隧道围岩大变形及二次衬砌裂缝稳定性分析★

陈 咏 明

(湖南城市学院规划建筑设计研究院，湖南 益阳 413000)

·桥梁·隧道·

隧道围岩大变形及二次衬砌裂缝稳定性分析★

陈 咏 明

(湖南城市学院规划建筑设计研究院，湖南 益阳 413000)

对隧道围岩大变形发生机制进行了研究，并对隧道围岩大变形进行了重新定义，在对二次衬砌作用机理进行分析的基础上，重点对衬砌裂缝的稳定性展开了分析研究，并得到一系列研究结论，能够为衬砌病害的研究提供一定的理论支撑。

隧道，围岩大变形，二次衬砌，裂缝稳定性

0 引言

隧道工程中，围岩大变形问题往往是诸多工程灾害的根源，它不仅影响了工程建设进度，同时给现场施工安全带来了极大隐患[1]。当围岩大变形持续发展，隧道二次衬砌的安全储备强度逐渐被抵消，进而使得二次衬砌出现裂缝病害，并随着裂缝的持续扩展，最终失稳破坏[2]。

为保证隧道施工的高效性、安全性，工程人员通过大量的现场试验和工程资料类比，对围岩大变形机理进行了深入研究，而对围岩大变形机理进行研究，也是研究隧道二次衬砌裂缝稳定性必不可少的步骤[3-6]。图1为典型隧道围岩大变形引起的衬砌侵限变形，图2为隧道围岩大变形引发的衬砌裂缝。

1 隧道围岩大变形发生机制

众多研究成果表明，隧道围岩发生大变形的机制主要有两类：一类是围岩的挤出作用，另一类是围岩的膨胀作用，且多数大变形灾害属于第一类。

Aydan O.等人(1993)对岩石变形的力学机制进行过深入研究，认为围岩挤出的力学机制可分为以下三大类[7]：

1)纯剪切破坏。裂隙张开度较大的非连续岩体或连续的塑性岩体易发生纯剪切破坏。

2)弯曲破坏。弯曲破坏发生于特定围岩中，诸如千枚岩、云母片岩等变质岩，或薄层状塑性沉积岩，如泥岩、油页岩、泥质砂岩等围岩。

3)剪切和滑动破坏。剪切和滑动破坏主要发生于厚层沉积岩中，其破坏形式分为沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种。

事实上，很多围岩大变形研究成果主要从隧道围岩方向阐述了大变形机理，而在实际隧道工程中，这类成果有参考性但具有一定偏差[8]。因为隧道结构是由围岩与支护结构共同组成的复杂结构体系，其大变形机理研究应综合考虑隧道围岩和支护结构的共同作用。

2 隧道围岩大变形分级

隧道围岩大变形是多种影响因素综合作用的结果，诸如地应力组合状态、围岩特性、埋深、地下水条件等都对围岩大变形产生具有影响。不同隧道工程的围岩特征和工程环境各有差异，隧道大变形统一分级标准若以大变形产生原因为依据制定，则需参考多影响因素的综合作用，这种方法难以确定、量化实际工程中各种影响因素的主、次要地位及其相对影响程度，不利于隧道施工的实际应用。

本文通过查阅TB 10003-2005铁路隧道设计规范，并借鉴交通部第一公路设计院、铁二院等单位对大变形分级进行的研究和王泰典等学者的相关科研成果[9]，将初期支护的变形量和发展趋势并结合支护结构变形破坏特征作为新的围岩分级指标对隧道围岩大变形进行了定义。同时，在Hoek及Marlinos的理论基础上[10]，以相对位移Ua/a为主要参数，参考支护结构破坏特征对双线铁路隧道围岩大变形进行了等级划分，见表1。

