大跨度隧道二衬混凝土早期裂纹数值模拟与分析.pdf

2 0 1 4 年 第 2 期 (总 第 2 9 2 期 ) Nu mb e r 2 in2 0 1 4 ( T o t a l No ． 2 9 2 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RE 1 1 CAL RES EARCH d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 2 ． 0 0 1 大跨度隧道二衬混凝土早期裂纹数值模拟与分析 李明华 。邹永祥 ( 华东交通大学 ，江西 南昌 3 3 0 0 1 3 ) 摘要： 隧道二衬混凝土开裂现象在隧道施工中时有发生 ， 尤其是在不受外力作用时形成裂纹的原因更是让建设者难以处治 。 就背景工程出现类似问题 ， 通过理论计算与数值模拟， 探求混凝土结构本身 的受力情况 ， 结合施工工艺、 施工环境 、 混凝土养护 、 施工干扰等方面因素 ， 对混凝土开裂问题进行系统分析 ， 找出开裂原因， 为建立相应处治措施提供参考 。 关键词： 隧道；二次衬砌 ；裂纹 ；模拟；分析 中图分类号： T U 5 2 8 ． 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 ～ 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 2 — 0 0 0 1 — 0 4 Nu m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d a n a l y s i s o f t h e e a r l y c r a c k s e c o n d a r y l i n i n g c on c r e t e i n l a r g e s p a n t u n n e l LIMi n gh u a， ZOU Yo n g xi a n g ( E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， N a n c h a n g 3 3 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c r a c k o f t u n n e l s e c o n d a r y l i n i n g c o n c r e t e O C C ~ S i n t h e t un n e l c o n s t r u c t i o n e v e r y n o w a n d the n ． E s p e c i a l l y f o r the c r a c k f o r m e d n o t a ff e c t e d b y e x t e r n a l f o r c e ． i t i s mo r e d i ffic u l t t o t a c k l e the i s s u e ． A s s i mi l a r p r o b l e ms a p p e a r i n s o m e e n g i n e e r p r o j e c t ， w e e x — p l o r e d t he s t r e s s c o n d i t i o n t he c o n c r e t e s t r uc t u r e i t s e l f h e l d b y me an s o f t h e o r e t i c a I c a l c ul a t i on a n d n ume r i c a I s i mul a t i o n． Co mb i n e d wi m t he c o ns t r u c t i o n t e c h n ol o g y， c o ns t r u c t i o n e n v i r o n me nt ， c o n c r e t e c u r i n g， di s t u r ban c e a n d S O o n， we fina l l y s ys t e ma t i c a l l y an a l y z e d the c o n - c r e t e c r a c k pr o bl e m ， f o un d o u t r e a s o ns f o