王家赫 黃法禮 李化建 仲新華 謝永江

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100081）

我國鐵路工程建設(shè)的重點(diǎn)逐步向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。西部地區(qū)山巒眾多、地形復(fù)雜，隧道工程建造過程容易受到不良地質(zhì)條件、障礙物、復(fù)雜嚴(yán)酷環(huán)境等的影響［1-2］。特別是高速鐵路隧道，因其斷面面積大、施工風(fēng)險高、耐久性要求高等特點(diǎn)，往往成為全線控制性工程。

我國鐵路暗挖隧道普遍采用復(fù)合式襯砌支護(hù)體系。復(fù)合式襯砌由“圍巖+初期支護(hù)+二次襯砌”共同組成，并在初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置防水隔離層。地下水狀況和圍巖級別不同，復(fù)合式襯砌的形式也不同。Ⅰ級和Ⅱ級圍巖隧道的復(fù)合式襯砌通常采用曲墻帶底板的結(jié)構(gòu)形式，地下水特別發(fā)育時可采用曲墻帶淺仰拱形式。Ⅲ級圍巖隧道的底部位于弱風(fēng)化、完整性好的硬質(zhì)巖時，可采用拱墻加底板結(jié)構(gòu)形式，底板施工前先施作10 cm 厚的混凝土找平層。當(dāng)?shù)撞繛檐涃|(zhì)巖、節(jié)理裂隙發(fā)育的硬質(zhì)巖時，可采用曲墻帶仰拱的結(jié)構(gòu)形式。Ⅳ～Ⅵ級圍巖隧道采用曲墻帶仰拱的結(jié)構(gòu)形式。

TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，在復(fù)合式襯砌支護(hù)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，初期支護(hù)應(yīng)按主要承載結(jié)構(gòu)計算，二次襯砌在Ⅰ～Ⅲ級圍巖可作為安全儲備，在Ⅳ～Ⅵ級圍巖宜按照承載結(jié)構(gòu)設(shè)計。具體而言，Ⅲ級圍巖可取計算荷載的20%，Ⅳ級圍巖可取50%，Ⅴ級圍巖可取70%。即在復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)體系中二次襯砌混凝土主要作為安全儲備，并承擔(dān)由于初期支護(hù)可能劣化而作用于二次襯砌上的荷載或由于軟巖蠕變、環(huán)境條件變化等引起的附加荷載。工程實踐表明，隧道襯砌混凝土由荷載或者非荷載因素導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象時有發(fā)生，這嚴(yán)重影響了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和承載能力，同時也為圍巖中有害物質(zhì)的侵入提供通道，對隧道結(jié)構(gòu)耐久性影響較大。

本文分析696座服役隧道襯砌混凝土的開裂情況及其影響因素，針對非荷載因素中溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂，探討隧道襯砌混凝土溫度裂縫的防治措施。

1 隧道襯砌混凝土開裂現(xiàn)象及原因分析

1.1 隧道襯砌混凝土裂縫分類

隧道襯砌結(jié)構(gòu)處于復(fù)雜的圍巖地質(zhì)條件中，在作為安全儲備的同時也將承受由于圍巖變形、松動等導(dǎo)致的附加荷載?，F(xiàn)場調(diào)查結(jié)果表明，隧道襯砌混凝土裂縫大多出現(xiàn)在隧道建成初期，甚至在建設(shè)過程中即產(chǎn)生了大量裂縫［3-5］。在隧道建成后5～10 年內(nèi)裂縫產(chǎn)生的數(shù)量較少，在建成10年后由于各種原因也會出現(xiàn)損壞、滲漏等劣化現(xiàn)象。隧道襯砌混凝土裂縫產(chǎn)生的原因較多，依據(jù)是否承受荷載作用可分為荷載裂縫和非荷載裂縫。

荷載裂縫主要是指由于直接承受圍巖等外部荷載或次生應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。當(dāng)混凝土實際承受拉應(yīng)力達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度時即出現(xiàn)裂縫，包括壓裂性裂縫、拉裂性裂縫和剪切裂縫。

