0 引言

　　隧道在长期运营过程中，衬砌背后脱空、基底失稳、不均匀沉降等病害均会使衬砌产生裂缝。不同类型、危害程度的裂缝对隧道结构整体性、稳定性产生不同的影响，也会引起渗漏水、钢筋锈蚀等其他次生病害。目前，隧道运营病害越来越受到重视，相关研究人员从多个角度对运营病害进行大量研究工作，但主要针对单一病害，关于多种病害相互作用的研究较少。为此，基于实际工程，对衬砌裂缝与背后脱空的相互作用关系进行研究。

　　1 工程概况

　　甘肃省省道301线海岗公路共有4座深埋石质隧道，穿越地层岩性主要以粉砂质泥岩、灰岩、板岩等为主。隧道全线衬砌按新奥法原理设计，初期支护以喷锚(网)为主要支护手段。Ⅳ，Ⅴ级围岩及紧急停车带段增加钢拱架或格栅钢架支护，Ⅴ级围岩及紧急停车带段二次衬砌采用钢筋混凝土结构，Ⅲ，Ⅳ级围岩二次衬砌采用模注混凝土结构。

　　2 病害调查

　　隧道建成后，随着运营时间的增加，衬砌逐渐出现不同危害程度的裂缝，且裂缝引起了其他次生灾害。为明确裂缝产生原因，分析裂缝危害程度，采取合理的病害治理方案，并通过地质雷达对衬砌裂缝及背后脱空进行检测，结果如表1所示。由表1可知，87%的脱空位置附近存在不同危害程度的不规则裂缝，可见背后脱空是造成衬砌开裂的重要因素。根据现场检测结果及后期治理施工情况，可知不规则裂缝主要特征包括:(1)与脱空位置存在较强关联性，通常出现在脱空位置附近的结构上;(2)为龟裂状(见图1)，宽度较小，通常<0.2mm，明显小于环、纵向裂缝宽度;(3)通常出现在衬砌内表面，深度<5cm，未出现贯穿裂缝，不会引起渗漏水等现象。

　　表1 衬砌裂缝及背后脱空检测结果 

　　表1 衬砌裂缝及背后脱空检测结果

　　图1 衬砌开裂及背后脱空情况  

　　3 开裂原因分析

　　温度变化、混凝土收缩、不均匀变形、外部荷载等因素均会引起衬砌开裂。混凝土内部存在微小裂缝，在较小荷载作用下裂缝处于稳定状态;当荷载作用增大时，裂缝逐渐发展延伸，使衬砌出现较大的裂缝，进而发生裂损;当荷载作用继续增大时，裂缝继续发育，最终导致衬砌开裂失稳。

　　纵向裂缝主要出现在拱顶和拱腰位置，围岩位移引起隧道应力、变形发生变化，使衬砌出现纵向裂缝，其对隧道结构的危害最大。不均匀沉降等因素使衬砌受剪，进而产生环向裂缝。衬砌背后脱空引起衬砌局部荷载发生变化，造成应力集中，也会使衬砌产生裂缝。

　　4 数值模拟分析

　　为进一步确定衬砌受力状态及裂缝与背后脱空的相互作用关系，采用有限元软件进行数值模拟分析。选用Ⅳ级围岩作为计算围岩条件，选取隧道标准断面，衬砌厚28cm。围岩、衬砌力学参数如表2所示。据统计，脱空通常出现在隧道拱腰以上位置，所以模拟分析时设置脱空位于隧道侧上方衬砌背后，如图2所示。

　　表2 力学参数 

　　表2 力学参数

　　图2 计算模型  

　　衬砌背后无脱空时受力状态如图3所示，由图3可知，脱空位置附近衬砌受压，且受力较均匀，最大主应力为-1～0MPa，最小主应力为-11～-2MPa。

　　图3 无脱空情况下衬砌应力云图(MPa)  