表1 围岩大变形等级划分

3 二次衬砌的作用机理

二次衬砌通常作为隧道安全储备结构使用，一般在隧道围岩变形稳定后进行施作，但其具体作用机理需根据围岩特性及施工情况差异而定。从隧道围岩等级方面出发，对于 Ⅰ 级围岩，隧道围岩与支护结构的变形值很小，围岩变形持续周期短，二次衬砌主要具有防水、辅助通风、隧道面层美观等用途，此时二次衬砌结构不承受围岩压力； Ⅱ 级围岩隧道工程中，围岩与支护结构变形相对较小，二次衬砌相应承受的围岩压力较小，二次衬砌主要用于消除隧道结构内锚杆钢筋腐蚀、围岩松动区波动、初期支护结构不稳定等因素造成的影响，从而提高隧道支护结构的安全度；Ⅲ级～Ⅴ级围岩隧道工程中，岩土体的不良地质条件以及多种不利力学因素产生耦合作用，此时应在围岩大变形出现前施作二次衬砌，用以保证隧道安全施工，此时二次衬砌对后期较大围岩变形压力起到了承载作用，同时还起到结构防水作用。

4 二次衬砌裂缝稳定性分析

4.1 衬砌开裂病害形式

衬砌开裂是指衬砌表面出现裂纹(或龟裂)和裂缝(宽度较大)或贯通衬砌全部厚度的裂纹的总称，是衬砌变形的结果。衬砌开裂包括张裂、压溃和错台三种。

弯曲受拉和偏心受拉引起的裂损，其特征是裂纹、裂面与应力方向正交，缝宽由表及里逐渐变窄，如图3所示。

衬砌压溃是指弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损。裂纹边缘呈压碎状，严重时受压区表面产生碎片剥落掉块等现象，如图4所示。

衬砌错台是由剪切力引起的裂缝，裂缝宽度在表面至深处大致相同，衬砌在裂缝两侧沿剪切方向有错动，即形成错台，如图5所示。

4.2 衬砌裂缝稳定性分析

完整的隧道衬砌是以隧道全长或一个节段为整体，属于空间结构。因此，分析隧道衬砌裂缝的稳定性时，要对整个节段作全面分析。一般认为衬砌裂缝的稳定性总是与已经开裂的截面的应力状态和稳定性相联系的。

4.2.1 裂缝面的应力状态与稳定性分析

已经开裂的衬砌截面的应力状态与稳定性，依其开裂的基本形态和开裂的程度而异。

1)张裂。弯曲受拉或者偏心受拉时，无论衬砌裂缝面是否贯通衬砌全厚，另一边缘必有受压应力，因为衬砌混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，所以当受拉边缘部分截面强度已失去承受拉应力的能力时，受压边缘的部分截面强度仍能承受一定的压应力，该截面可以形成塑性铰。因此，当裂缝继续发展而受压边缘的压应力未超过圬工体的弯曲抗压极限强度以前，该截面仍有一定的承载能力，裂面不会失去稳定。

当衬砌混凝土轴向受拉时，全部截面发生应力超过圬工体抗拉强度极限，截面没有承受拉应力的能力，如裂缝继续发展，该裂缝面即会丧失稳定。如，边墙下部被拉断而随着下沉。

2)压裂。当衬砌混凝土弯曲受拉或者偏心受压开裂时，衬砌内缘受压，外缘受拉，往往是外缘先出现张裂，当张裂即将贯通衬砌全厚时，受压边缘也因为应力已经达到抗压极限而发生劈裂，随着劈裂区的扩张，劈裂区与外缘拉裂缝连通。该裂面已经处于不稳定状态，不能承受开裂前出现的最大荷载，并导致衬砌变形加大。衬砌变形加大到一定程度，作用在衬砌上的实际荷载大小和分布情形随之发生暂时有利的变化，使衬砌暂时出现新的平衡，这是极限状态的平衡。

当衬砌混凝土为轴向受压时，全截面均系受压，当两边缘出现一定的压劈区，该裂缝面会立即失去稳定，失稳后的情形与偏心受压相同。

3)剪裂。当衬砌混凝土弯曲受剪开裂时，裂面在前述弯曲受拉或变曲受压的同时产生错动，则属于弯曲受剪。这种情形，裂面已贯通全厚，只要错距仍在一定限度内，截面内必有受压区存在，当受压区没有完全被压碎也就能够承受一定的偏心压应力，裂面仍没有完全失去稳定。如裂缝继续发展，受压区的压应力已完全超出其抗压极限时，该裂面不能再承受任何应力而立即失去稳定。

