 多条 纵向裂缝和 环 向裂缝 、 施工缝交叉 。 且常见裂缝 的起 、 止点位 于交叉处 ； 多条 裂缝 长度超过 2 0 m。 同时发现 ， 半数 以上 的排水孑 L 已 堵塞 ， 隧道混凝土衬砌与 围岩之间存在连续脱空现象 。 决定隧道衬砌位移 、 应 力的因素很多 ， 除了衬砌 自身质 量原 因之外 ， 还 由施工期开挖次序 、 支护手段 ， 围岩压 力 ， 围 岩蠕 变特征 ， 混凝 土温度荷 载 ， 外水 压力 ， 运行期 工作荷 载 等诸 多因素决定 。 由于该 隧道 建设 、 运行期现场量测数据不 完备 。 因此针对裂缝情况还没有完整的资料可供分析 。 在地 下水丰富 的工程 区 隧道衬砌外水压 力对衬砌 应力状态 的 影响甚大 。此外 鉴于大量的排水孔 已失效 、 大范围衬砌 与 围岩脱空 ， 初步判定 ， 地 下水 可能是隧道结构缝产生 的主要 原 因。 因此 。 对因地下水渗流荷载引起 的衬砌应力和变形情 况进行研究 。 3 计算原理 在水荷载 的作用下 。 隧道应力分析应遵循 以下原 则 ： 隧 道 的水荷 载是作用于地 下水位 以下空间 的渗流体积力 ； 隧 道应 力状 态决 定于 不 同施 工 阶段 地下 水渗 流场 变化 的历 史 ； 衬砌与围岩有条件的联合工作 。 岩体和衬砌均按等效连续介质考虑 。 在三维空间 中， 对 于各 向异性连续介 质 ， 达西定理可写为 u - k ,b ， i ( 1 ) 式 中： u ； 为某一 方向的流速 ； ， i 为该方 向的水力梯度 ； J 为渗透 系数张量。 将其代入渗流 的连续方程 itl ,i _0 ( 2 ) 可得到无源稳定渗流控制方程 ， 即广义拉普拉斯方程 ) =0 ( 3 ) 若给定边界条件求水头 的分布 。 称渗流分析 的正 问题 。 若给定若 干点 的水 头值 或部分边界条件 ，求渗透张量及未 知边界条件 称为渗流分析 的逆问题 。 外水荷载是作用于 围岩及衬砌 的渗流体积力 。则空 间 x ， Y ， z 方 向的渗 透体 积力为 ： r a f P , = - Y w I ， P = ( 4 ) 1 p y 一 t J l a 式 中： 为水 的容重 。 4 模 型与参数 根据实 际地层 和结 构情 况建 立单 排排水孔作用范 围内 的三维模型。 使用有限元软件 A B A Q U S建模、 计算。隧道埋 深 6 5 m， 地 下水位线位 于洞顶之上约 6 0 m。模型计算域从 隧道 边缘开始 ， 垂直 向上取 至地表 ， 其它方 向均超过 2 0倍 的隧道尺 寸。 隧道附近的有限元网格见图 1 所示 ， 计算模 型 详 细的模拟 了各岩层 、 混凝 土一衬 、 二衬 、 开挖 区 、 排 水孔 、 固结灌浆 区地 质分 区和结构分区。 岩层参数依据工程地质勘察报告选取 。根据文献 5 】 的 灌浆试验研究成果 ， 确定隧道围岩灌浆区的渗透系数 ， 即灌 浆后 降低 至未灌浆前 的 1 1 8 。混凝土试块 的渗透 系数常常 可达 1 0 1 0 一 U m s 或更小 。 由于混凝土内不可避免存在着微 裂缝 及缺陷 ， 其 平均渗透 系数常大 于 1 0 x l 0 m s 。本 隧道 衬砌混凝 土开裂较严 重 。 其渗透系数取 1 0 x 1 0 - T m s 。 图 1 隧道 附近 的有 限元 网格 5渗流和应力分析 根据该 隧道施工 、运行过程 中的渗流场变 化情 况进行 模 拟计算 ， 分析顺 序如下 ： 初始渗 流场 ( 地 下水位恒定 ) ， 开 挖隧道 ， 施做衬砌 ， 施做 排水孔 ， 围岩 固结灌浆 ， 通车运行 。 排水孑 L 是减小 隧道衬砌上外水压力 的常用工程措施 之 一 。隧道 固结灌浆除 了可 以提 高围岩 的剐度 和强度之外 ， 还 能够起 到封堵 地下水 的作用 。原 隧道 已经在边墙 布设 排水 孔 。 衬砌拱顶 、 边墙外水压力在随各施工步的变化情况见表 1 。打排水孑 L 使衬砌顶板的外水压力降低 4 O 。 边墙中部降 低 6 0 ，排水 口周围 的压力水头明显 比其它部位低 ( 见图 2 ) 。可见 ， 排水孑 L 降低二衬外水压力的作用明显 ； 围岩固结 灌浆 与排水孔 结合 ， 对于衬砌外水形成 “ 外 堵内排” 效应 ， 二 衬 拱 顶 和边 墙 外 水 压 力 进 一 步 降低 ，分 别 降低 3 5 和 5 0 。 图 2 隧道周 围孔 隙水压力 ( 单位 ： P a ) 隧道开挖 、 衬砌后 ， 地下水 渗流发生 改变 ， 渗透荷 载增 量在 围岩 和衬 砌中引起 位移 。 使隧道上方围岩下沉 、 两侧围 岩向隧道 方向挤压 ， 衬砌有被竖 向压扁的趋势 。 洞顶向下位 移 0 5 m m； 打设排 水孔 。 