張坤鵬，王紫蓼，李文華，陳德剛，徐 晴，張素磊，，*

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，青島 266525；2.青建集團(tuán)股份公司，青島 266071；3.青島海川建設(shè)集團(tuán)有限公司，青島 266032)

隧道在運(yùn)營(yíng)階段安全狀況對(duì)保證交通運(yùn)行安全至關(guān)重要，襯砌背后空洞作為較為常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷，是產(chǎn)生襯砌結(jié)構(gòu)病害的主要原因之一[1-2]，對(duì)隧道長(zhǎng)期安全性造成不利影響。襯砌背后空洞的存在會(huì)劣化襯砌與圍巖之間的力學(xué)性能，使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中，是導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂的主要原因[3]。

當(dāng)前，大量學(xué)者對(duì)襯砌背后空洞條件下隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析。例如，葉藝超等[4]基于荷載-結(jié)構(gòu)法分析了襯砌背后存在空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響規(guī)律。ZHANG等[5]基于數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)對(duì)襯砌背后雙重空洞影響下的隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行了研究。應(yīng)國(guó)剛等[6]基于模型試驗(yàn)研究，提出了拱頂空洞存在下，荷載-結(jié)構(gòu)模型的修正方法。劉昌[7]通過(guò)建立一系列數(shù)值模型就襯砌背后脫空對(duì)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)特性和安全性的影響規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)分析。楊睿等[8]建立三維有限差分模型對(duì)連拱隧道壁后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。宋磊[9]研究了襯砌背后拱頂、拱腰和仰拱位置的空洞對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)的影響。雷波等[10]通過(guò)建立擴(kuò)展有限元及常規(guī)有限元對(duì)隧道襯砌拱肩空洞引起的襯砌開(kāi)裂形態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展有限元可以很好地描述襯砌裂縫擴(kuò)展規(guī)律。在模型試驗(yàn)方面，WANG等[11]基于模型試驗(yàn)對(duì)襯砌背后存在空洞下的襯砌裂紋分布規(guī)律進(jìn)行了分析。佘健等[12]采用模型試驗(yàn)，研究了圍巖條件以及空洞位置對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。張旭等[13]通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)拱頂與拱肩同時(shí)存在空洞情況下襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂及彎矩和軸力的變化規(guī)律進(jìn)行了研究。

現(xiàn)有研究成果大多對(duì)單洞襯砌背后空洞影響下的隧道安全性進(jìn)行了分析，針對(duì)連拱隧道襯砌背后脫空下的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂研究較少。為了解空洞存在條件下連拱隧道結(jié)構(gòu)的受力特性及安全性影響規(guī)律，本文建立平面應(yīng)變模型，采用擴(kuò)展有限元方法對(duì)拱部背后空洞影響下的連拱隧道開(kāi)裂機(jī)制進(jìn)行研究，為連拱隧道襯砌背后空洞導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理提供借鑒。

1 連拱隧道病害檢測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析

本研究依托浙江省湖州市某雙向四車道的連拱隧道。連拱隧道整體寬度27.5 m，拱高9.85 m。由于該地區(qū)豐富的降雨量給隧道服役期限帶來(lái)一些不利影響，因此對(duì)隧道區(qū)間展開(kāi)一系列定期檢查。

1.1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫是最常見(jiàn)的一種病害形式，依據(jù)隧道裂縫走向可將其劃分為3種形式，即縱向裂縫、環(huán)向裂縫和斜向裂縫[14]?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裂縫共計(jì)109條，裂縫走向及裂縫位置占比如圖1所示。襯砌裂縫按照走向劃分主要以環(huán)向裂縫及縱向裂縫為主，兩者占裂縫總量的94.5%，而斜向裂縫僅占總量的5.5%。如果按照裂縫出現(xiàn)位置劃分，拱頂和拱腰位置裂縫占比較大，分別占裂縫總量的34.9%和41.3%，因此應(yīng)該為隧道服役安全性的重點(diǎn)關(guān)注部位。

圖1 裂縫占比

1.2 襯砌背后空洞

襯砌背后脫空及厚度不足是隧道結(jié)構(gòu)病害的主要表現(xiàn)形式之一，由于襯砌背后空洞是引發(fā)襯砌裂縫及滲漏水等病害的主要誘因，因此需更加密切關(guān)注。由于空洞位于襯砌背后的隱蔽性原因，肉眼無(wú)法識(shí)別空洞所處位置，而通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確識(shí)別出襯砌背后是否存在脫空及厚度不足等情況，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。圖3為檢測(cè)空洞位置分布情況，從圖中可以看出，拱腰部位空洞數(shù)量較多，拱頂次之，而邊墻部位空洞占比最少，因此，拱頂和拱腰部位是產(chǎn)生空洞的主要區(qū)域。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

2 計(jì)算模型建立

圖4 連拱隧道橫斷面尺寸示意(R為半徑；單位：m)