r c r a c ki n g an d p r o vi d e a r e f e r e n c e f o r e s t a b l i s h i n g c o r r e s po n d i n g t r e a t me n t me a s ure s ． Ke y w o r d s ： t u n n e l ； s e c o n d a r y l i n i n g； c r a c k； s i mu l a t i o n ； an a l y s i s 0 引言 隧道裂纹或裂缝是隧道衬砌常见病害之一 ， 大多出现 在隧道建成 的早期 ， 有的甚至形成于修建过程中。 裂缝按产 状可分为斜裂缝、 纵裂缝 、 横裂缝和龟裂等。 按错动方式可 分为单 向错动 、 两 向错动和三向错动 。 按形成原因大致分为 干缩裂缝 、 温度裂缝 、 荷载变形裂缝 和施工缝。 隧道裂缝的 产生原因是复杂多变的， 其中主要包括地质、 设计 、 施工等 多个方面。 笔者以深厦高速铁路某隧道为背景， 以隧道二次 衬砌为对象 ， 通过建立模型进行数值分析， 研究在不受外 力影 响的情况 下 ， 不同工况 时的 自重 力状况 与影 响 ， 探讨 隧道施工过程中相关裂缝形成的原因。 1 二衬 的作 用与功 能 隧道支护通常分为两种 ： 一是初支完全受力 ， 等围岩 变形稳定 、 初支完全受 力的情 况下再 施作二衬 ， 二是初衬 与二衬共同受力， 这种说法基于围岩压力特大以及一些特 殊 围岩的特殊处理时用 。 按照新奥 法的基本原 理与系列原 则 ， 一般要等到围岩变形完成 了再施作二衬 。 二衬是在初期支护 内侧施作 的模筑混凝土或钢筋 混 凝土衬砌， 与初期支护共同组成复合式衬砌。 二次衬砌提供 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - -0 8 - 2 0 基金项 目：国家 自然科学基金项 目( 5 1 0 0 8 1 2 3 ) ／ ， 安全储备或承受后期围岩压力。 其作用主要有： ( 1 ) 增强结构的可靠性和承载能力。 主要体现在稳定 性差的v、 v I 级围岩中， 单靠初支不一定能确衬砌结构的可 靠性。 作为安全储备 ， 当隧道变形没有完全收敛时， 二衬能 对初支的持续变形起到约束作用。 ( 2 ) 保 障使用及 防水功能 。 尤其便 于在两次衬砌间设 置防水板 。 ( 3 ) 提高使用的耐久性。 ( 4 ) 增强外观整体美观和安全感 。 ( 5 ) 对于高速铁路而言 ， 隧道壁的粗糙度是对运营产 生负面影响的空气动力学效应影响因素。 2 工程 背景 厦深铁路照镜山隧道位于福建省漳州龙海市颜厝镇 境内， 全长 7 0 3 r n ( 包括洞门斜切段 3 0 m， 明洞 3 6 1 T I ) ， 属于 单洞双线隧道。 其中 I I 级 围岩 3 8 0 m， I I I 级围岩 8 0 m， 设计隧 道围岩、 初支 、 二衬参数如表 1 所示。 隧道施工从 出口往进 口独头掘进 ， 所有 Ⅱ 、 Ⅱ I 级围岩均 采用上下台阶法开挖， 开挖完成后进行底板及仰拱施工， 后 施作拱墙二衬 ， 二衬施作时间与初支基本间隔 2 个月以上。 隧道竣工后由第三方检测单位进行了无损检测， 混凝 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 照镜山隧道设计参数 土强度、 衬砌厚度均满足设计要求， 衬砌背后无空洞。 二衬 施工时在拱顶均预埋了注浆孔 ， 全部二衬完成后进行了注浆。 隧道施 工完成后 ， 发现隧道拱 顶有一通长纵 向裂纹 ， 基本分布于拱顶两侧 ， 深度在 5 m _ll l 左右 ， 宽度在 2 ra i n以 内， 且所有裂纹均分布在 Ⅱ 、 I I I 级围岩二衬无钢筋段。 3理 论 分 析 该隧为单洞双线， I I I 级围岩段衬砌厚度为 0 ． 4 m， 隧道 宽度为 1 2 ．2 m， 拱高 8 ． 3 8 1 T I 。 上拱为一半径为 6 ． 4 1 m的圆弧， 混凝 土为 C 3 0 ， 表 观密度取 2 5 0 0 k g ／ m， ， 根据现场情况 ， 视 隧道二衬不受围岩压力的作用， 只考虑自重作用。 把结构自 重简化为均布荷载 q = 1 0 k N m结构 ( 图 1 o 基本体系如图 1 所示 。 