当衬砌混凝土直接受剪开裂时，这种裂面均已贯通衬砌全厚，故其承受直剪能力已经丧失，但当错距不大、裂缝宽度微小时，如果裂缝面同时有较大的轴向力作用时，仍存在一定摩擦抗力，未必完全失去稳定。

4.2.2 已碎衬砌混凝土块体的稳定性分析

一个裂缝面的失稳，只能表示该截面已失去承受外力和抵抗变形的能力。如果衬砌是整体灌注，则不会引起衬砌掉块。只有多个裂面相互交叉才能把一个整体的衬砌分割成大小不同的块体。要判断已碎的混凝土块体能否在自重和外力作用下产生滑移、错动、坠落，可用隧道爆破后微石鉴定的方法。

4.2.3 裂缝衬砌的整体稳定性分析

一个块体的塌落可以使衬砌留下一个空洞，但不一定能使整个衬砌坍塌。然而，衬砌被分割为碎裂的块体，因为出现了一定数量和产状的失稳裂面，一定数量和部位的块体脱落，会导致衬砌的一部分失稳，继而引起整体失稳。

5 结语

隧道围岩大变形灾害与二次衬砌裂缝发生是紧密联系的，因此，在对二次衬砌裂缝进行分析研究时，应注重把握隧道赋存的地质环境对隧道支护结构的影响，以此为分析的切入点，才能找到隧道衬砌裂缝病害发生的原因，接下来将如何发展以及采取何种防治措施。

[1] 李永林,冯学钢,姜 云,等.隧道工程围岩大变形及预测预报研究[J].现代隧道技术,2005(5):49-54，62.

[2] 徐 琳.隧道二次衬砌裂缝分析与治理[J].公路交通科技,2003(6):66-68.

[3] 姜 云,李永林,李天斌,等.隧道工程围岩大变形类型与机制研究[J].地质灾害与环境保护,2004(4):46-51.

[4] 张志红.隧道二次衬砌砼裂缝原因分析和治理措施[J].西部探矿工程,2005(1):109-110.

[5] 姜 云.隧道工程围岩大变形问题研究现状[J].西南公路,2003(3):50-55.

[6] 王成虎,沙 鹏,胡元芳,等.隧道围岩挤压变形问题探究[J].岩土力学,2011(S2):143-147.

[7] Aydan O.,Akagi T.,Kawamoto T..The squeezing potential of rocks around tunnels: theoryand prediction[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,1993,26(2):137-163.

[8] 毛金龙.某铁路隧道偏压段二次衬砌裂缝的成因和整治方案[J].施工技术,2011(S2):99-101.

[9] 赵富家.谈隧道二次衬砌裂缝处理措施[J].山西建筑,2012,38(31):207-208.

[10] 梁展凡.公路隧道二次衬砌裂缝的成因与处治分析[J].西部交通科技,2009(6):108-111,122.

Large deformation of tunnel surroundingrock and the secondary lining crack stability analysis★

CHEN Yong-ming

(CollegeofUrbanPlanningandArchitecturalDesign,HunanCityUniversity,Yiyang413000,China)

This paper first studied the mechanism of big deformation of surrounding rock in the tunnel, and to redefine the large deformation of tunnel surrounding rock. Based on the analysis of the secondary lining mechanism, we had emphasizes on the stability of lining crack, and get a series of research conclusion that can provide certain theoretical support for the research on lining disease.

tunnel, large deformation of surrounding rock, secondary lining, crack stability

2014-07-11★：湖南省教育厅一般研究项目(项目编号：11C0256)

陈咏明(1971- )，男，高级工程师

1009-6825(2014)27-0162-03

U452.12

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