圖5 數(shù)值計(jì)算模型

由于襯砌背后空洞在連拱隧道中是較為常見(jiàn)的隧道病害，且極易對(duì)結(jié)構(gòu)安全性造成不利影響，為了解襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的影響，本文選取存在拱頂背后空洞的典型地質(zhì)斷面進(jìn)一步研究分析，望得出一些有價(jià)值結(jié)論。既有研究表明，空洞環(huán)向范圍對(duì)襯砌力學(xué)特性影響大，而空洞徑向高度影響較小，因此參考已有文獻(xiàn)[15]，將空洞徑向高度統(tǒng)一設(shè)置為0.5 m；文獻(xiàn)[16]通過(guò)分析不同空洞形狀下襯砌的內(nèi)力分布，發(fā)現(xiàn)空洞的形狀并不會(huì)對(duì)襯砌的內(nèi)力分布產(chǎn)生較大影響，因此本文中將空洞的形狀統(tǒng)一處理為環(huán)形，通過(guò)有限元軟件ABAQUS，對(duì)空洞區(qū)域內(nèi)的單元格進(jìn)行“殺死”來(lái)模擬襯砌背后的空洞。以某一級(jí)公路連拱隧道為背景，該連拱隧道的單洞為單向兩車道，隧道的凈高度為9.85 m，凈寬度為12.25 m，隧道的橫斷面尺寸如圖4所示。

圖5為計(jì)算模型示意，模型水平方向長(zhǎng)度為110 m，豎向長(zhǎng)度為60 m，隧道埋深為24 m，θ為空洞的環(huán)向范圍(單位：°)，通過(guò)在上表面施加荷載以模擬不同隧道埋深。約束計(jì)算模型兩側(cè)的的水平位移及底部的豎向位移。數(shù)值模擬過(guò)程采用M-C本構(gòu)模型，襯砌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為各向同性的線彈性體，材料參數(shù)如表1所示。襯砌開(kāi)裂主要由混凝土抗拉強(qiáng)度過(guò)低所引起，從斷裂力學(xué)理論分析可以發(fā)現(xiàn)，最大周向拉應(yīng)力強(qiáng)度因子理論適用于混凝土的開(kāi)裂，所以本文擴(kuò)展有限元計(jì)算中裂縫擴(kuò)展準(zhǔn)則采用最大周向拉應(yīng)力破壞準(zhǔn)則，襯砌開(kāi)裂擴(kuò)展的條件是混凝土最大拉力應(yīng)超過(guò)本身抗拉強(qiáng)度。參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[17]，襯砌結(jié)構(gòu)為C30混凝土，其抗拉強(qiáng)度為2.01 MPa，極限壓應(yīng)變?yōu)?.3×10-3，根據(jù)文獻(xiàn)[18]中的研究成果將斷裂能選為80 N/m。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

3 連拱隧道襯砌背后空洞影響下結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理

本研究將針對(duì)連拱隧道單側(cè)襯砌背后空洞以及雙側(cè)襯砌背后空洞影響下結(jié)構(gòu)開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行研究，就襯砌背后空洞環(huán)向范圍的大小對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂及發(fā)展規(guī)律進(jìn)行研究分析。圖6為連拱隧道單側(cè)和雙側(cè)襯砌背后空洞影響下的計(jì)算工況示意，單側(cè)襯砌背后空洞取環(huán)向范圍θ=20°，40°及60° 3種工況，由于連拱隧道的結(jié)構(gòu)特殊性，存在隧道左線和右線同時(shí)存在空洞的復(fù)雜情況，因此需要對(duì)這種工況進(jìn)行研究。這里將雙側(cè)空洞右側(cè)空洞環(huán)向范圍θ設(shè)置為40°，而左側(cè)隧道襯砌背后空洞θ分別設(shè)置為40°，60° 2種工況。這里通過(guò)在地表施加荷載來(lái)模擬不同埋深，地表荷載取0～1 MPa。

圖6 計(jì)算工況示意

3.1 襯砌背后無(wú)空洞

為了研究襯砌背后空洞影響下的連拱隧道開(kāi)裂機(jī)制，首先需要分析襯砌背后無(wú)空洞工況(圍巖與襯砌密貼)下襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂機(jī)理。圖7為無(wú)空洞工況下襯砌最小主應(yīng)變?cè)茍D，可見(jiàn)襯砌結(jié)構(gòu)在隧道兩側(cè)拱腳的位置最小主應(yīng)變最大，分別為1.737×10-3和1.773×10-3，這是由于拱腳承受壓應(yīng)力，且靠近中隔墻一側(cè)的拱腳壓應(yīng)力較遠(yuǎn)離中隔墻的一側(cè)更大，因此最小主應(yīng)變也較大，但是兩側(cè)最小主應(yīng)變均未超過(guò)混凝土的極限壓應(yīng)變。圖8為該工況下的襯砌開(kāi)裂分布，圖中數(shù)字大小代表開(kāi)裂順序，拱腳位置處應(yīng)力集中使得靠近中隔墻處拱腳先行開(kāi)裂，隨后遠(yuǎn)離中隔墻處的拱腳出現(xiàn)開(kāi)裂，即裂縫1—4，因此在設(shè)計(jì)和施工中要加強(qiáng)對(duì)拱腳位置處的關(guān)注。隨著荷載的不斷增大，仰拱內(nèi)側(cè)靠近中隔墻的位置出現(xiàn)拉裂縫，裂縫5—6相繼出現(xiàn)，需要指出的是圍巖與襯砌接觸良好的情況下，拱部不會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

