公路隧道二次襯砌砼溫差收縮裂縫的分析與防治!230

分析與防治[摘要]公路隧道二次襯砌砼由于溫差收縮引起的裂縫較為常見，一般有較強的規(guī)律性。本文結(jié)合工程實際，用砼彈性理論對溫差收縮引起的裂縫進行分析，并提出預(yù)防和處理措施。關(guān)鍵詞公路隧道二次襯砌溫差收縮裂縫理論分析防治措施1引言公路隧道在高等級公路中的比重較大，施工中存在的一些質(zhì)量問題也較為突出，最為常見的是二次襯砌砼的裂縫。二次襯砌砼的裂縫一般分受力裂縫和溫度裂縫，許多文獻[1]、[2]、[3]進行過分析和探討。本文對現(xiàn)有文獻較少涉及的二次襯砌砼由于溫差收縮引起的裂縫作一討論。通過近年來的調(diào)查表明，幾乎所有的公路隧道均存在不同程度的二次襯砌砼溫差收縮裂縫現(xiàn)象。公路隧道二次襯砌砼溫差收縮裂縫與一般的溫度收縮裂縫有所不同，它有較強的規(guī)律性，一般出現(xiàn)在每模的施工縫或施工縫之間，裂縫一般呈豎直狀。筆者對某高速公路隧道100模（每模施工長度12.5）二次襯砌砼進行調(diào)查，有20模二次襯砌砼出現(xiàn)30條豎直狀裂縫，裂縫一般在立墻與基礎(chǔ)相接處較寬，靠近拱頂處較窄，且逐漸消失或很微細(xì)；裂縫處離施工縫的長度與每模施工長度的比（）為：占，占，占；裂縫平均長度，最大裂縫寬度，平均寬度。為了分析這些裂縫產(chǎn)生的原因，筆者用彈性理論對隧道二次襯砌砼進行分析，并提出預(yù)防和處理措施，供參考。2理論分析2．1應(yīng)力計算如圖1，隧道基礎(chǔ)與拱型分兩次襯砌，在基礎(chǔ)和拱型外側(cè)為錨噴砼，二次襯砌砼與錨噴砼結(jié)構(gòu)yy30R=587 50114250xdx70圖1隧道斷面圖之間夾有防水土工布。目前防水土工布通常為復(fù)合型結(jié)構(gòu)，與二次襯砌砼相接觸的為橡膠防水層。以每模襯砌為一個計算單元，隧道拱型二次襯砌砼臂厚為，平均弧長為，每模襯砌施工長度為，任意點的水平位移為。在負(fù)溫差作用下，砼產(chǎn)生收縮，假定周邊的摩阻力限制隧道二次襯砌變形的剪應(yīng)力與該點的水平位移為成正比，則，（1）式中：為二次襯砌周邊摩阻力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，為二次襯砌底部與基礎(chǔ)之間摩阻力產(chǎn)生的剪應(yīng)力，為隧道拱型外側(cè)的土工布對二次襯砌的水平摩阻系數(shù)，為隧道基礎(chǔ)對二次襯砌的水平摩阻系數(shù)，單位為。從隧道某處截取微段，平衡微分方程[4]為（2）即（3）（4）式中：為約束位移，為砼的線膨脹系數(shù)，為溫差。由彈性力學(xué)理論，得（5）由式（3），微分得（6）即（7）由式（3）、（7），得（8）令（9）（10）式（10）為線性二階常微分方程，其全解為（11）式中：、為積分常數(shù)，由邊界條件確定：當(dāng)，（每模襯砌施工長度的中點為不動點），則；2）當(dāng)（每模襯砌施工縫處為自由端），。由式（5）、（6）、（11）得，（12）于是將上式代入式（11）得變位（13）法向力（14）剪力（15）（16）考慮到砼的徐變，上述應(yīng)力乘上應(yīng)力松馳系數(shù)0.3～0.5,以表示，則最終二次襯砌砼的應(yīng)力為（17）當(dāng)時，應(yīng)力為最大（18）2．2伸縮縫間距和裂縫寬度計算2.2.1伸縮縫間距由于砼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為，當(dāng)最大應(yīng)力時，砼達到極限拉伸變形，即，于是由式（18），得（不計徐變影響）（19）當(dāng)溫差為正（升溫）時，為壓應(yīng)力，為負(fù)值；當(dāng)溫差為負(fù)（降溫）時，為拉應(yīng)力，為正值。為了計算方便，取絕對值計算，將式（10）代入式（19），則最大伸縮縫間距為（20）由式（18）可知，當(dāng)時，二次襯砌最大可能在中間開裂，則伸縮縫最小間距為（21）實際計算時，一般取平均值：（22）2.2.2裂縫寬度由式（13）可計算兩端部的水平位移，如果此處沒有施工縫，或伸縮縫，二次襯砌將在處開裂，也就是說，兩端部水平的兩倍就是裂縫的寬度，由此可求出最大裂縫寬度。