铁路隧道衬砌结构损伤演化分析及其对安全性的影响

摘要：针对铁路隧道衬砌结构裂缝病害分布发展不规律的问题，依托狮子洋隧道，建立铁路隧道有限元模型，分析不同裂纹长度、宽度和部位的隧道衬砌结构力学特性。研究结果表明：裂纹宽度为1mm、2mm和3mm时，其极限承载力降低3.95%、8.46%和19.54%。当裂纹宽度为3mm时，铁路隧道衬砌结构的安全系数接近规定安全限值2.0，由此表明，裂纹宽度为铁路隧道衬砌损伤的主要影响因素。

关键词：铁路隧道；衬砌；结构损伤；有限元模型；安全系数

0" "引言

隧道衬砌裂缝是一种重要的病害，其不仅会降低隧道承载力，还会损害其安全可靠度与稳定度，进而影响其正常服役，甚至危害行车与人员的安全[1-2]。衬砌裂纹是指衬砌中出现某些不连续现象，其可能由外力和环境作用、岩层松弛、滑坡、气候变化或材料性质等原因导致。衬砌裂纹严重时会影响结构安全稳定性，降低结构安全度，如果不当处理会导致渗漏水，影响隧道正常运营。

当前衬砌施工方法通常利用围岩的自支承能力，使衬砌负担减少，并把锚杆和喷混凝土作为第一次支护。根据测量信息再灌筑混凝土作为第二次支护，形成复合式隧道衬砌[3-4]。衬砌的材质以砖、料石、混凝土块为主，在运营期间，特别是在低等级和不良地质条件下，衬砌裂缝更易产生。

现有的研究多采用数值模拟、模型试验和现场监测等手段，包括建立“病害成因快速判别-病情精确评价”的技术体系，以及通过建立隧道衬砌不均匀厚度模型，来研究不同工况下衬砌安全性能的影响规律，但这些方法中衬砌结构损伤与铁路隧道承载力和稳定性的关系不明确[5-6]。

为了解隧道在不同因素作用下随时间的变化规律，掌握隧道实时真实状态，本文依托狮子洋隧道，建立铁路隧道有限元模型，分析衬砌损伤对铁路隧道结构受力和变形的影响，探究衬砌结构损伤在高速列车荷载作用下的动力响应特性。此次研究的创新性在于利用大型有限元程序ABAQUS，建立了一种基于混凝土材料弹塑性损伤本构模型，分析铁路隧道衬砌结构在加载过程中所产生的宏观和微观损伤过程。

1" "工程概况

狮子洋隧道是中国广东省境内一座海底隧道，连接广州市与东莞市，为广惠城际铁路（佛莞段）的重要组成部分。狮子洋隧道全长为6476.4m，设计为单洞双线铁路，设计速度为200km/h。

狮子洋隧道地处珠江三角洲伶仃洋地区，其沿线地势较为开阔，多为微风化砂岩及砂砾岩夹持，局部为粉砂层及粉质黏土，部分区段跨越软硬不均岩层。地下水以第四系地层孔隙水及白垩纪地层裂缝水为主，具有承压性。狮子洋隧道永久性结构采用碳化环境、氯盐环境、化学侵蚀环境下的耐久性混凝土。主体结构为盾构管片隧道，并进行了二次衬砌。在软土地层中铺设钢筋混凝土纵桁，以避免因结构变形导致的纵、横两向沉降差异，降低列车振动对周围地层的影响。

2" "铁路隧道衬砌结构损伤成因分析

隧道衬砌产生裂纹的原因有多种，包括受力状况不利、施工质量控制不佳、施工材料质量差和维修方法不合理等[7]。从受力观点来看，隧道的差异沉降是造成衬砌开裂的一个主要原因。另外，衬砌的变形和位移也是造成隧道开裂的两个主要因素，其中衬砌移位是指隧道的局部或全部发生旋转、平移、抬升或下沉等。在建设期间，质量管理不严密、建造方法不合理都会引起衬砌开裂。

衬砌材料的好坏对隧洞的使用寿命及安全有重要的影响。在衬砌完工以后，如果维修措施不当或不适当，尤其是对早干缩材料，如果没有采取适当的维修措施，也很可能造成开裂。长期反复荷载下，拱顶受力不均，极易在仰拱附近形成弯曲、拉伸，而混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，在反复弯曲下易发生荷载疲劳，导致衬砌开裂甚至脱落[8]。如果不对其进行修复，其裂纹将继续发展，将严重威胁到衬砌结构的完整性和承载能力。

