公路隧道襯砌裂紋擴展機理

丁浩，李科，周小平，畢靖，練焱堅，徐瀟

(1.國家山區公路工程技術研究中心，重慶400060;2.重慶大學 土木工程學院，重慶400045)

據截止2013年底，中國公路隧道已有11 359座，總長度達9 609 km。雖然，隧道在建成之后很長時間內的安全問題是可以預見的，但是，在日本、臺灣、新西蘭和中國，一些隧道由于受到蠕變、巖石風化、滑坡和地下水滲流作用，還是產生了很多不可預計的變形和裂縫[1-7]。

襯砌裂紋是公路隧道主要的病害之一[8-10]，隧道襯砌開裂會降低隧道承載能力，破壞隧道結構安全可靠性和穩定性，影響隧道正常使用，甚至會危及行車和人身安全。目前，專家們對于隧道損傷破壞做了大量研究，方利成等[11]將現場實際裂縫通過圖文直觀地表示出來，為隧道裂紋的研究提供了基礎。Charpentier等[12]認為地下工程開挖導致初始應力的重分布并誘發裂隙，實驗研究了開挖隧道內近場微裂紋的形成機理。李占海等[13]研究了側壓力系數對馬蹄形隧道圍巖損傷破壞的影響，認為側壓力系數明顯影響隧道圍巖的損傷機制，當側壓力系數較小時，初始損傷分布以拱腳、拱肩和拱頂位置為主；當側壓力系數較大時，初始損傷以拱頂的拉伸損傷為主；拱頂垂直方向的位移隨側壓力系數的增大而減小，且隨埋深的增加而增大。楊建平等[14]研究了二襯支護時機對小凈距隧道穩定性的影響。方建勤等[15]研究了隧道埋深對二襯支護時機的影響。周勇[16]提出了確定隧道二襯支護時機的數值計算方法。在現場監測方面，文獻[16-18]提出利用現場監測來選擇合理的支護時機。來弘鵬等[19]通過相似模型試驗研究了不同地應力作用下公路隧道不同襯砌斷面形式的受力性狀,并分析了地應力以及不同襯砌斷面形式對襯砌結構受力性狀產生的影響。

另有研究表明，偏壓荷載極易造成隧道襯砌開裂。周曉軍等[20]基于相似理論，以渝懷鐵路漁塘灣隧道為模型，結合其所處的地質順層偏壓特點，對地質順層巖體應用于隧道襯砌結構上的偏壓荷載進行模擬，初步得到地偏壓隧道周圍巖石壓力的分布特征及其與順層傾角之間的關系，并探討了順層巖體隧道結構的形式和相應的支護措施。認為與順層巖層下盤接觸的隧道邊墻與拱肩部位最易破壞。肖林萍等[21]基于廣州—惠州高速公路小金口雙連拱隧道工程，在 II、III類圍巖條件下，運用試驗手段研究了雙連拱隧道的施工方法、結構內力樣式及圍巖穩定性，發現隧道二次襯砌的內力分布規律為：對于軸力而言，隨著上部荷載的增加，二次襯砌的軸力增大，仰拱與邊墻結合處所受到的軸力最大，仰拱與拱頂所受的軸力其次。同時，仰拱與邊墻結合處所受的彎矩也是最大，拱肩與邊墻腳處受拉，仰拱、邊墻及仰拱受壓,并由此提出“中導坑擴展法”這種新的施工方法,對雙連拱隧道的設計與施工具有重要參考價值。在隧道襯砌抗凍方面，謝紅強等[22]基于鷓鴣山隧址區水文、地質條件，結合現場對隧道主體結構及圍巖溫度的監測測試研究及結構和圍巖的熱力試驗與數值模擬。得到寒冷地區隧道結構及圍巖溫度場的變化規律，從而為隧道的抗防凍設計提供參考。Zhou等[23-25]針對隧道圍巖裂紋損傷演化進行了大量的理論與數值研究。