非荷載裂縫主要是指襯砌混凝土在未承受荷載時，由于自身溫度或收縮變形受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力達(dá)到混凝土極限抗拉強(qiáng)度時產(chǎn)生的裂縫。

1.2 隧道襯砌混凝土開裂情況

混凝土是一種準(zhǔn)脆性材料，無論是荷載因素還是非荷載因素導(dǎo)致的開裂，都會迅速產(chǎn)生宏觀裂縫，對襯砌混凝土耐久性造成嚴(yán)重影響。已有研究表明，隧道襯砌混凝土因荷載作用導(dǎo)致的開裂主要呈縱向裂縫或斜向裂縫，而因非荷載作用導(dǎo)致的開裂則主要呈現(xiàn)環(huán)向裂縫［6］。工程實踐表明，環(huán)向裂縫是目前隧道襯砌混凝土中數(shù)量最多的裂縫形式。為準(zhǔn)確了解工程現(xiàn)場隧道襯砌混凝土裂縫形式及數(shù)量，本文通過文獻(xiàn)調(diào)研，匯總國內(nèi)外目前服役隧道696 座，分析其開裂情況（表1）。

表1 國內(nèi)外隧道襯砌混凝土開裂情況

由表1 可知，隧道襯砌混凝土因非荷載因素導(dǎo)致的環(huán)向裂縫較多，且上述裂縫主要出現(xiàn)在施工縫、沉降縫或伸縮縫附近。對于隧道襯砌混凝土結(jié)構(gòu)，其非荷載因素主要包括溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。隧道襯砌混凝土厚度通常為0.7～1.5 m，是典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。因此，其非荷載因素中溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂占比很大。本文重點(diǎn)討論隧道襯砌混凝土溫度應(yīng)力導(dǎo)致的開裂現(xiàn)象，并總結(jié)相應(yīng)的防治措施。

1.3 隧道襯砌混凝土溫度應(yīng)力

在施工過程中水泥水化產(chǎn)生大量水化熱，而混凝土本身為熱的不良導(dǎo)體，所以大體積混凝土內(nèi)部溫度顯著高于周圍環(huán)境溫度。在混凝土澆筑完成后一段時間，內(nèi)部溫度開始下降，且混凝土表面溫度下降速率遠(yuǎn)大于其內(nèi)部溫度變化速率，進(jìn)而產(chǎn)生溫度應(yīng)力［11-12］。根據(jù)產(chǎn)生原因，可以將隧道襯砌混凝土溫度應(yīng)力分為約束應(yīng)力和非線性應(yīng)力。

1）約束應(yīng)力。由于襯砌混凝土結(jié)構(gòu)溫度變化而產(chǎn)生溫度變形，當(dāng)受到周圍結(jié)構(gòu)（如隧道初期支護(hù)、圍巖等）約束時，溫度變形得不到釋放從而在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力。

2）非線性應(yīng)力。隧道襯砌混凝土澆筑完成后，其內(nèi)部溫度由于水泥水化放熱作用而迅速升高［13］。當(dāng)水泥水化放熱基本完成后，在環(huán)境溫度作用下混凝土表面和內(nèi)部溫度均開始下降。但由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，襯砌混凝土表面溫度下降較快而內(nèi)部核心區(qū)混凝土溫度下降較慢，便在襯砌混凝土中出現(xiàn)溫度梯度。溫度不均勻分布直接導(dǎo)致大體積混凝土（隧道襯砌）內(nèi)部各位置處變形不均勻，從而出現(xiàn)自生應(yīng)力。需要注意的是，大體積混凝土因溫度非線性分布產(chǎn)生的應(yīng)力不受周圍約束條件的影響，即使大體積混凝土處于完全自由狀態(tài)，該溫度非線性應(yīng)力仍然存在。

