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摘要：采用有限元模拟的方法，对隧道衬砌开裂的原因，从是否设置仰拱、水荷载、围岩劣化等方面分析衬砌的受力和变形。同等围岩条件下，有仰拱隧道边墙、墙脚处的水平位移小于无仰拱隧道，但有仰拱隧道的内力大于无仰拱隧道。但当隧道排水系统失效，需要承受额外水荷载时，有仰拱隧道能够有效调整结构受力，使结构整体受力更加合理。同时，有仰拱隧道能够有效控制衬砌变形和围岩塑性区的发展。
关键词：隧道；衬砌开裂；仰拱；水荷载；围岩劣化
1.引言
随着交通工程建设的不断推进，山区深埋公路隧道越来越多。在隧道运营期间出现了衬砌渗漏水、衬砌开裂、局部剥落掉块、仰拱隆起、排水沟变形等一系列问题，严重影响到公路隧道的正常运营安全。许多学者通过强度折减法、现场测试方法、有限元计算与模型试验等对不同围岩条件下隧道衬砌病害进行了分析[1-9]。本文主要依托某山岭公路隧道出现的衬砌开裂病害对隧道的受力、变形进行分析研究，旨在查明诱发该隧道衬砌开裂的原因，希望对以后类似工程问题有一定的参考意义。
2.工程概况
该隧道于2010年建成通车，通车营运2年后出现轻微病害迹象，通车营运4年后出现了较为显著的隧道病害现象，并且在雨季病害发育显著，特别是在垭口段衬砌的大范围显著开裂、渗水以及变形等病害，为行车以及人身安全带来了潜在的安全隐患。
2.1该隧道出现的主要病害：
（1）衬砌病害，主要分为裂缝、剥落，其中纵向缝主要分布在拱脚附近，并且存在有严重的拱脚碎裂、剥落并伴随着检修道的严重倾斜；环向缝从拱脚延至到拱部。
（2）检修道病害，主要为检修道的严重倾斜，和因此导致的大面积盖板缺角断角；路面及路沿的隆起。
3.病害原因初步分析
（1）根据对设计图纸及变更设计方案等资料的查阅，该隧道的病害段局部未设置仰拱，这就使得隧道的拱脚部位易发生较大变形，进一步引发围岩塑性区的扩大。
（2）根据地勘资料，该病害段位于垭口区域，岩层为单斜节理，利于水的下渗，并且该区域地下水位较高，同时围岩类型主要为含粉砂质的泥岩条带，围岩遇水软化程度较高，施工中也进行过III级至IV级的围岩等级变更及衬砌类型变更，病害段围岩破碎在水的作用下易发生软化，特别是拱脚处围岩易形成掏空的现象，引起拱脚处的沉降变形，进行形成了病害段检修道显著的倾斜，长度20m至360m不等，其中倾斜最显著段检修道量测差异沉降>9cm。
（3）在路面钻孔取芯过程中，取芯孔处发生涌水现象，说明隧道局部排水系统失效，导致衬砌承受较大的水压力作用。
4.计算模型与材料模拟
利用MIDAS有限元软件建立计算模型，隧道宽度12.5米，埋深100米，隧道两侧及底部围岩均取3~5倍隧道宽度。
围岩物理力学参数、衬砌弹性模量参照公路隧道设计规范中取值。
5.数值模拟分析
5.1有无仰拱对衬砌的影响
计算隧道衬砌在Ⅴ类围岩条件下的水平位移。
计算结果表明，同等围岩条件下，有仰拱隧道边墙、墙脚处的水平位移小于无仰拱隧道。并且在Ⅴ类围岩条件下，有仰拱隧道衬砌变形更小，能更好地控制围岩变形，有效控制围岩塑性区的发展。
同时，根据地勘资料及设计变更资料，当考虑水的作用时，该段围岩应判定为Ⅴ类围岩，此时无仰拱段隧道衬砌将产生较大变形，引起检修道倾斜、衬砌开裂等病害。
5.2水压力对衬砌的影响
根据地勘资料，该段隧道位于垭口区域，岩层为单斜节理，利于水的下渗，并且该区域地下水位较高，当遇到集中降雨期时，若隧道排水不畅，将在隧道周围产生较大的水压力。本次考虑10米水头进行计算，分析Ⅴ类围岩条件下潜在水荷载对结构受力、变形的影响。
计算结果表明，当考虑10米水压力作用时，无仰拱隧道的最大弯矩值从130kN•m增大为282kN•m，增大117%。有仰拱隧道的最大弯矩值从354kN•m增大为393kN•m，增大11%。结果表明，当承受额外水荷载时，有仰拱隧道能够有效调整结构受力，使结构整体受力更加合理。
计算结果表明，当考虑10米水压力作用时，无仰拱隧道边墙处水平位移从10.18mm增大到31.51mm，增大210%。有仰拱隧道边墙处水平位移从1.94mm增大到2.32mm，增大20%。结果表明有仰拱隧道能有效控制隧道的整体变形。当承受额外水荷载时，有仰拱隧道能够有效控制衬砌变形。
塑性区的计算结果表明，无仰拱隧道在拱脚、边墙位置塑性区面积要远大于有仰拱隧道；同时，当考虑水荷载时，无仰拱隧道的塑性区进一步扩大，而有仰拱隧道的塑性区并未有较大扩展。这说明有仰拱隧道能有效控制围岩塑性区的发展，及早地形成稳定的受力体系。
6.结论
（1）同等围岩条件下，有仰拱隧道边墙、墙脚处的水平位移小于无仰拱隧道，但有仰拱隧道的内力大于无仰拱隧道。
（2）当隧道排水系统失效，需要承受额外水荷载时，有仰拱隧道能够有效调整结构受力，使结构整体受力更加合理。同时，有仰拱隧道能够有效控制衬砌变形。
（3）无仰拱隧道在拱脚、边墙位置塑性区面积要远大于有仰拱隧道；同时，当考虑水荷载时，无仰拱隧道的塑性区进一步扩大，而有仰拱隧道的塑性区并未有较大扩展。这说明有仰拱隧道能有效控制围岩塑性区的发展。
（4）引起隧道的主要病害为水以及水长期作用下引起的围岩劣化。考虑隧道排水系统的排水不畅，遇到集中降雨不能有效排水，使隧道长期受到较大的水压力作用，并伴随着隧道围岩的劣化，引起结构受力增大，无仰拱段的位移变化明显，结构受力不合理，更易引起结构破坏。
（5）对于常见的公路隧道断面，衬砌所受到的压应力、剪应力最大值部位发生在边墙上，也是最容易出现结构性裂缝的部位。为了减少结构性裂缝，在隧道设计过程，应充分考虑围岩物理性质、工程地质水位条件，采用提高混凝土强度与二衬厚度、设置钢筋、增设仰拱、加强排水、优化断面型式等措施。
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作者简介
朱永泽（1989-11-09），男，汉族，籍贯：山东省新泰市，学历：研究生，研究方向：建筑与土木工程。