摘要：对于初期支护的设计,业界现在已达成比较一致的看法，换句话说，在相同的开挖断面、相似的地质条件下初期支护设计都是大同小异的。但对于二次衬砌的厚度、是否需要配筋的看法则有很大的不同。而二次衬砌直接关系到开挖断面的大小和工程造价。公路隧道混凝土二次衬砌结构裂缝的出现是不可避免的，而裂缝的出现将迅速的加快其腐蚀劣化过程。本文首先对隧道衬砌构件裂缝的成因及其对衬砌结构耐久性的影响进行了分析。然后结合某次静力实验裂缝观测、统计结果，根据建立的隶属度函数对裂缝诸因素的隶属度进行了计算，并运用最大隶属度原则对裂缝对衬砌结构耐久性的影响程度进行了模糊综合评价。
　　关键词：裂缝 公路隧道 二次衬砌 耐久性 隶属度函数
　　
　　公路隧道工程由于其工作环境的特殊性，如侵蚀性地下水的渗漏、汽车尾气产生的有害气体的侵蚀等，均会导致隧道结构混凝土腐蚀及钢筋锈蚀等多种病害产生。在影响耐久性的因素中，裂缝起着主要的作用。裂缝的出现将迅速加快以上的腐蚀过程，使隧道结构未达设计基准期即需大修，既浪费了大量资金，又影响隧道的正常使用，缩短了隧道的维护周期和使用寿命，严重时还会威胁隧道内行车的安全。
　　而长期以来，国内外学者对地下结构的耐久性研究严重不足，研究裂缝对衬砌钢筋混凝土结构耐久性影响规律的文献更是寥寥无几。因此有必要针裂缝对衬砌结构耐久性的影响开展定量研究，为公路隧道的耐久性评定及加固维护提供必要参考。
　　为此，本文针对裂缝对公路隧道结构的耐久性影响相关问题进行了全面系统研究。论文首先对公路隧道结构裂缝的成因及其对管片结构耐久性的影响进行了分析，然后采用模糊集理论（Fuzzy set theory）研究、评价了了裂缝的宽度、长度、方向和密度等因素对衬砌结构耐久性损伤度的单独和综合影响。
　　1 二次衬砌裂缝的成因
　　隧道施工中，因受现场管理和客观因素和的影响，变形形式及对工程影响的大小不同，隧道二次衬砌混凝土裂缝类型常见几种类型有:干缩裂缝、温度裂缝、因外力作用造成的变形裂缝、施工处理不当引起的施工缝、混凝土徐变造成的裂缝等。
　　干缩裂缝：所谓干缩裂缝是指由于水分蒸发造成混凝土干缩产生变形从而导致混凝土产生裂缝。此外，混凝土在硬化过程中，受围岩和模板的约束而产生应力，当应力值超过混凝土的抗拉强度时，也会出现干缩裂缝。因此，干缩裂缝多为表面性。影响混凝土干缩裂缝的因素主要有:水泥品种、水灰比、骨料级配、外加剂品种和掺量等。
　　温度裂缝：混凝土具有热胀冷缩的性质，其线膨胀系数一般为1×10-5/℃。当环境温度发生变化时，混凝土内部和表面间形成温差而产生应力，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生温度裂缝。
　　外力作用造成的变形裂缝：结构混凝土受荷后产生裂缝的因素很多，例如早期受震、拆摸过早或方法不当、仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净、混凝土浇筑后，基底产生不均匀沉降等。在荷载作用下往往出现不同程度的裂缝。
　　施工缝(接茬缝)：施工过程中由于停电、机械故障等原因造成混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，而没有进行凿毛处理，接缝处没有设置连接筋，或者没有铺水泥砂浆垫层，就在原混凝土表面浇筑混凝土，致使新旧混凝土接茬间出现裂缝。