3" "隧道衬砌损伤演化过程分析

3.1" "模型建立及参数设置

3.1.1" "建立有限元数值模型

针对狮子河隧道工程地质情况，本文拟选择Ⅳ类围岩，对其进行三维有限元数值模拟。设置二次衬砌厚度为0.45m，跨径为10.86m，高为10.31m，长为12m，拱顶为55cm。隧洞开挖深度为30m，衬砌布置在模型中部，左、右两侧岩土体取60m，上部为自由边，其余部分采用弹性阻尼装置来模拟动边界。衬砌混凝土为塑性损伤本构模型，钢筋为理想弹塑性模型，周围的土体或围岩采用Mohr-Column模型。

由于狮子洋隧道为单洞双线，且考虑到行车荷载下衬砌墙脚内部容易产生裂缝，故将列车振动荷载设置在隧道右侧起点。从始发段开始，依次选择拱顶、边墙、墙脚和仰拱4个监测点，记录为监测点1、2、3和4。狮子洋隧道衬砌断面及监测点位置如图1所示。

3.1.2" "围岩及衬砌结构材料参数设置

基于对混凝土材料特性、工程使用条件以及安全保障的全面考虑，衬砌混凝土抗压安全系数的基本组合不应小于2.0，以确保混凝土在达到极限抗压状态时，依然能够保持足够的安全性能，从而保障建筑物的结构安全和稳定性。同时以《混凝土设计规范》（GB50010—2010）和塑性损伤理论为基础，推导出衬砌结构的拉-压本构关系。各部分材料物理学参数表如表1所示。

3.1.3" "载荷与约束设置

适当的约束条件能更好地反映出该模型的受力和受力情况。在建模过程中，将钢筋框架、混凝土等作为独立的嵌固单元，并将其与围岩土体之间约束连接在一起。在模拟围岩土的顶面及左右边界处时，等间距设置为0.4，逐步施加荷载作用，并将桩底锚固，以限制隧道衬砌结构垂直位移。

分析步0～1为地应力平衡阶段，分析步1～2为偏压荷载施加阶段，利用单元的移除与激活功能模拟堆积土体荷载施加。模拟过程中不考虑地下水和列车的影响。初始应力场为自重应力场，采用8节点实体减缩积分单元C3D8R，对周围岩土体及衬砌混凝土进行有限元数值模拟，并以双节点线性三维桁架单元T3D2模拟钢筋。

3.2" "损伤演化过程分析

3.2.1" "损伤分布规律

通过构建隧道的有限元分析模型，以评估隧道的结构安全性和稳定性。这种方法通过将隧道结构离散化为有限个小的单元，预测可能出现的滑动面和破坏模式，以便采取相应的支护和加固措施。

隧洞开挖过程中，既要考虑衬砌结构，又要考虑围岩、初期支护等因素。但目前采用预先埋设传感器的方法，虽能获得局部围岩及初支信息，但难以实现大范围应用[9-10]。所以，从整个寿命周期经济角度出发，只对关键部位进行监控，更符合实际。

另外，早期支护与衬砌、围岩共同作用，对运营环境的影响一般也需要通过对衬砌的作用而表现出来。对于隧道结构来说，只有衬砌结构在安全条件下才能保证隧道的安全，因此可以把衬砌结构看作是隧道状况的直接体现。

3.2.2" "隧道衬砌结构安全性评价

铁路隧道衬砌结构的安全性直接关系到整个隧道工程的安全性和稳定性。衬砌结构的主要功能是支撑隧道内部，防止隧道因外部压力、地质变化等因素而发生塌陷或变形，从而保护隧道内部的安全。

隧道从每环衬砌完工即算正式投入运营，与正常运营相比，建设期隧道虽无列车荷载，但仍需承担施工扰动。虽然隧道的状况很大程度上与设计、施工有关，但当隧道具有整体结构并承担各种影响因素时，也就是在衬砌完工后，仍需对整个寿命状态进行研究。不考虑养护维修的衬砌状态演化分析如图2所示。

在图2中，假设任一隧道中一环衬砌都存在着严重的损伤，损伤程度为Sƒ，表示衬砌已损失状态的百分比，令Sƒ∈[0，1]。在完好的情况下Sƒ=0，而在破坏情况下Sƒ=1。隧道衬砌的状况会随着时间而改变，所以Sƒ是t的函数。随运营年限的增长，其衬砌程度将逐步加剧，受外界环境作用，其退化表现可表现为随时间流逝，其退化速度将按一定速度递减。

隧道衬砌的病害等级与病害的类型、大小及分布位置有直接的关系。隧道是一个连续体，应对其整体状况进行全面的评估。衬砌的总体损伤程度为Ssum、平均损伤度S_ƒ可用式（1）进行计算。