衬 砌进一步被竖 向压扁 ， 洞 顶向下 位移 又略有增 大 ； 围岩做 固结灌浆处理 ， 灌 浆区之外的孔隙 水压 力增 加 衬砌及 围岩受渗透荷载作用而产生 向上位移 ， 洞顶向上的位移增量 约 0 3 l lfl r n 。整体来看 。 渗透荷 载引起 的衬砌位移 约 l m m。 隧道开挖 、 衬砌后 ， 渗透荷 载引起 围岩和衬砌应 力 ， 衬 砌拱 顶 、 起拱线 、 边墙外侧 的拉应 力约 0 3 M P a ， 底板外侧拉 应力约 0 2 MP a ( 见 图 3 ) ； 若 打设排水 孔 ， 衬砌 拉应力平 均 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 1 年第 4期( 总第 1 4 2期) 表 1 衬砌外水压力随施工步变化 单位 ： MP a 顶 板 边墙 O 6 5 0 6 8 0 _ 3 0 O 2 9 0 1 9 O 1 2 0 1 3 0 0 7 图 3 开挖衬砌后 由水荷载 引起 的拉应力 ( 单位 ： P a ) 减小约 0 1 MP a 。若进行围岩灌浆处 理 。 衬砌拉应力可进一 步减 小约 O 0 5 MP a 。若衬砌顶拱 、 边墙 与围岩脱离 ， 拱顶 、 起拱 线 、 边墙 拉应力 大 于 2 M P a的范 围很 多 ， 如果未 设置 有效 的配筋 。 衬砌混凝土将 开裂。衬砌与 围岩脱开 ， 衬砌将 直接承受作用于衬砌外缘的水头 ，其受力状态将发生显著 恶化 。 此现象现在 已有研究也有揭示4 1 。 6结 论 本文研究 的隧道处在富水区 ，虽然地下水位于隧道上 方 的距离 约 6 0 m，由于渗 流荷载 同时引起 围岩和衬 砌应 力 。单 纯 因渗 流 荷 载而 引起 的衬 砌 最 大拉 应 力 已 达 到 0 3 M P a ， 见于拱顶 、 起拱线 、 边墙等处 。 若衬砌顶拱 、 边墙 与 围岩脱离 外水压力作用 产生 的衬砌 拉应力超过 2 MP a的 范围很大 ， 如果未设置有效 的配筋 ， 衬砌混凝 土将 开裂。因 此 地下水荷载是导致衬砌混凝土裂缝的主要原因 。 打设排水孔 和对 围岩 固结灌浆是减小衬砌外水压 力和 衬砌拉应力的有效措 施。 围岩固结灌浆 与排水孑 L 联合作用 对衬砌外水形成 “ 外堵内排”效应 ，衬砌外水压 力可降低 8 0 。 衬砌 拉应 力减小约 6 0 。因此 ， 建议排水孔 内采取反 滤措施 、 防止堵塞 ， 定期检查 、 疏通排水孔 。 对 围岩 裂缝 发育 部位进行二次固结灌浆。保证衬砌 与围岩贴 合并 联合工作 是改善衬砌受力状态的关键 ，建议 对衬砌壁后脱 空的部位 进行 回填灌浆。 参 考文献 l 1 张志 强 ， 何 本 国， 何川 水底 隧道饱 水地 层衬砌 作用荷 栽研 究【 J 岩土力学 ， 2 0 1 0 ( 8 ) 【 2 】 丁浩 ， 蒋树屏 ， 杨林德 外水压 下隧道衬 砌的 力学响应 及结构对策研究 J 】 岩土力学， 2 0 o 8 ( 1 0 ) 3 】 J r G D 7 0 2 0 0 4公路 隧道 设计规 范【 S 】 北 京 ： 人 民交通 出版 社 2 0 o 4 4 张有天 岩石 水力 学与 工程【 M】 北京 ： 中国水 利水 电出 版社 2 0 O 5 5 】 马 国彦 ， 常振 华 岩 体灌 浆排 水锚 固理论 与实践 M】 北 京： 中国水利水电 出版社 ， 2 o 0 3 【 6 】 王勖成 有限单元法【 M 】 北京： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 8 ( 上接第 3 3页 ) 表 3 箱 梁的抗弯和抗扭承载力验算 结论 ： ( 1 ) 跨既有 电气化铁路桥 在方案设 计 中应充 分考虑 桥 梁施工对铁路运输的影响 ，避免施 工过程 中的泥水 下落 和 现场焊接 ， 防止 出现电气化事故 。 ( 2 ) 跨 中横梁 的设 置对于确保 装配式 混凝土 梁桥的整 体性起着关键性作用 。 ( 3 ) 对于不能通过预应力或焊接装配 的跨 中横梁 ， 剪 力 键 的设 置能确保梁 间剪力 的传递 。从而改善活载 内力 的梁 间分 配、 提高上部结构的整体性。 参考文献 1 】 范立础 桥梁工程【 M】 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 i 2 4 O 一 2 5 5 2 】 中交公路 规划设计 院 J rI G D 6 2 2 0 o 4公路钢 筋混凝 土 及预 应力混凝 土桥 涵设 计规 范 s 】 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 20 o4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m