口 墓 ( a ) 双线铁路隧道结构简图 g f b ) 计 算简 图 图 1 隧道二衬 自重荷载示意图 任一点坐标 ： f i n cp ( 1 ) t y = R- Rc o s ~p 力法方程 ： 2 x 2 + A1p = 0 ( 2 ) ／ ~ 2 1 x l +82 92 + A , = 0 厂 ／ 2 = 8 ． 3 8 ／ 1 2 ． 2 > 1 ／ 5 ， 故计算位移时， 只考虑弯矩的影响， 计算 8 1 1 , 8 l 2 = 2 l 、 6 △ l p -, A ： E ／ $ = f "~2d s ，‰ 2 J R 钮 1 J 0 。 f I r E I 8 l2= = J l 山 j{ 2 0 E ／ a = = l 2 ( R — R c o s ~) R ~= E I a l 2 = r ‰ 2 l( R — R c o s ~p ) 2 R & p = E I 6 笠 J 0 2 尺 ， 6 l 1 2 R ( s i ) = 脚 l ( 3 ) 2 R ( 手 in ,p 0+ 4 s in 2 )= E 现 代入 ~ o = 1 0 8 。 = 1 ． 8 8 5 r a d得 ： {腑E I6 u = 3 ．．78 77 R ： I E l S z ~= 1 ．5 6 R 基本结构在荷载 q 作用下的弯矩方程为 ： } q ， R 2 s i n 2 ~ ( 4 ) ( 5 ) E I A Ip ={ M1 ． △ J M 2M p & m 一 n ㈦ } 酣 △ 2 f ( R — c 。 s ) (一 q- - RR R Esin Ecp )R d }—眦 2 J。 ( R — c o s ) )R f E I Alp一1 ． 0 9 q R I E I A ~ = 一 0 ．8 0 q R 把求得的6 6 12 = ~ 2 、 6 2 2 、 A l p , A 知 代人力法方程得： ／ 3 ． 7 7 x 1 + 1 ． 8 7 R x 2 - 1 ． 0 9 q R 2 =- 0 f X l= O ． 0 8 5 7 6 q R 【 1 ． 8 7 x l + 1 ． 5 6 Rx 2 - 0 ． 8 0 q R Z = 0 【 2 ： = 0 ． 4 1 q R { q = 1 0 一 3 5 2 4 。 m ( 7 ) t R= 6．41 m( x 2 =2 6 ． 2 8 k N ，拱顶 的弯矩 ： 3 5 ． 2 4 1 d m i =b 1 h 2 3 一 ( 8 ) 1 2 ( ) 6 M 。 式中 ： b ——隧道长度取 1 延长米 ； ^ ——衬砌厚度 0 。 4m。 代入计算式 o - ~= 1 ． 3 2 MP a ， 为最大拉应力。 引用结构力学求解器进行求解 ， 因为结构力学求解器 一 般 只能对杆件 、 组合杆件进行求解计算 ， 进 行隧道二次 衬砌的计算。 首先应该简化隧道二次衬砌结构， 本研究以双 线高速铁路隧道为背景研究， 把拱结构划分为简化为 2 1 段 刚性连接的杆件 ， 拱底的约束为 固定约束 ， 杆件采用均布 荷 载计算 ， 简化 以后 的图形 如图 2 。 经过计算得到 1 1 单元 1 ／ 2 杆处( 拱顶) 的轴力 -- - 2 6 - 3 k N， 弯矩 = 3 5 ． 2 k N m。 由于次隧道裂缝几乎都是在隧道衬砌的拱顶出现的， 而根据计算结果我们也可以发现拱顶的 1 0 、 1 1 单元的弯 矩最大 ， 根据材料力学杆件的最大拉应力是产生 的离轴线 距离最远的受拉表面， 其计算式是： fa = M ( m a x ) ／ W { W= b h V 6 I ( m a X ) ： 3 5 ．2 k P a 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 图 2 隧道二衬结构力学 1 ， 2 简图 式中 ： b —— 隧道单元长度 1 m； ^ ——二次衬砌衬砌厚度取 0 ． 4 m。 由计算式计算的最大拉应力为： 3 5 ． 2 x 6 ／ 0 ． 1 6 =1 ． 3 2 MPa 通过 以上分析可知 ， 拱顶拉应力为 1 ．3 2 MP a ， C 3 0 混凝 土抗拉设计值为 1 ． 4 7 MP a ， 抗拉极 限强度为 2 ． 2 MP a ， 隧道 衬砌的结构设计不是导致裂纹的原 因。 4 数值模拟分析 采用有限单元法引用 a n s y s 软件进行模型的建立 ， 将 三维的隧道力学 问题简化 为弹性力学理论 中的平面应变 问题后 ， 采用 a n s y s 软件进行分析 ， 选取 S o l i d ． Q u a d 4 n o d e 单 元 ， 单 元力 学模 型选 用 P l a n e s t r a i n 模 式 ， 采用 C 3 0混 凝 土 ， 其弹性 模量 为 3 0 G P a ， 泊 松 比为 0 ． 