隧道衬砌裂缝基于断裂力学的简要分析

隧道衬砌裂缝基于断裂力学的简要分析

岳善钧

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400041

摘要：隧道构砌是承受围岩压力，防止隧道垮塌的主体混钢筋凝土结构。由于隧道衬砌其受力复杂以及容易受地质条件、温度变化等因素，隧道衬砌易产生裂缝，影响隧道的正常运营。因此，基于断裂力学理论对衬砌裂缝进行简要分析，有利于在实际工程中预防和控制裂缝，减小对隧道安全运营影响。

关键词：隧道衬砌、裂缝、断裂力学

1引言

   自改革开放以来，中国的经济取得了快速的进步，为了迎合经济快速发展的趋势，中国的基础设施建设也迫在眉睫。近些年我国交通基础建设处于飞速发展的阶段，特别是在西部地区，由于山地较多，在建或已经建成的隧道的数量日益增加。显然目前，我国已经是隧道大国、强国，其数量规模都是世界之最。然而，由于施工、设计、地质条件等因素的影响，隧道建成后在运营过程中，其病害普遍存在。而裂缝和漏水是主要病害，故应当引起重视。由于裂缝在隧道中普遍存在且目前对这方面的研究比较少，对隧道裂缝的研究是十分必要的，本文简要介绍通过基于断裂力学分析隧道裂缝开裂，有助于解决隧道工程中衬砌结构开裂问题。

2隧道衬砌裂缝

   当公路隧道出现衬砌裂缝时，其表衬砌层会出现开裂、脱落等情况，轻则造成隧道渗水、漏水，表层脱落严重的会影响隧道内壁的承重能力，导致隧道内部结构失稳，甚至造成垮塌等严重的安全事故。因此，不能忽略衬砌裂缝带来的严重性。衬砌裂缝可以根据裂缝走向将其分为竖向裂缝、纵向裂缝、环向裂缝，不同种类的裂缝的处理方式不尽相同。

3断裂力学理论

断裂力学是研究含裂纹材料或结构的强度及裂纹扩展规律的学科;断裂力学可以归类为固有的线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学;线弹性断裂力学适用于裂纹尖端附近的小屈服区，弹塑性断裂力学适用于裂纹附近的大屈服区。

3.1线弹性断裂力学

⑴ 线弹性断裂力学以线弹性理论为基础，其断裂形式总体可以分为三种基本断裂类型组合：Ⅰ型（张开型）断裂（见图1）、Ⅱ型（滑移型）断裂、Ⅲ型（撕裂型）断裂。

⑵线弹性断裂力学最主要的理论为应力强度因子理论，作为线弹性断裂力学最重要的力学参量，体现了裂纹尖端附近的应力和位移场[4]。

以Ⅰ型（张开型）断裂为例，其裂纹端部区域（r→0）的应力分量可以应用弹性理论解得为：

应力分量的表达式可以看出, 取决于载荷和裂纹尺寸,所以最它是决定裂纹尖端区域的应力分量的公共因素值,即是裂纹尖端区域应力场强度因子，记为，故[4]。

可见当裂缝形状、大小一定时，K是随着应力的增大而增大，当增大到某一临界值即： 时，裂纹前某一区域的内应力σ大到足以使材料分离，从而会导致裂纹扩展失稳和构件断裂;此时相对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，即表现了材料的断裂韧性[4]。

3.2弹塑性断裂力学

当裂纹尖端存在较大的塑性区时，线弹性断裂理论不再适用，则必须采用弹塑性断裂力学理论进行分析;目前用来研究弹塑性断裂类学的方法已经有多种，但还是主要以COD法和J积分法最为普遍。