在工程實踐中，隧道襯砌混凝土溫度應(yīng)力為約束應(yīng)力和非線性應(yīng)力的疊加作用。

2 混凝土溫度場及溫度應(yīng)力研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于混凝土溫度應(yīng)力導(dǎo)致開裂問題的研究始于20 世紀(jì)30 年代。在北美一個大體積混凝土大壩施工過程中，研究人員認(rèn)識到由于水泥水化放熱，大體積混凝土?xí)忻黠@的內(nèi)部溫度升高現(xiàn)象，并在溫度下降過程中因周圍約束或溫度分布不均勻而導(dǎo)致開裂。20世紀(jì)60年代，混凝土彈塑性力學(xué)和徐變理論已比較完善，研究人員開始從理論方面對混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行深入研究。Vecchio［14］采用非線性分析方法對大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并給出了相應(yīng)的計算程序和算法。Elgaaly［15］對大體積混凝土早齡期溫度場及溫度應(yīng)力進(jìn)行試驗研究，包括混凝土體積膨脹試驗、松弛試驗等，研究了大體積混凝土因內(nèi)部溫度變化而導(dǎo)致的開裂問題，并基于傳熱學(xué)基本原理建立了混凝土內(nèi)部溫度變化計算模型。Larson［16］采用有限單元法對隧道襯砌混凝土溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行計算，計算速度快，結(jié)果與試驗測試值吻合良好。

國內(nèi)對大體積混凝土裂縫問題的研究始于20 世紀(jì)50 年代，文獻(xiàn)［3］對大體積混凝土溫度場和溫度應(yīng)力進(jìn)行了大量研究，并改進(jìn)了大體積混凝土溫度場和溫度應(yīng)力的計算模型，使得溫度場計算更為簡單快捷。文獻(xiàn)［17］提出了混凝土溫度計算理論方法和收縮計算模型，發(fā)現(xiàn)混凝土溫度收縮應(yīng)力與結(jié)構(gòu)長度呈非線性關(guān)系，提出了大體積混凝土溫度裂縫防治的成套方法。文獻(xiàn)［13］采用有限單元法計算了厚度為0.8 m 的隧道襯砌混凝土澆筑完成后2 d 內(nèi)部溫度場分布情況：當(dāng)混凝土入模溫度為21.2 ℃時，襯砌混凝土內(nèi)部溫度最大值為40.27 ℃，最大溫升值為19.07 ℃，襯砌混凝土內(nèi)外溫差最大值為16.28 ℃。

值得注意的是，隧道襯砌混凝土內(nèi)部直接與隧道初期支護(hù)及防水板接觸，其內(nèi)表面熱量一部分通過防水板和初期支護(hù)混凝土傳到圍巖中。對于隧道襯砌混凝土而言，其兩個側(cè)面熱量交換邊界條件不同，隧道內(nèi)表面與隧道內(nèi)實現(xiàn)熱交換，而另一側(cè)與防水板以及初期支護(hù)噴射混凝土實現(xiàn)熱交換。因為防水板一側(cè)熱交換系數(shù)相較于隧道內(nèi)部更小，所以隧道襯砌混凝土靠近防水板一側(cè)接近絕熱狀態(tài)。隧道襯砌混凝土在靠近隧道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)了明顯溫度梯度，而靠近防水板一側(cè)溫度梯度相對較小，僅在表面附近出現(xiàn)了一定的溫度梯度。對于隧道襯砌混凝土這一特殊結(jié)構(gòu)形式的大體積混凝土，其內(nèi)部溫度最高值位置并不一定出現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)中心位置，在工程實踐中對襯砌混凝土溫度進(jìn)行實時監(jiān)測也應(yīng)注意該溫度分布特點(diǎn)。

隧道襯砌混凝土溫度整體變化和邊界附近的溫度梯度均會產(chǎn)生溫度應(yīng)力，其中前者為約束條件的溫度應(yīng)力，而后者為非線性應(yīng)力。因此，為防止隧道襯砌混凝土由于溫度應(yīng)力導(dǎo)致開裂，應(yīng)重點(diǎn)降低混凝土內(nèi)表面的溫度梯度并控制混凝土整體溫升值。