2 ， 表观密 度 为 2 5 0 0 k g ／ m3 。 建立几何模型 ， 划分网格采用 自由网格划分 ， 求解后的结构变形图 ， 应力 图如图 3 。 通过对不同工况下的 隧道二次衬砌的模拟分 析得到表 2结果 。 ( a ) 二次衬砌变形图 ( b ) 二次衬砌x 方向应力等直线 图 3 隧道二衬变形分析图 表 2 不同工况隧道拱顶位移、 拱顶拉应力 由试验知道 ， 早期混凝 土弹性模量 与轴心抗压强度有 关 ， 随着龄期的增长 ， 普通混凝土早龄期弹性模量增长速 度稍慢于抗压强度增长速度 ， 对各强度等级混凝土早期强 度与弹性模量变化规律进行回归分析 ， 混凝土早期强度与 弹性模量线性相关。 从表中数据及相关分析可 以得出如下规律 ： ( 1 ) 拱项位移及拱项拉应力与隧道跨度相关 ， 跨度越 大 ， 其值越大 。 ( 2 ) 拱项位移及拱项拉应力与衬砌厚度相关 ， 厚度越 大， 其值越小 。 ( 3 ) C 3 0 混凝 土的抗拉强 度设 计值 为 1 ． 4 7 MP a ， 极 限 强度 2 ． 2 MP a 。 当衬砌厚度小于 4 0 c m时 ， 拱顶所受的最大 拉应力均超 出设计值 ， 处于不稳定状态。 ( 4 ) 当 C 3 0 衬砌 厚 3 5 c m， 混凝 土强度达 1 0 0 ％时 ， 拱 顶所受的最大拉应力为 1 ． 5 1 MP a ， 仍超出设计值 ， 虽然结 构可能满足受力要求， 但容易极易出现裂纹。 ( 5 ) 衬砌的拆模时间越早其变形越大， 更容易产生裂 缝， 拆模时间应该在其强度大于强度设计值的 7 5 ％以上。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 6 ) 拱项位移及拱项拉应力与混凝土强度等级相关 ， 等级越高 ， 结构越安全 。 ( 7 ) 跨度厚度相同的混凝土 ， 混凝土等级越高 ， 拱顶位 移越小 ， 而拉应力越大 。 ( 8 ) 混凝土最大拉应力与设计值要求相差富余度不大 ， 甚至在设计强度 C 3 5 厚度 3 5 c m 的衬砌 上其拉 应力大于 设计值 ， 对施工的要求较高， 要求确保混凝土质量。 ( 9 ) 当二次衬砌 的厚度不足 的时候 ， 需要设 置抗拉钢 筋 以增强拱顶的抗拉刚度 。 ( 1 0 ) 设有钢筋时混凝土强度需要达 到 7 5 ％以上才能 共 同受力 ， 因此需要加强混凝 土的早期养护。 由上述 分析可知 ， 当混凝 土强度 在达到设计要求时 ， 双线 隧道二衬厚度达到 3 5 c m 以上 时结构才基本 安全 ， 而 如果现场因赶工期而过早拆模 ， 混凝土本身存在缺陷或养 护不到位， 则存在开裂的可能， 尤其是隧道在开挖过程中， 还存在很多致使混凝土开裂的外界诱因 ， 如机械噪声、 爆破 声与气流冲击等。 照镜山隧道产生裂纹的直接原因便是如 此 ， 因此隧道衬砌要在达到要求的情况下才能拆模 ， 并且 要做好养护工作， 方可避免裂缝的出现。 5结 论 无论是单线还是双线隧道 ， 在满足混凝土正常施工工 艺 、 养护 ， 确保拆模时间的前提下 ， 当隧道二衬的厚度达到 3 0 c m以上时， 混凝土结构基本能够满足要求， 一般不会出 现裂纹。 但混凝土是一种非均质材料， 其本身在成型的过 程中， 由于水化热、 施工工艺、 养护措施各方面的原因就会 使得混凝土本身存在缺陷， 在忽视了混凝土在早期强度未 能达到要求值 的情况下进行拆模 ， 将会导致混凝土过早的 、 p 承受 自身重力， 尤其是存在外部诱因的情况下出现裂缝， 因此隧道衬砌要在达到要求的情况下才能拆模 ， 并且要做 好养护工作 ， 方 可避免裂缝 的出现 。 因而对大跨度 隧道 的 二衬保证一定厚度， 加配钢筋、 保证足够的带模养生时间、 增加掌子面与二衬间的距离， 对减少隧道早期开裂的发生 十分必要。 参考文献 ： 【 1 ]唐春安， 等． 混凝土损伤与断裂——数值试验[ M ] ． 