某隧道衬砌裂缝对隧道的安全影响分析

卜崇阳

（西藏大学 西藏拉萨 850000）

1 概述

21世纪，隧道在我国交通事业的建设中发挥着尤为重要的作用，隧道建设属于大型地下工程，地层结构错综复杂，导致隧道在修建过程中遇到多重困难。例如，经常由于施工过程中不可避免地存在一些误差或者困难，致使衬砌厚度不足、衬砌背后出现空洞或者衬砌强度不足以及衬砌结构局部开裂等现象。又或在隧道建成运营过程中，地质条件的恶化、地应力影响也可能致使隧道衬砌背后出现空洞或着形成不密实等破碎围岩的现象，从而给后期隧道运营安全带来了巨大的隐患。

本文中某隧道为单洞双线轻轨专用隧道，其里程桩号为K23+805～K28+135，隧道全长4330m，在隧道的修建过程中，根据该隧道衬砌质量检测报告，隧道内部存在不同程度的裂缝、渗水缺陷。本文主要分析隧道衬砌出现裂缝对隧道安全及运营是否造成的必要的影响，以确保隧道安全有效的运营。

2 评估范围和方法

该隧道衬砌产生较多裂缝，为了确保该隧道结构稳定和运营安全，评估分析过程中选裂缝较严重且取具有代表性的区间及断面进行评估。根据该隧道衬砌质量检测报告中隧道衬砌裂缝的分布情况，里程桩号为K25+315位置处纵向裂缝最长达5m，K25+882位置处竖向裂缝最长达9.2m，K27+449位置处环向裂缝最深且最宽。因此，本次评估范围纵向为里程K25+290～K25+340，长50m，竖向及环向分别选取桩号为K25+882、K27+449位置处断面；对于纵向裂缝的分析，选取在K25+290～K25+340里程范围。

本次评估方法：该隧道的安全评估主要采用有限元法进行综合分析与评价，并根据该隧道的裂缝分布情况对隧道衬砌结构进行劣化，可以得到隧道结构变形和内力的影响，进而评价该隧道的结构安全性。

3 数值计算评估分析

本文为减小边界效应并保证数值分析的准确性，根据该隧道工程地质勘察报告以及隧道的断面设计尺寸，模型尺寸取为：模型上部地表按照实际地形尺寸取值，模型左右侧和下方边界都取距隧道边界约3倍洞径，隧道左右分别取40m，模型左右边界设为X方向位移约束，地表至下边界200m，底面约束竖向位移，下边界设为Y方向位移约束，其余采用自由边界。

任何结构带裂缝工作时，其承载能力和结构的安全性受到了威胁。而裂缝作为隧道中常见的病害，为了模拟有限元模型建立过程中裂缝对衬砌的影响，采用折减法对隧道裂缝处衬砌弹性模量进行折减。设隧道衬砌厚度为h，裂缝深度为h1，衬砌弹性模量为E，裂缝处衬砌折减后弹性模量为E1，E1=E（h-h1）/h。因此，衬砌出现裂缝后，模型建立过程中裂缝处模型弹性模量采用折减后的弹性模量E1，未出现裂缝处模型采用衬砌弹性模量为E。

本文采用地层结构法数值模拟分析该隧道衬砌裂缝对隧道结构的安全影响。其中竖向裂缝和纵向裂缝的计算均分为四个工况，环向裂缝为三个工况，分别对开挖前、开挖后以及有裂缝处隧道衬砌参数折减来计算分析隧道的沉降、横向位移、应力以及隧道衬砌的轴力、剪力、弯矩。

图1 衬砌模型图

图2 衬砌裂缝选取代表的单元

为了更加清楚地反映出该隧道围岩压力和裂缝对既有隧道二衬结构劣化，在隧道衬砌上选取8个单元如图2，提取其轴力和弯矩验算衬砌结构是否仍满足要求。单元选取分别为拱顶、拱肩、拱腰、拱脚及仰拱位置。

在模型计算中采用隧道围岩参数、隧道支护参数情况下，从隧道衬砌的受力情况来看，隧道拱顶内侧受拉，拱腰外侧受拉，相对于其它位置而言，侧墙的安全系数相对较小。计算结果均显示，的围岩压力和劣化程度下，结构的承载能力仍能满足要求。

表1 ZK25+882竖向裂缝截面安全系数

表2 YK27+449环裂缝截面安全系数

分析结果表明：

表3 ZK25+315纵向裂缝处截面安全系数

（1）由于衬砌承受偏压荷载，同时衬砌存在不同程度的裂化，造成衬砌结构本身不同程度的不对称，从而导致衬砌内力表现出明显的不对称性，从受力情况来看，隧道拱顶内侧受拉，拱腰外侧受拉，从总体看来，相对于其它位置而言，拱顶和边墙安全系数相对较小。

（2）由于环向裂缝贯通整个截面，且衬砌厚度相对竖向和纵向位置处截面衬砌较薄，裂缝对衬砌劣化后，衬砌安全系数整体较小，但衬砌结构仍能满足承载能力要求。

（3）从三种工况下的计算结果可以看来，三种典型裂缝断面条件下衬砌结构的安全系数均大于规范值2.0。因此，该隧道衬砌结构仍能满足承载能力要求。

4 结论和建议

通过采用地层结构法对该隧道里程桩号为K25+315位置处纵向裂缝、K25+882位置处竖向裂缝、K27+449位置处环向裂缝等典型区间隧道及代表性的模拟分析得出：

本文竖向裂缝、环向裂缝、围岩作用以及衬砌承载力，对隧道衬砌产生综合影响。裂缝对衬砌劣化后，衬砌安全系数整体减小；对隧道的位移影响很小，结构位移仍在安全范围之内；衬砌的劣化对隧道轴力、剪力及弯矩均有影响，但影响较小；三种典型裂缝断面条件下衬砌结构的安全系数均大于规范值2.0。因此，该隧道衬砌结构仍能满足承载能力要求。

本次计算结果虽满足要求，但由于模型建立的局限性，建议对于隧道衬砌出现裂缝的情况，采用信息化动态监管；考虑隧道衬砌结构耐久性因素，建议对于隧道衬砌裂缝宽度小于0.2mm的段落采用防水材料对表面封闭处理；隧道结构裂缝宽度大于0.2mm的段落采用防水材料进行灌浆封闭或补强加固处理。