由式（13）裂縫寬度（）計算公式為（23）考慮到砼的徐變，上述裂縫的寬度需乘上松馳系數(shù)（0.3～0.5）。由裂縫間距計算公式（20）～（22）可最大裂縫寬度、最小裂縫寬度、平均裂縫寬度為（24）（25）（26）3．計算實例某高速公路隧道斷面如圖1，二次襯砌砼為30號，臂厚為，平均弧長為，砼基礎(chǔ)高度，每模襯砌施工長度為。與二次襯砌砼相接觸的橡膠防水層摩阻系數(shù)很小，取，砼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度為，砼彈性模量，砼達到極限拉伸變形，砼的線膨脹系數(shù)/。2000年8月10施工第一組二次襯砌砼，3個月后發(fā)現(xiàn)溫差裂縫，溫差估計為。在本例中，二次襯砌砼與基礎(chǔ)砼的施工縫較為完善，在未達到極限剪應(yīng)力以前，可近似地可認(rèn)為二次襯砌砼與基礎(chǔ)砼是一個整體，而地基與基礎(chǔ)的粘結(jié)又是很牢固的。由于二次襯砌砼受到基礎(chǔ)砼的約束，在負(fù)溫差作用下二次襯砌砼不能自由變形，而基礎(chǔ)也同樣不能自由變形，因此二次襯砌砼收縮只能是基礎(chǔ)產(chǎn)生剪切變形，當(dāng)剪切變形達到極限變形時，基礎(chǔ)與二次襯砌砼之間的摩阻力達到最大剪應(yīng)力。由材料力學(xué)可知：，（27）式中：為基礎(chǔ)砼的極限剪切應(yīng)力，為基礎(chǔ)砼的剪切彈性模量，為基礎(chǔ)砼的極限剪切應(yīng)變，為基礎(chǔ)砼的泊松比（等于），取。根據(jù)剪應(yīng)力互等定律，由式（1）得（28）系數(shù)計算：收縮相對變形[4]：式中的指數(shù)90為砼3個月的齡期。砼收縮當(dāng)量溫差：總降溫差：在負(fù)溫差作用下，二次襯砌砼的最大拉應(yīng)力為最大伸縮縫間距現(xiàn)每模施工長度12.5已超過最大伸縮縫間距，可見在每模施工長度內(nèi)二次襯砌砼要開裂。伸縮縫最小間距平均伸縮縫間距最大裂縫寬度為最小裂縫寬度平均裂縫寬度由以上計算可知，理論分析與實際結(jié)果基本吻合。4預(yù)防和處理措施4．1預(yù)防措施從某公路隧道二次襯砌砼出現(xiàn)溫差收縮裂縫的施工過程看，2000年8月10施工第一組二次襯砌砼，3個月后發(fā)現(xiàn)溫差收縮裂縫，12月底隧道貫通，此后施工的二次襯砌砼未見溫差收縮裂縫。這里主要有以下幾方面原因：一是因為在2000年8～12月這段時間隧道沒有貫通，空氣不對流，外界溫度與隧道內(nèi)部溫度熱平衡較差，不利于二次襯砌砼施工升溫?zé)崃康募皶r散發(fā)；二是外界溫度最高的8～9月份，二次襯砌砼產(chǎn)生溫差收縮裂縫的數(shù)量最多，除了在每模施工長度的一半處（的占）附近產(chǎn)生溫差收縮裂縫外，并且在（的占）附近產(chǎn)生二次溫差收縮裂縫；三是由于采用泵送模注砼，二次襯砌砼的水灰比過大，砼收縮徐變大；四是二次襯砌砼拆模后養(yǎng)護不及時，沒有及時灑水養(yǎng)護砼，以起到養(yǎng)護和降溫的雙重作用。根據(jù)公路隧道二次襯砌砼出現(xiàn)溫差收縮裂縫的實際情況，在施工和維護過程提出以下預(yù)防措施，并提倡以預(yù)防為主的指導(dǎo)思想。、盡量提前隧道貫通時間，有利于加快外界溫度與隧道內(nèi)部溫度的熱平衡，產(chǎn)生空氣對流，降低二次襯砌砼施工升溫，減少溫差。、盡可能避開高溫季節(jié)或高溫時間施工二次襯砌砼，或減短每模施工長度，并加強初期養(yǎng)護，灑水降溫。、減小二次襯砌砼的水灰比，適量摻加添加劑，如減水劑，提高砼的和易性。4．2處理方法從公路隧道二次襯砌砼出現(xiàn)溫差收縮裂縫的理論分析和實踐來看，如果初期支護的防水性能不存在缺陷的話，這種裂縫寬度一般是有限的，不會無限制擴大，故對結(jié)構(gòu)不會造成嚴(yán)重的危害性。從2000年11月開始，筆者對某公路隧道進行5個月的連續(xù)跟蹤觀察，30條溫差收縮裂縫的寬