北京 ： 科学出 版社 ， 2 0 O 3 ． f 2 ]2 肖同刚， 等乌 鞘岭隧道岭脊段二次衬砌裂缝计算分析 地下 空间与工程学报， 2 0 0 7 ， 3 ( 1 ) ： 6 2 — 6 5 ． ( 3 】B ER NA NDE R S ． A v o i d a n c e o f t h e r ma l c o n c r e t e a t e a r l y a g e s s t a t e o f t h e a r t r e p o r t o n pr a c t i c a l me a s u r e t o a v o i d i ng e a r l y a g e t h e r - mal c r a c k i n g i n c o n c r e t e s t r u c t u r e [ J ] ． 【 4 】EMB ORG M， B E RN AND E R S ．As s e s s me n t o f r i s k o f t h e r mal c r a c k — i n g i n h ard e n i n g c o n c r e t e [J ] d o u ma l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 4 ， 1 2 0 ( 1 0 ) ： 2 8 9 3 — 2 9 1 2 ． f 5 15 张登祥． 混凝土早期收缩开裂理论与控制技术及其在桥梁工程 中的应用研究[ J 】 _桥梁工程， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 1 7 ． 【 6 ] 李明华． 大跨度无配筋隧道裂纹原因分析与处治方案研究『 J J _混 凝土， 2 0 1 2 ( 1 1 ) ： 1 2 2 — 1 3 1 ． 【 7 】 混凝土质量专业委员会， 等． 钢筋混凝土裂缝结构控制指南[ M】 ． 北京： 化学工业出版社， 2 0 0 4 ． 作者简介 联 系地址 ： 联系电话 ： 李明华( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 教授， 研究方向： 道路与铁道工程 施工。 江西省南昌市双港东大街 8 0 8 号 华东交通大学土木 建筑学院( 3 3 0 0 1 3 ) 1 3 97 0 0 7 2 581 三一首台盾构机贯穿北京地铁 1 月 1 3日 2 2 时 ， 在北 京地铁 6 号线 2 期 1 5 标段 隧道施工现场 ， 随着盾构机 巨大 的刀盘缓慢转动 ， 最后 一块洞 门混 凝土倒下 ， 三一重工首 台土压平衡盾构机准确贯穿隧道到达进洞 ， 现场响起雷鸣般的掌声和欢呼声 。 该盾构机从 2 0 1 3 年 1 0月 1 5日正式始发 。隧道 区间全长 1 0 6 4 m， 盾构机埋深在地下 1 0 ～ 1 5 m 之间 ， 历时 9 2 d ， 穿越 地质主要为粉细砂、 黏土等。三一重工服务人员与中铁五局工作人员一起， 努力做好了盾构机的维护和施工管理工作， 在 整个项 目施工过程中， 盾构整栅l 生 能可靠， 没有对地面的厂房、 民居、 道路、 桥梁等市政设施造成任何影响， 工程质量优良。 据介绍 ， 三一首台盾构机直径 6 ． 1 5 m， 长约 8 0 m， 重达 4 5 0 t ， 最大掘进速度为每分钟 8 c m， 平均 日进尺 1 1 ． 5 m， 单日 最高进尺 2 5 m， 单月最高进尺4 4 6 m， 工作性能丝毫不逊色于进口的同类型盾构机。 三一盾构发往工地现场后 ， 项 目组调 派精兵强将 ， 由机 、 电、 液 各类工程师和专业技术工人组成 的 1 0多人的服务团 队 ， 全程保驾护航 ， 完美地保障了盾构机 7 x 2 4 h从不 间断的应用或维护工作 。在客户工作人员和三一服务人员的团结协 作下 ， 三一盾构机一路高歌猛进 ， 顺利直达终点 。 除必要 的停机维护时间外 ， 因维修故 障而停机的时间从没有超过 2 4 h ， 这 也创造了一个 国内厂家应用首 台盾构机时停机时间最短的新纪录。 目 前 ， 三一已建立土压平衡盾构 、 泥水平衡盾构 、 岩石掘进机 、 顶管掘进机 、 敞 口式盾构等全类 型全规格覆盖的盾构装 备研制体系， 并逐步掌握核心技术。三一盾构机的整机硬件配置在同类盾构机中遥遥领先， 尽管盾构机将应用在黏土、 细 砂等要求不高的软土地层中， 项目组仍然采用了直径达 3 m的主驱动轴承和功率高达 8 0 0 k W 的变频电机驱动。正如客 户所说 ： “ 三一盾构机配置强悍 ， 只要更换一个专用刀盘 ， 盾构机即可直接适用砂 卵石或岩石地层 ， 这为我们将来在广州 、 深圳等城市承包隧道工程， 提供了一个高性价比的两全选择。 ” 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m