（1）

式中：N表示隧道的衬砌环数，Sƒj表示第j环衬砌的劣化程度。

4" "结果与分析

4.1" "衬砌承载能力分析

4.1.1" "无损衬砌损伤因子分析

衬砌的损伤主要源于拉应力导致的拉伸裂纹。为了研究铁路隧道衬砌结构在的损伤机理和力学特性，先对无损衬砌状态下的损伤因子进行分析。无损衬砌损伤因子见图3。

从图3可以看到，0.17s时隧道衬砌结构开始发生破坏。混凝土本身就是一种脆性物质，在接下来的拉伸破坏过程中损伤因子迅速增加。在0.6s左右，裂纹贯穿整个衬砌结构，进入完全破坏状态。以上结果表明，当混凝土材料的抗拉强度达到极值时，衬砌结构发生破坏。

4.1.2" "裂纹长度和宽度对承载力的影响

裂纹长度对承载力的影响如图4a所示，从图4a可以看出，其极限承载能力随裂纹长度的增大而减小，而承载能力的折减系数则随长度的增大而增加。另外，与完整的衬砌相比，裂纹长度为2m、4m和6m时，其极限承载力降低幅度分别为2.58%、4.13%和8.87%。

图4b是裂纹宽度与承载能力之间的关系，从图4b可以看出，其极限承载能力随裂纹宽度的增大而减小，而承载能力的折减系数则随裂纹宽度的增大而增加。另外，与完整的衬砌相比，裂隙宽度为1mm、2mm和3mm时，其极限承载力降低3.95%、8.46%和19.54%。

4.2" "衬砌结构安全性评价

在仰拱、墙脚、边墙、拱顶等不同位置按顺序取1～8个观测点，并两两对应，以便于进行衬砌结果受力分析。

4.2.1" "裂纹长度和宽度对安全系数的影响

裂纹长度对安全系数的影响如图5a所示。由图5a可知，随着铁路隧道衬砌裂缝长度逐渐增大，结构安全系数逐渐下降，隧道衬砌结构的安全性逐渐降低。拱顶出现裂缝时结构的安全系数，小于其他部位出现裂缝工况，说明拱顶出现裂缝缺陷对结构安全性的影响大于其他部位。当裂纹长度分别为2m、4m和6m时，隧道的安全系数分别降低了12.04%，20.96%，33.42%。

裂纹宽度对安全系数的影响如图5b所示。由图5b可知，随着铁路隧道衬砌裂缝宽度逐渐增大，结构安全系数逐渐下降，隧道衬砌结构的安全性逐渐降低。在相同的衬砌裂缝宽度情况下，衬砌拱顶出现裂缝时对拱顶的安全性影响很大，安全系数明显下降，且对应隧道拱肩和拱脚部位影响较小。随着衬砌裂缝宽度的增加，拱顶处安全系数的变化率远大于拱肩和拱脚的变化率。当裂隙宽度分别为1mm、2mm和3mm时，衬砌安全系数分别降低20.23%，31.82%，43.61%。

铁路隧道衬砌结构在3mm宽裂纹工况时的安全系数降低最大，只有2.08，接近了规定安全限值2.0，需要进一步加强监测。为了确保建筑物的安全，可以把3mm宽裂纹作为铁路隧道衬砌结构安全性警戒值。

4.2.2" "不同位置的安全系数

不同位置的安全系数见图6。由图6可知，拱顶开裂造成铁路隧道衬砌结构安全系数下降最大，且由于裂纹的不均匀分布导致安全系数也分布不均匀。有裂纹的一边，安全系数迅速降低，对局部区域的稳定度有显著影响，而对其他部位的安全系数影响不大。

综合分析，当裂纹位置在拱顶、左拱肩、左墙脚和左墙脚时，其安全系数分别降低4.11%、3.43%、2.52%和3.76%。随着衬砌裂纹位置的升高时，其安全系数最小值也随之升高，且均在对应的位置处达到最小值。由此表明，当铁路隧道衬砌结构出现损伤时，其最不安全部位会随裂纹位置而改变。

5" "结束语

本文通过对含裂纹缺陷的铁路隧道衬砌结构承载力、动力响应的分析，探究了铁路隧道衬砌结构损伤对其安全性的影响。

研究结果表明，对于有裂隙的衬砌结构，当裂纹位置在拱顶、左拱肩、左墙脚和左墙脚时，其安全系数分别降低4.11%、3.43%、2.52%和3.76%。裂纹位置在拱顶处的极限承载力降低幅度最大。

通过调整仰拱衬砌部位的裂隙深度，发现仰拱衬砌的竖向位移随裂隙深度的增大而增大，特别是仰拱衬砌部位的安全系数，与规范的允许值2.0比较接近。此次研究仅针对单个裂隙情况下的铁路隧道衬砌损伤，今后还需要更深入地考虑多条裂隙对衬砌结构的影响。

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