上述成果較為系統地研究了隧道襯砌的穩定性。但是，并沒有針對帶裂紋襯砌不同預制深度條件下裂紋擴展機理進行研究。本文利用PFC離散元顆粒流軟件，基于隧洞開挖卸荷效應[26-28]揭示了公路隧道含裂隙的二襯中應力分布規律和裂紋的擴展機理，并對初始裂紋不同預制深度條件下裂紋擴展規律進行了對比分析，揭示了帶裂紋襯砌的損傷演化規律。

1 顆粒流概述

顆粒離散元(PFC)是一種基于離散元理論和顯示差分算法而開發出來的計算機技術。其從基本粒子微觀結構角度出發，認定粒子之間接觸狀態決定介質的基本特性。

顆粒流模擬材料的本構模型是通過接觸本構模型來實現的，接觸本構模型分為以下3種：1)接觸剛度模型；2)接觸滑動模型；3)黏結模型。接觸本構模型是接觸本構關系中最基本的一種模型，它是在顆粒接觸力與相對位移之間規定彈性關系。接觸剛度模型由兩種接觸模型構成，線性模型和簡化的Hertz-Mindin非線性接觸模型。簡化的Hertz-Mindin非線性接觸模型僅適用于模擬顆粒體系無黏結、小變形和只受壓應力的情況。除了以上幾種情況，通常情況一般使用線性模型。因此，本文主要介紹線性剛度模型。線性剛度模型由兩個接觸實體(球體與球體或者球體與墻體)的法向剛度和切向剛度定義，認為兩個接觸實體的剛度串聯在一起相互作用。采用此方法可以模擬材料中拉伸裂紋和剪切裂紋的起裂、擴展和連接過程。

2 試樣生成與參數選取

在PFC中，通過對細觀顆粒合成材料賦予變形和強度等參數，可以得到任意物理力學特征的模型，比如變形特性、強度特性等。為了得到模型符合期望的宏觀物理力學行為，就必須聯系模型某種力學特性和一系列與之有關系的材料參數特征即細觀物理參數。這樣就可以在固定顆粒尺寸和邊界條件前提下，通過單軸、雙軸或者巴西劈裂等數值模型試驗標定細觀與宏觀的近似關系，如圖1所示。本文采用單軸壓縮試驗擬合巖石的宏觀參數(楊氏模量、單軸抗壓強度和泊松比)，從而確定顆粒和黏結的微觀參數。

圖1 模型細觀參數標定過程Fig.1 Calibration process of mesoscopic

圖2 計算模型示意圖Fig. 2 Diagrammatic sketch of the

圖2為模擬襯砌裂紋擴展試驗的示意圖，PFC中生成的數值試樣如圖3所示。模型長13 m，寬12 m，顆粒微觀參數見表1。襯砌尺寸如圖3所示，初襯厚度為20 cm，二襯厚度為55 cm，混凝土強度等級為C30。

圖3 PFC數值計算模型Fig.3 Numerical calculation model in

顆粒半徑/m密度/(kg·m-3)阻尼系數顆粒等效彈性模量/GPa摩擦系數剛度比平行粘結抗張強度/(Pa·m-1)平行粘結內聚力/(Pa·m-1)0.03～0.052 0400.7300.57712.01×10715×106

3 數值模擬分析

在數值模型的建立過程中，先建立由四面wall構成的box空間，然后，設置顆粒的半徑和摩擦系數和孔隙比，在box的空間內生成顆粒小球，待模型穩定后，賦予顆粒黏結強度，采用平行黏結，隧道圍巖采用點黏結，然后進行開挖，實現開挖卸荷條件下隧道襯砌中裂紋的擴展過程模擬。

建模完成后，由于隧道襯砌易在拱腰處產生裂紋，采用fish語言建立初始裂紋，針對帶裂縫襯砌損傷演化進行數值模擬，位置如圖4所示。預置了3種裂紋，其寬度為2 mm，深度分別為300、400、500 mm。在隧道的埋深為27 m，隧道圍巖為Ⅴ級,混凝土等級為C30條件下，根據公路隧道襯砌設計規范計算豎向荷載為464.17 kPa，水平荷載為114.52 kPa。

