某隧道襯砌裂縫對隧道的安全影響分析

卜崇陽

（西藏大學 西藏拉薩 850000）

1 概述

21世紀，隧道在我國交通事業的建設中發揮著尤為重要的作用，隧道建設屬于大型地下工程，地層結構錯綜復雜，導致隧道在修建過程中遇到多重困難。例如，經常由于施工過程中不可避免地存在一些誤差或者困難，致使襯砌厚度不足、襯砌背后出現空洞或者襯砌強度不足以及襯砌結構局部開裂等現象。又或在隧道建成運營過程中，地質條件的惡化、地應力影響也可能致使隧道襯砌背后出現空洞或著形成不密實等破碎圍巖的現象，從而給后期隧道運營安全帶來了巨大的隱患。

本文中某隧道為單洞雙線輕軌專用隧道，其里程樁號為K23+805～K28+135，隧道全長4330m，在隧道的修建過程中，根據該隧道襯砌質量檢測報告，隧道內部存在不同程度的裂縫、滲水缺陷。本文主要分析隧道襯砌出現裂縫對隧道安全及運營是否造成的必要的影響，以確保隧道安全有效的運營。

2 評估范圍和方法

該隧道襯砌產生較多裂縫，為了確保該隧道結構穩定和運營安全，評估分析過程中選裂縫較嚴重且取具有代表性的區間及斷面進行評估。根據該隧道襯砌質量檢測報告中隧道襯砌裂縫的分布情況，里程樁號為K25+315位置處縱向裂縫最長達5m，K25+882位置處豎向裂縫最長達9.2m，K27+449位置處環向裂縫最深且最寬。因此，本次評估范圍縱向為里程K25+290～K25+340，長50m，豎向及環向分別選取樁號為K25+882、K27+449位置處斷面；對于縱向裂縫的分析，選取在K25+290～K25+340里程范圍。

本次評估方法：該隧道的安全評估主要采用有限元法進行綜合分析與評價，并根據該隧道的裂縫分布情況對隧道襯砌結構進行劣化，可以得到隧道結構變形和內力的影響，進而評價該隧道的結構安全性。

3 數值計算評估分析

本文為減小邊界效應并保證數值分析的準確性，根據該隧道工程地質勘察報告以及隧道的斷面設計尺寸，模型尺寸取為：模型上部地表按照實際地形尺寸取值，模型左右側和下方邊界都取距隧道邊界約3倍洞徑，隧道左右分別取40m，模型左右邊界設為X方向位移約束，地表至下邊界200m，底面約束豎向位移，下邊界設為Y方向位移約束，其余采用自由邊界。

任何結構帶裂縫工作時，其承載能力和結構的安全性受到了威脅。而裂縫作為隧道中常見的病害，為了模擬有限元模型建立過程中裂縫對襯砌的影響，采用折減法對隧道裂縫處襯砌彈性模量進行折減。設隧道襯砌厚度為h，裂縫深度為h1，襯砌彈性模量為E，裂縫處襯砌折減后彈性模量為E1，E1=E（h-h1）/h。因此，襯砌出現裂縫后，模型建立過程中裂縫處模型彈性模量采用折減后的彈性模量E1，未出現裂縫處模型采用襯砌彈性模量為E。

本文采用地層結構法數值模擬分析該隧道襯砌裂縫對隧道結構的安全影響。其中豎向裂縫和縱向裂縫的計算均分為四個工況，環向裂縫為三個工況，分別對開挖前、開挖后以及有裂縫處隧道襯砌參數折減來計算分析隧道的沉降、橫向位移、應力以及隧道襯砌的軸力、剪力、彎矩。

圖1 襯砌模型圖

圖2 襯砌裂縫選取代表的單元

為了更加清楚地反映出該隧道圍巖壓力和裂縫對既有隧道二襯結構劣化，在隧道襯砌上選取8個單元如圖2，提取其軸力和彎矩驗算襯砌結構是否仍滿足要求。單元選取分別為拱頂、拱肩、拱腰、拱腳及仰拱位置。

在模型計算中采用隧道圍巖參數、隧道支護參數情況下，從隧道襯砌的受力情況來看，隧道拱頂內側受拉，拱腰外側受拉，相對于其它位置而言，側墻的安全系數相對較小。計算結果均顯示，的圍巖壓力和劣化程度下，結構的承載能力仍能滿足要求。

表1 ZK25+882豎向裂縫截面安全系數

表2 YK27+449環裂縫截面安全系數

分析結果表明：

表3 ZK25+315縱向裂縫處截面安全系數

（1）由于襯砌承受偏壓荷載，同時襯砌存在不同程度的裂化，造成襯砌結構本身不同程度的不對稱，從而導致襯砌內力表現出明顯的不對稱性，從受力情況來看，隧道拱頂內側受拉，拱腰外側受拉，從總體看來，相對于其它位置而言，拱頂和邊墻安全系數相對較小。

（2）由于環向裂縫貫通整個截面，且襯砌厚度相對豎向和縱向位置處截面襯砌較薄，裂縫對襯砌劣化后，襯砌安全系數整體較小，但襯砌結構仍能滿足承載能力要求。

（3）從三種工況下的計算結果可以看來，三種典型裂縫斷面條件下襯砌結構的安全系數均大于規范值2.0。因此，該隧道襯砌結構仍能滿足承載能力要求。

4 結論和建議

通過采用地層結構法對該隧道里程樁號為K25+315位置處縱向裂縫、K25+882位置處豎向裂縫、K27+449位置處環向裂縫等典型區間隧道及代表性的模擬分析得出：

本文豎向裂縫、環向裂縫、圍巖作用以及襯砌承載力，對隧道襯砌產生綜合影響。裂縫對襯砌劣化后，襯砌安全系數整體減小；對隧道的位移影響很小，結構位移仍在安全范圍之內；襯砌的劣化對隧道軸力、剪力及彎矩均有影響，但影響較小；三種典型裂縫斷面條件下襯砌結構的安全系數均大于規范值2.0。因此，該隧道襯砌結構仍能滿足承載能力要求。

本次計算結果雖滿足要求，但由于模型建立的局限性，建議對于隧道襯砌出現裂縫的情況，采用信息化動態監管；考慮隧道襯砌結構耐久性因素，建議對于隧道襯砌裂縫寬度小于0.2mm的段落采用防水材料對表面封閉處理；隧道結構裂縫寬度大于0.2mm的段落采用防水材料進行灌漿封閉或補強加固處理。