摘 要
隧道二次衬砌开裂是隧道工程中最为常见的病害，开裂衬砌对隧道结构整体 安全性、稳定性以及隧道运营效果有着重要的影响。本文在总结国内外相关研究 现状以及对公路隧道衬砌裂缝的统计调查分析的基础上，针对开裂衬砌结构的重 要问题开展研究，根据隧道衬砌裂缝的形成及扩展过程，从开裂机理出发，结合 断裂力学理论，研究开裂衬砌的力学性能，并依托招商局重庆交通科研设计院有 限公司承担的交通运输部应用基础研究项目中的专项内容“病害隧道模拟试验技 术及系统研发”，开展开裂衬砌结构的承载力性能模型试验．分析研究开裂衬砌结 构的承载机理。本文主要进行的工作和取得的成果如下：
①通过查阅前人的文献资料的基础上，收集了广东、云南、重庆、福建、四 川、海南、浙江、西藏等地隧道检测报告进行隧道衬砌裂缝统计分析，得出衬砌 裂缝出现的原因与特征；
②对开裂衬砌结构进行数值模拟分析，采用荷载．结构法，利用ANSYS有限 元软件建立断裂力学模型，对比分析研究在V级围岩条件下裂缝出现不同部位时 衬砌结构的力学特性及对结构承载能力的影响；
③通过裂纹尖端附近的应力强度因子分析判定不同深度和宽度衬砌裂缝的稳 定性，得出拱顶裂纹深度对衬砌结构稳定性系数的影响比宽度大。
④开展开裂衬砌结构的残余承载性能模型试验，对比分析完好衬砌结构与拱 顶处存在纵向裂缝的衬砌结构，分析研究开裂衬砌的承载机理以及残余承载性能。
⑤在上述研究的基础上，进一步完善裂缝评价方法，评估开裂衬砌结构的稳 定性及安全性，为裂缝的处治提供理论支撑。
关键词：开裂衬砌，断裂力学，应力强度因子，稳定性分析，模型试验
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ABSTRACT
tunnel lining Tunnel lining cracking the most common diseases,cracking of stmc觚overall security,stability and the effect of the tunnel operators have an
important impact．Mechanical Properties of summarizing the research status at home and abroad as well as the relevant highway tunnel lining cracks in the survey analysis， carried out important issues for cracking lining structure research，according to the process of the formation and expansion of tunnel lining crack，cracking mechanism from starting Lining Cracking and relying on China Merchants Chongqing Communications Research Institute’S commitment to”disease tunnel test and simulation system development”project，carried out Capacity test cracking lining structure， mechanism of crack analysis bearing lining structure．Work and achievements of this
arc as follows： paper carried out ①Based on the literature data of inspection by their predecessors，the collection of Guangdong，Yunnan，Chongqing,Fujian，Sichuan，Hainan，Zhejiang,Tibet,tunnel
inspection reports of tunnel lining crack statistical analysis，classification summary liner
Causes and cracks appear classification；
②For cracks lining snlJctIlre numerical simulation analysis，the HSC of load· structure method using ANSYS finite element software to establish fracture mechanics model to calculate the crack tip stress intensity factor analysis of crack occurred in different parts in V Grade Rock contrast conditions mechanical properties and stability of lining structure；