3 隧道襯砌混凝土溫度裂縫防治技術(shù)

隧道襯砌混凝土非荷載溫度裂縫主要由混凝土內(nèi)部溫度整體升高和邊界溫度梯度導(dǎo)致，因此應(yīng)該圍繞這2個方面提出相應(yīng)的溫度裂縫防治技術(shù)。

3.1 混凝土水化溫升調(diào)控技術(shù)

3.1.1 使用低熱水泥

低熱水泥通過調(diào)整水泥熟料礦物組成，實現(xiàn)降低水泥水化放熱量、提高耐久性等目的。該水泥以硅酸二鈣為主要礦物，又稱為高貝利特水泥。采用低熱水泥代替普通硅酸鹽水泥配制隧道襯砌混凝土，將有效降低水泥水化過程的放熱量，從而顯著降低隧道襯砌混凝土溫升值，降低約束開裂風(fēng)險。Mori等［18］研究了低熱水泥早齡期水化進(jìn)程，結(jié)果表明，與普通硅酸鹽水泥相比，低熱水泥具有早期水化速率低、水化放熱量小、水化產(chǎn)物少等特點(diǎn)。楊華全等［19］研究發(fā)現(xiàn)，低熱水泥混凝土早期溫升小，后期強(qiáng)度和耐久性能好，有利于控制混凝土最高溫升值，可以有效防止溫度裂縫的產(chǎn)生。段寅等［20］采用數(shù)值模擬方式模擬了使用低熱水泥后隧道襯砌混凝土早齡期溫度場和溫度應(yīng)力分布特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)低熱水泥早齡期水化放熱量小可顯著降低隧道襯砌混凝土最高溫度和溫度應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)安全性?；⒂垒x等［21］對比研究了中熱水泥和低熱水泥后期強(qiáng)度發(fā)展，發(fā)現(xiàn)低熱水泥后期強(qiáng)度發(fā)展優(yōu)于中熱水泥，且后期耐久性能更好。

3.1.2 使用礦物摻和料

在高性能混凝土配制中使用的礦物摻和料主要包括粉煤灰、礦渣粉、硅灰等。這些礦物摻和料具有一定的水化活性，在水泥水化后期起到增加混凝土密實性、提高混凝土耐久性的作用。使用上述礦物摻和料替代一部分水泥將有效降低混凝土因水泥水化放熱導(dǎo)致的溫度升高，對于隧道襯砌混凝土等大體積混凝土結(jié)構(gòu)意義重大。我國于20 世紀(jì)70 年代開始將粉煤灰等礦物摻和料用于混凝土材料中，主要用于建設(shè)城市中的工業(yè)建筑和黃河水利樞紐工程等［22-24］。90年代粉煤灰等礦物摻和料已經(jīng)在高性能混凝土、大壩混凝土等得到廣泛應(yīng)用。在礦物摻和料理論研究方面，Mehta［25］通過試驗研究了礦物摻和料的使用對混凝土水化熱的影響，發(fā)現(xiàn)采用礦物摻和料替代一定量的水泥可有效降低混凝土水化放熱量。王甲春等［26］通過混凝土絕熱溫升試驗研究了粉煤灰摻入量對混凝土絕熱狀態(tài)下的溫升值的影響，發(fā)現(xiàn)隨著礦物摻和料摻入量的提高混凝土絕熱溫升值逐漸降低。陳波［27］試驗研究了摻入礦物摻和料后混凝土早齡期拉伸徐變特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)礦物摻和料使用后對混凝土早齡期拉伸徐變影響更為顯著，而對長齡期徐變影響較小。

3.1.3 使用水泥水化溫升抑制材料

水泥水化溫升抑制材料是通過改變混凝土中水泥水化歷程來調(diào)控水化放熱，從而降低隧道襯砌等大體積混凝土水化溫升值。水泥水化溫升抑制材料主要包括復(fù)合型、蛋白質(zhì)類、氨類水化抑制劑等。研究結(jié)果表明，水泥水化抑制劑的使用可顯著降低水泥水化72 h 的累積放熱量，減緩水泥水化放熱速率，推遲放熱峰出現(xiàn)［28］。