圖4 預制裂紋的襯砌數值模型Fig.4 Position of the pre-existing crack on the lining in the numerical

圖5表示預置裂紋的寬度為2 mm,深度為400 mm的裂紋擴展規律和襯砌的破壞過程。其中，黑線表示預設裂紋，紅線為擴展的拉伸裂紋(未出現剪切裂紋)。由圖5可知：在計算步達到163 000時，隧道襯砌右側拱肩處開裂，然后向襯砌深部擴展，并在176 000計算步時貫通襯砌。當計算步達到187 000步時，預置裂紋起裂，隨著計算步的增加，裂紋與水平方向夾角大致呈40°向襯砌深部擴展，并在198 000計算步時發生貫通。當計算步達到218 000和243 000時，分別在襯砌拱頂及拱腳處出現貫通裂隙，并且裂隙數目穩定，不再繼續增加。

圖5 不同計算步時裂紋擴展過程Fig. 5 Growth process of the crack at different time

由上述分析可知，拉應力導致拉伸裂紋(圖5黑圈處)的產生，算例中并未出現剪切裂紋，說明襯砌破壞的主要原因為拉應力。首先，初始裂紋的起裂并未發生在預置裂紋的尖端，說明襯砌拱肩內側是拉應力最大的位置。其次，受到預置裂紋的影響，左側拱腰處也是較為危險的位置，在針對襯砌裂紋治理時，應予以重點考慮。

本文研究的內容是針對含裂隙的襯砌，經過計算，獲得了裂隙張開度隨計算步的變化曲線(見圖6)。

圖6 裂紋張開度增量變化曲線(初始張開度2 mm)Fig.6 Curve of expansion gap of different cracks (The initial value is 2 mm)

圖6為裂隙張開度為2 mm，深度分別為300、400、500 mm時，裂隙張開度隨時間的變化曲線。當預置裂隙深度為300 mm時，裂隙張開度在6 000計算步時開始增加；隨著計算的進行張開度逐漸增大并穩定在0.4 mm左右，最后，在裂隙發生貫通時并未產生張開度的跳躍式發展。當裂隙深度為400 mm時，裂隙張開度在10 000計算步時開始緩慢增加，沒有明顯的突變；在187 000計算步時，預置裂紋開始擴展，張開度明顯增加；在198 000計算步時，預置裂紋貫通襯砌，產生跳躍式變化。與深度為300 mm的預置裂紋的張開度隨計算步的變化曲線對比分析可知，當預置裂隙深度為400 mm時，襯砌的安全性有較大幅度的降低。當預置裂隙深度為500 mm時，預置裂隙的張開度在6 000計算步時開始增加，并且有較明顯的突變；在167 000計算步時，預置裂紋開始擴展，張開度明顯增加；在178 000計算步時，預置裂紋貫通襯砌，產生跳躍式變化，且增量值明顯大于上述兩個算例。圖6表明，預置裂紋深度對襯砌破壞的時間和裂隙的張開度有較大影響，在實際工程中應予以重視，并在裂隙貫通襯砌前進行修復處理，以保證隧道安全。對比李治國等[30]對裂紋的判定標準可知，本文案例中裂紋深度的擴展規律及對隧道襯砌張開度的影響規律與判定標準中的基本一致。

4 結論

1)襯砌破壞的主要原因為拉應力，初始裂紋起裂并未發生在預置裂紋尖端，而是發生在襯砌拱肩內側，說明襯砌拱肩內側是拉應力最大的位置，受預置裂紋的影響，左側拱腰處也是較為危險的位置。

2)預置裂紋的深度對裂紋貫通時間有較大影響，隨著預置裂紋深度的增加，預置裂紋貫通襯砌的時間逐漸減小。

3)預置裂紋的深度對裂紋張開度的變化有較大影響，隨著預置裂紋深度的增加，預置裂紋張開度逐漸增大，并在貫通襯砌時有明顯突變，這樣便于確定襯砌治理時機，對公路隧道安全評價有較好的理論支持。