隧道衬砌裂缝的力学行为分析

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

引言

我国地域自然条件差异较大，由于气候、地质等条件的不同，已经开通运营的隧道经常会出现一系列的病害,如隧道的衬砌裂缝、拱顶 的空洞、隧道的渗漏水、衬砌的腐蚀、隧道冻害、围岩大变形、衬砌厚度薄、混凝土强度低、隧道内空气污染等病害，其中最常见的病害是隧道衬砌的裂缝，隧道衬砌产生裂缝严重影响结构安全的稳定性，降低了结构的安全度。此外，如果不妥善处理裂缝，衬砌就会漏水，这不仅会影响隧道的正常运营，而且造成各种材料的腐蚀损坏， 路面积水使行车环境恶化，降低行车速度，影响行车安全,因此对隧道衬砌产生裂缝后的受力性能进行研究是十分必要的[1-3]。本文以重庆市渝中区某隧道为依托工程，采用有限元数值模拟方法，对开裂和未开裂隧道的受力性能进行比较，并详细探讨裂缝深度对隧道稳定性的影响。

一、隧道概况

该隧道所在鸿恩寺片区为江北区城市拓展区域。周边交通发达、路网环绕，外接江北滨江路、华新分流道、三横线等几条高等级市政道路，畅连重庆主城各区，距市中心、机场及市内各区均在20分钟左右车程。

隧道设计左、右线采用连拱双洞单向三车道隧道方案，在满足平面线型布设要求前提下，两隧道线路测设中线间间距为15m。其中隧道左线位于曲线半径R=2200(4000)m的圆曲线上，隧道纵坡1.25%，右线位于曲线半径R=1500(2500)m的圆曲线上，隧道纵坡1.25%。左线隧道起止桩号为：ZK0+100～ZK0+840，隧道全长740m，右线隧道起止桩号为：YK0+100～ZK0+840，隧道全长740m，属中隧道。隧道衬砌裂缝概况如下：

(1)拱壁部位裂缝主要以纵向的裂缝为主，裂缝的长度0.5～3m， 宽度为0.4～5mm不等。

(2)衬砌边墙分布斜向裂缝和纵向裂缝为主，裂缝长度0.6～3m不等。

(3)对该隧道裂缝分布统计大致结果如下：①纵向裂缝，占裂缝长度的比例57.3% ，拱腰、拱顶、拱脚、边墙占裂缝长度的比例分别为 38.7%、39.9%、5.2%、16.2% ；②斜向裂缝，占裂缝长度的比例 31.5% ，部位为拱部和边墙；③环向裂缝，占裂缝长度的比例 11.2%,部位为拱部和边墙。

二、有限元模型

根据工程前期的地勘报告及其他相关资料，本文对围岩、隧道支护结构的参数取值如下表1、2所示。

表1 围岩参数取值

表2 隧道支护参数

本文通过Midas/GTS NX三维有限元软件来对隧道进行模拟。该工程的隧道埋深33.5m，划分网格时，采用GTS NX自带的混合网格生成器，软件会自动根据用户事先给定的线段划分长度并在考虑节点耦合的情况下，生成疏密有致的以六面体单元为主，四面体单元为辅的网格，围岩采用3D实体单元，隧道的混凝土衬砌采用2D板单元，锚杆采用1D的植入式桁架单元，裂缝的位置选取最容易产生纵向裂缝的拱顶位置。

三、数值模拟

(一)出现裂缝与未出现裂缝分析

本文通过在隧道拱顶处出现一道裂缝来进行计算分析，为了更好地对结果进行对比和说明，本文将先对不含裂缝的模型进行计算，得到不含裂缝模型的位移和应力以后，再分析含裂缝模型的位移及应力。表3中列出了相关计算结果。

表3 沉降值计算结果比较

不管是对隧道的拱顶，还是边墙和底板，裂缝的存在对位移影响都比较小，但应力却比不存在裂缝的模型增加很多，计算结果表明，一旦隧道二衬出现了沿纵向的裂缝，隧道便处于很大的风险之中，衬砌部分的应力可能会超出材料的强度极限。

(二)不同裂缝深度分析

为了进一步了解裂缝的深度对隧道的影响，现选取裂缝深度a=5cm，a=10cm，a=15cm，a=20cm这4种工况进行有限元数值模拟计算分析，并对比拱顶沉降、裂缝尖端应力，结果见表4。

表4 4种工况计算结果比较

通过四种工况下沉降及裂缝尖端第一主应力、第三主应力之间比较分析可以得出，在已经运营的隧道荷载一定的情况下，裂缝深度越大，拱顶沉降、应力越大，裂缝尖端的应力集中现象也就越明显，最终应力达到材料的强度极限，从而导致结构的失稳性破坏。

四、结语

本文运用Midas/GTS NX三维有限元软件，结合重庆市渝中区某隧道的实际情况建立了三维模型对隧道衬砌结构产生裂缝后的力学性能进行了探讨，得出如下结论:

(1) 一旦衬砌出现纵向裂缝，则相应部位的应力会大大增加，最大应力集中在裂缝的尖端处，当应力超过了某一临界值，裂缝将会扩展，隧道就会发生失稳破坏，严重影响了隧道结构性安全性。

(2)在已运营隧道的荷载一定的情况下，裂缝深度越大，拱顶沉降、应力越大，裂缝尖端应力集中的现象越明显，最终应力达到材料的强度极限，从而导致隧道的失稳性破坏。