COD法或J积分法同应力强度因子本质一样，都是当荷载增加到一定程度，该值达到临界值，裂纹就会扩展从而是结构断裂破坏，这个临界值就是材料的断裂韧性。

4.隧道衬砌裂缝基于断裂力学的应用

    隧道衬砌裂缝产生的原因有多种，目前来说主要有三种即衬砌所受到的外部力、衬砌自身的材料性能、施工原因；其中与断裂力学直接相关的是衬砌自身的材料性能。隧道衬砌结构为混凝土结构，混凝土是由水、石子、水泥等组成的混合物，不同等级的混凝土其性能差距较大。当混凝土硬化后，受到外部压力、温度等变化，其内部应力会发生变化，从而使其易开裂产生裂纹。

    ⑴基于线弹性断裂力学理论，衬砌结构为钢筋混凝土结构，所以可通过实验测的该混凝土的临界应力因子。应力因子与衬砌所受的应力σ有关，因此可通过有限元软件模拟出隧道衬砌结构受力情况，得出衬砌的应力值再计算出实际应力因子K值。从而可判断出该混凝土材料性能是否满足；有利于工程项目的安全施工以及运营。

⑵基于弹塑性断裂力学理论，通过理论计算得出混凝土的COD值或者利用J积分得出其临界值，同样再通过有限元软件模拟得出结构的实际受力情况，算出实际COD值和J积分值，两者进行对从而判断该混凝土性能是否达到要求；以及达到要求后，运营过程中是否会产生对衬砌自身有危害的裂缝。

5总结

    ①隧道工程属于地下项目，与桥梁道路相比，其受力情况更加复杂。不同地质条件下的围岩情况相差较大，应力分布存在不均匀性；地下水丰富的地层，在施工中会带来较大的水压力和渗水，在运营中会长期浸蚀混凝土，从而导致混凝土开裂，间接地危害隧道结构安全。

    ②衬砌三种裂缝中，纵向裂缝对隧道的危害性最大。相比竖向裂缝、环向裂缝，纵向裂缝容易引起结构失稳，混凝剥落等。因此，在隧道运营过程中要随时做好检测工作，若发现较大的纵向裂缝出现应该及时关闭隧道进行修复，防止危害行驶车辆。

③与其他传统力学相比，断裂力学可归纳为较新型的学科。通过学习《工程断裂力学基础》这门课，简要的了解断裂力学理论知识点，可发现断裂力学的理论知识适用于隧道衬砌裂缝的处理。基于断裂力学，通过对实际工程项目数值模拟得出实际参考值，与理论值对比可判别混凝土材料开裂性能，以达到有效处理衬砌裂缝的目的。

④隧道衬砌无论怎么设计，归根结底还是钢筋混凝土结构。作为混凝土结构受压能力往往是很强的，但是抗裂能力还是存在不足，若遇到特殊地质或者存在偏压的可能，都很大的可能导致衬砌产生裂缝进而开裂。因此，需要从混凝土材料本身的性能入手，利用断裂力学理论基础，提高混凝土材料自身的应力强度因子临界值或者COD临界值值、J积分临界值，从而增强混凝土的抗裂能力。

⑤现代隧道施工主要采用新奥法技术，合理的利用了围岩自承能力，所以在修建隧道是可以支挡和加固围岩，提高自身承受压力的能力，从而减小衬砌的承担力；若裂缝以及产生，但是结构还是具有很强的稳定性，可考虑通过喷锚技术修复裂缝或者在裂缝之间加一定的粘合剂修补裂缝。对于，裂缝开展已经接近失稳或者出行混凝土剥落的状态时，应当快速对整体衬砌结构套拱加固，重新模筑混凝土衬砌。

        参考文献

[1]张龙. 隧道裂缝形成机理及发展规律研究[D]. 重庆交通大学，2017

[2]齐西力. 基于断裂力学与扩展有限元对混凝土开裂扩展的研究[D]. 贵州大学，2017

[3]张永. 公路隧道衬砌裂缝因素分析与治理[J]. 黑龙江交通科技，2021

[4]洪起超. 工程断裂力学基础[M]. 上海:上海交通大学出版社，1986