③Expand the residue bearing performance test cracking lining structure，
mechanism of crack analysis bearing lining；
④Based on the above research，to further improve the fracture evaluation method to assess the stability and safety of cracking lining s劬cture to provide theoretical support for the Treatment of cracks．
KEY WORDS：secondary lining of tunnel，tunnel crack，stress concentration simulation factor,tunnel Ⅱ
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目 录
第一章绪论 ．1
l'l研究的背景及意义 l 1．2国内外研究现状 3 1．2．1理论研究 3 1．2．2实验研究 4 1．2．3隧道衬砌裂缝的分级现状 5 1．2．4隧道开裂衬砌研究存在的问题与发展方向 7 1．3主要研究内容 8
第二章公路隧道衬砌裂缝的成因与统计调查分析 ．9
2．1隧道衬砌开裂的类型 9 2．2衬砌裂缝成因分析 ll 2．2．1衬砌外力作用 ．．1l 2．2．2衬砌材质的劣化 ．13 2．2．3设计方面的因素 ．13 2．2．4施工工艺的因素 ．13 2．2．5地质因素
．14 2．3公路隧道衬砌裂缝的统计调差与分析 14 2．3．1隧道衬砌裂缝与纵断面的关系 ．15
2．3．2隧道衬砌裂缝与横断面的关系 ．1 5 2．3．3隧道衬砌裂缝与围岩级别的关系 ．16 2．3．4隧道衬砌开裂的形态特征 ．17 2．3．5隧道衬砌开裂的长度、宽度特征 ．17 2．4本章小结 ．．19
第三章隧道衬砌结构开裂机理的理论分析 20
3．1隧道衬砌裂缝研究理论简介 。20 3．2线弹性模型 。2l 3．3混凝土材料的弹塑性损伤模型 ．．2l 3．4接触单元 。26 3．5断裂力学基本理论 ．．26 3．5．1断裂力学基本理论 ．26 3。5．2应力强度因子的确定
．27 3．5．3复合荷载作用下的线弹性断裂力学
．30
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3．6本章小结 。3l
第四章隧道开裂衬砌的数值模拟研究
．．32
4．1概述 。32 4．2混凝土裂缝数值模拟模型 32 4．3隧道开裂衬砌的力学模型研究 一34 4．3．1无损二次衬砌分析 ．35 4．3．2己开裂二次衬砌分析 ．37 4．4隧道开裂衬砌的稳定性研究 一44 4．4．I开裂衬砌结构稳定性的评价方法 ．44 4．4．2开裂衬砌结构的稳定性分析 ．47 4．5本章小结 一48
第五章 隧道开裂衬砌的残余承载性能试验 。 49
5．1试验研究的目的与意义 一49 5．2试验概况 ．．49 5．2．1试验材料及试验准备 ．49 5．2．2二衬相似材料的确定 一53 5．3测试仪器的选取与布置 ～56 5．3．1传感器的选取 56 5．3．2量测项目及方法 57 5．3-3测点布设 58 5．4模型加载及记录试验数据 ～59 5．4．1加载步骤 59 5．4．2试验数据处理分析 60 5．5本章小结 一66
第六章结论及展望
68
6．1本文的创新点及主要研究成果 68 6．2有待解决的问题 69
致 谢 70
参考文献 7l
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第一章绪论
第一章绪论弟一旱三：酉记
1．1研究的背景及意义
随着我国交通运输事业的迅猛发展，隧道结构作为道路工程建设的一个重要 结构己被广泛的应用。公路隧道相对于其他交通设施结构物有着天然的优势，可 改善路线的线形客服复杂的地形，缩短行车里程提高运营效果，减少占地面积， 对于城市道路隧道结构其不影响路面的交通。故在道路建设过程中隧道结构往往 都是最优先的选择之一。
公路隧道是作为一种处于天然介质环境中的一种人为结构物，在隧道施工过 程中以及结构材料和地质水文条件等各个方面的原因，研究表明国内外的运营隧 道大多都存在不同程度的病害。公路隧道常见的病害有，衬砌开裂、欠厚、脱空 以及隧道冻害、衬砌侵蚀、渗漏水等。这些隧道病害往往并不是单独出现的，隧 道结构病害都是相互影响，相互作用的。
21世纪以来，我国公路隧道建设规模呈现显著的增长趋势，如下图所示。截 止2013年，我国建成公路隧道11359座，里程9605．6公里，在建600多公里，未 来十年1700多公里。可见我国正处在一个隧道工程建设与运营并行的高峰期。
图1-1我国公路隧道增长趋势图
随着各级公路网的日渐完善，我国正由公路建设高峰期逐渐转向养护期。隧
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公路隧道开裂衬砌的力学模型与承载机理研究-建筑与土木工程专业毕业论文