　　衬砌背后脱空时受力状态如图4所示，由图4可知，脱空位置附近衬砌受力较复杂，拉、压力均存在，最大主应力为-2～1MPa，最小主应力为-10～-1MPa。衬砌在脱空位置出现明显的应力集中，内侧出现较大拉应力，说明脱空改变了支护结构受力形式。

　　图4 脱空情况下衬砌应力云图(MPa)  

　　脱空位置附近衬砌弯矩如图5所示，由图5可知，脱空位置衬砌弯矩发生较大变化。脱空位置衬砌内部应力如图6所示，由图6可知，无脱空情况下，衬砌内部均处于受压状态;脱空情况下，衬砌内部5cm厚范围内存在受拉区域。

　　由于混凝土结构抗拉性能远低于抗压性能，特别是素混凝土区段，处于受拉状态的混凝土极易出现开裂。衬砌背后脱空时，部分区域由受压变为受拉，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，结构开裂。衬砌受压区域部分压应力虽在一定程度上增大，但未超过混凝土抗压强度。综上所述，脱空情况下，衬砌因部分区域受拉而开裂，由于拉应力较小，且受拉范围较小，因此衬砌表面产生不规则裂缝，裂缝深度、宽度均较小。

　　图5 衬砌弯矩  

　　图6 衬砌内部应力  

　　5 衬砌裂缝治理

　　衬砌裂缝治理过程中须根据裂缝发展程度和安全状态进行修复，还应结合衬砌开裂分析结果，对引起开裂的隧道病害和缺陷进行治理。

　　5.1 稳定性分析

　　混凝土开裂模式分为张开型裂缝、拉剪裂缝和压剪裂缝，可根据裂缝稳定性系数确定:

　　式中:f为裂缝稳定性系数;K_IC,K_IIC为断裂韧度，可通过试验确定;K_I,K_II为裂缝应力强度因子，可通过有限元法进行求解;λ为压减系数。

　　当f≥1时衬砌裂缝稳定，当f<1时衬砌裂缝失稳，可据此对裂缝稳定性进行判断。

　　5.2 治理措施

　　结合省道301线海岗公路隧道检测结果及衬砌裂缝稳定性分析结果，同时考虑衬砌背后脱空等病害，建立衬砌开裂病害综合治理方案。脱空和无脱空情况下，当f≥1时，对于宽度<0.1mm的裂缝进行水泥渗透结晶表面修复，对于宽度为0.1～0.3mm的裂缝采用低压注浆修复，对于宽度>0.3mm的裂缝采用凿槽注浆、打孔注浆修复。通过现场病害治理，保证隧道结构安全，取得一定经济效果。

　　对于不影响结构稳定性的裂缝，采用低压注浆、凿槽注浆、打孔注浆等方式进行修复，达到填充和封堵目的，防止裂缝继续发展，特别是防止衬砌渗漏和钢筋锈蚀。对于开裂较严重、造成结构失稳的区域，须采用补强加固的方式进行修复，主要有粘贴钢带、增设套拱、局部换拱等方法。裂缝治理仅起一定修复作用，如要防止裂缝继续发展和新裂缝的产生，须从根源入手，对引起开裂的病害进行治理。

　　对于衬砌背后脱空，采用注浆的方式进行填充，注浆材料选用无收缩自密实水泥，防止水泥收缩影响填充效果。注浆过程中应严格控制注浆压力，防止对衬砌造成二次破坏，并避免对衬砌防水结构造成破坏。

　　6 结语

　　1)检测范围内87%的脱空位置附近存在不同危害程度的不规则裂缝，该类裂缝为龟裂状，宽度通常<0.2mm，深度<5cm。

　　2)衬砌背后脱空时，部分区域由受压变为受拉，当拉应力超过混凝土抗拉强度时，结构开裂。衬砌受压区域部分压应力虽在一定程度上增大，但未超过混凝土抗压强度。

　　3)背后脱空等病害对衬砌造成影响，进一步加深衬砌开裂程度。须根据裂缝发展程度和安全状态进行修复，还应对引起开裂的隧道病害和缺陷进行治理。