3.2 混凝土溫度梯度調(diào)控技術(shù)

隧道襯砌混凝土在與環(huán)境熱交換過程中出現(xiàn)的溫度梯度是導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生非線性應(yīng)力的內(nèi)在因素，降低襯砌混凝土內(nèi)部溫度梯度是消除自應(yīng)力、降低開裂風(fēng)險的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究主要從2方面對隧道襯砌混凝土溫度梯度進(jìn)行調(diào)控。

3.2.1 控制混凝土入模溫度

混凝土入模溫度是其溫度變化歷程的起點(diǎn)，該參數(shù)對大體積混凝土溫度控制尤為重要。因為對于固定配合比的混凝土而言，其絕熱狀態(tài)下的溫度升高值可以認(rèn)為是固定的?；炷寥肽囟仍礁?，其放熱量達(dá)到峰值時內(nèi)部最高溫度越高。當(dāng)環(huán)境溫度一定時，混凝土內(nèi)部與隧道環(huán)境之間的溫度梯度越顯著，襯砌混凝土自身非線性溫度應(yīng)力越大?；炷寥肽囟扰c水泥、粗細(xì)骨料、用于拌和的水等主要原材料的溫度密切相關(guān)，在工程實踐中可通過降低原材料溫度來實現(xiàn)對混凝土入模溫度的控制。尤其在夏季施工中，對該參數(shù)進(jìn)行控制更為重要。TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》規(guī)定，混凝土的入模溫度不宜超過30 ℃，且與混凝土接觸的介質(zhì)溫度不宜超過40 ℃。

3.2.2 選擇適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)方式

在隧道襯砌混凝土澆筑完成后進(jìn)行適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)是降低其溫度梯度的重要途徑之一。目前，國內(nèi)外隧道襯砌混凝土主要采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)、氣霧養(yǎng)護(hù)、噴水和涂膜等養(yǎng)護(hù)方式。其中，對降低隧道襯砌混凝土溫度梯度最為有效的是氣霧養(yǎng)護(hù)。氣霧養(yǎng)護(hù)是采用蒸汽或噴霧的方式對隧道襯砌混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，使其表面保持在較高的溫度水平，從而徹底消除隧道襯砌混凝土早齡期溫度梯度，降低非線性溫度應(yīng)力和開裂風(fēng)險。在工程實踐中，可通過養(yǎng)護(hù)臺車實現(xiàn)對隧道襯砌混凝土的氣霧養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)臺車不僅可以對養(yǎng)護(hù)過程中的溫度、濕度進(jìn)行實時監(jiān)控，還可以實現(xiàn)對養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的自動采集、記錄、存儲和傳輸。

4 結(jié)論

1）鐵路隧道襯砌混凝土裂縫依據(jù)產(chǎn)生的原因可分為荷載裂縫和非荷載裂縫，其中非荷載因素導(dǎo)致的裂縫占總裂縫數(shù)的50%～70%。

2）導(dǎo)致隧道襯砌混凝土非荷載裂縫產(chǎn)生的因素主要包括溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。隧道襯砌為大體積混凝土，其非荷載裂縫主要是由溫度應(yīng)力導(dǎo)致的。

3）隧道襯砌混凝土在澆筑完成后由于水泥水化放熱，其內(nèi)部溫度逐漸升高。同時，在與環(huán)境熱量交換過程中也在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度?？拷淼纼?nèi)部溫度梯度較大，而靠近初期支護(hù)一側(cè)溫度梯度相對較小。

4）通過降低襯砌混凝土整體水化溫升值和控制邊界溫度梯度，可降低隧道襯砌混凝土溫度開裂風(fēng)險。降低水化溫升值可通過使用低熱水泥、礦物摻和料和水泥水化抑制材料來實現(xiàn)；控制邊界溫度梯度則可通過控制混凝土入模溫度、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)的方式實現(xiàn)。