　　混凝土徐变：混凝土徐变造成开裂或裂缝发展的例子也很常见。主要是截面混凝土受压徐变，致使混凝土变形增加2～3倍；因徐变产生较大的应力损失，降低了混凝土的抗裂性能，以至于产生徐变裂缝。
　　总之，混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。但大多还是现场施工工艺或现场操作不规范造成的。
　　2 裂缝对衬砌结构耐久性的影响
　　一般来说，裂缝的出现对结构的耐久性的影响主要有以下三个方面：①使结构刚度软化出现大的变形。如果混凝土出现裂缝，将有部分混凝土退出工作，从而减弱构件刚度，影响结构的正常使用；②影响外观：随着裂缝的发展致使混凝土构件外表装饰层脱落；③加快混凝土材料的裂化和和内部钢筋的腐蚀。加速构件抗力劣化，出现承载力不足安全性破坏。相比之下，笔者认为前两者对衬砌结构耐久性的影响不大，应主要考虑裂缝对混凝土腐蚀和内部钢筋腐蚀的影响。
　　衬砌内侧（通道内）裂缝的出现，则会使CO2更容易向混凝土内部扩散，加快了砼的碳化。同时，裂缝增大了混凝土的渗透性（裂缝中水的渗流与其开度近似成立方关系），另外混凝土裂隙壁对溶液中的离子有较强的吸附作用，相当为离子向混凝土内部的扩散提供了较为稳定和较高的表面浓度。因此，衬砌外侧（与土壤地下水直接接触）裂缝的出现，会加剧侵蚀性离子在衬砌中的侵入过程。另外，裂缝的出现，相当于减小了混凝土“保护层”的厚度，也缩短了外界腐蚀介质达到钢筋表面所需要的时间，因而也加速了衬砌混凝土的劣化。因此，裂缝的出现会加速衬砌混凝土的碳化和腐蚀过程，加速钢筋表面钝化膜的脱钝，进而加快钢筋的锈蚀。
　　而衬砌钢筋锈蚀产物的膨胀作用和混凝土腐蚀又会引起自身开裂。因此，裂缝加剧腐蚀的产生和发展，同时腐蚀作用又进一步增加了裂缝的数量，加大了裂缝的宽度，更进一步加剧了腐蚀的发展。这样，循環往复形成了一种恶性循环，最终将导致结构由于耐久性不足引起的失效。图(1)给出了衬砌结构中裂缝与腐蚀的相互关系。
　　就结构整体而言，除胀裂裂缝外，一般的裂缝对腐蚀发展和影响不很严重。但是，应该注意的是在裂缝的初期，裂缝对区域腐蚀的发展还是相当显著的，只是随着时间的推移，这种影响逐渐减弱。实质上，裂缝对腐蚀的影响不能简单定论，它是与众多因素有关的一个复杂问题。评价裂缝的影响，应该综合考虑裂缝的成因、宽度、长度、位置、方向和分布密度等因素的影响。
　　3 裂缝对衬砌结构耐久性影响的模糊评价
　　由于衬砌砼内部裂缝难以观测，因此笔者拟仅研究其表面裂缝宽度、长度、方向和密度等因素的影响，显然这些因素对衬砌结构耐久性的影响是难以给出精确描述和定义，因而具有模糊性。一方面，直接影响钢筋锈蚀的裂缝是钢筋表面裂缝而非砼表面裂缝，它们之间并且无明确的关系。另外，裂缝诸因素对衬砌构件的耐久性损伤并不能规定一个明确的标准来判定，因此描述其耐久性损伤的语言具有模糊性。因此，适合用模糊数学方法来评价裂缝诸因素对管片结构耐久性损伤。鉴于此，笔者拟通过分别构建模糊隶属度函数以评价裂缝宽度、长度、方向和密度等因素对衬砌结构耐久性损伤，并运用最大隶属度原则对以上因素对衬砌结构耐久性损伤进行模糊综合评价。
　　以上因素对混凝土耐久性损伤影响的模糊隶属度函数的确定应该通过模糊统计分析得出，在缺少大量统计资料的情况下，可按照部分调查和实验结果及专家经验确定。这样，通过对隧道现场内侧衬砌或模型试验（静、动力试验和土壤环境下腐蚀试验）中衬砌砼表面裂缝进行观测、统计，即可以掌握裂缝对衬砌结构的耐久性影响状况，又为隧道的加固维修提供参考。