3.2 單側(cè)襯砌背后空洞

3.2.1 襯砌背后環(huán)向范圍θ=20°空洞

圖9為襯砌背后環(huán)向范圍θ=20°空洞時(shí)襯砌結(jié)構(gòu)的最小主應(yīng)變?cè)茍D，對(duì)比圖7可以看出，空洞的存在會(huì)改變周圍一定范圍內(nèi)的襯砌應(yīng)變分布，襯砌結(jié)構(gòu)的其他位置應(yīng)變規(guī)律并沒(méi)有發(fā)生較大的改變，拱腳位置仍然是最小主應(yīng)變最大處，且相較于無(wú)空洞情況，最小主應(yīng)變略有增大，但也未發(fā)生壓潰。圖10為該工況下的襯砌開(kāi)裂分布，從裂縫的分布以及開(kāi)裂順序可以看出，空洞的存在雖然改變了襯砌結(jié)構(gòu)局部的受力狀態(tài)，但由于空洞環(huán)向范圍較小，空洞附近襯砌未出現(xiàn)開(kāi)裂。相較于無(wú)空洞的情況，仰拱繼續(xù)開(kāi)裂，在遠(yuǎn)離中隔墻的一側(cè)出現(xiàn)裂縫，即裂縫7—8相繼出現(xiàn)。

圖7 無(wú)空洞工況下連拱隧道襯砌最小主應(yīng)變?cè)茍D

圖8 無(wú)空洞工況下連拱隧道襯砌開(kāi)裂分布

圖9 空洞θ=20°時(shí)襯砌最小主應(yīng)變?cè)茍D

圖10 空洞θ=20°時(shí)襯砌開(kāi)裂分布

3.2.2 襯砌背后環(huán)向范圍θ=40°及θ=60°空洞

圖11(a)和圖11(b)分別為襯砌背后空洞環(huán)向范圍為θ=40°和θ=60°的襯砌開(kāi)裂分布。從圖中可以看出，隨著空洞范圍的不斷增大，襯砌的開(kāi)裂模式也隨之發(fā)生變化，襯砌結(jié)構(gòu)在拱部空洞附近出現(xiàn)3條裂縫，仰拱和拱腳附近襯砌結(jié)構(gòu)仍然會(huì)開(kāi)裂，但其裂縫的分布和開(kāi)裂順序均發(fā)生了變化。由于空洞環(huán)向范圍的進(jìn)一步增大，拱部襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能也隨之惡化，拉應(yīng)力急劇增大，襯砌結(jié)構(gòu)支護(hù)后拱部相繼出現(xiàn)裂縫5—7。同時(shí)可以看出，空洞環(huán)向范圍的改變對(duì)仰拱的裂縫分布也有較大影響。右側(cè)隧道仰拱位置處出現(xiàn)裂縫8和裂縫9，與空洞較小時(shí)的開(kāi)裂順序發(fā)生了改變。隨著連拱隧道左側(cè)的空洞范圍不斷增大，右側(cè)隧道的仰拱裂損范圍增大，左側(cè)仰拱裂損范圍減小，當(dāng)空洞范圍達(dá)到θ=60°時(shí)，左側(cè)仰拱襯砌不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂，因此，左側(cè)仰拱的裂縫數(shù)量少于右側(cè)仰拱。

圖11 襯砌開(kāi)裂分布

以空洞θ=40°為例，分析裂縫產(chǎn)生的原因，圖12為襯砌外側(cè)和內(nèi)側(cè)的最大主應(yīng)力分布曲線，襯砌結(jié)構(gòu)在拱腳外側(cè)出現(xiàn)4條拉裂縫，拱頂在空洞的中心，拱頂襯砌結(jié)構(gòu)向臨空的空洞“外凸”，導(dǎo)致此處結(jié)構(gòu)外側(cè)出現(xiàn)拉裂縫5。從圖12(b)可以看出，同樣由于空洞兩側(cè)附近出現(xiàn)局部“內(nèi)凹”，此處結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉裂縫6—7，而從仰拱兩側(cè)的應(yīng)力集中處可以看出，遠(yuǎn)離空洞一側(cè)隧道的拉應(yīng)力較空洞一側(cè)隧道的拉應(yīng)力大，因此先出現(xiàn)裂縫8—9，而當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度后，裂縫10出現(xiàn)。

圖12 空洞θ=40°時(shí)襯砌最大主應(yīng)力分布曲線

3.3 雙側(cè)襯砌背后空洞

圖13為雙側(cè)襯砌背后空洞2種工況的襯砌裂縫分布。從圖13(a)中可以看出，由于結(jié)構(gòu)和空洞的對(duì)稱性，連拱隧道左線、右線襯砌裂縫分布以及開(kāi)裂順序呈對(duì)稱分布，襯砌結(jié)構(gòu)同樣是在拱腳位置處先開(kāi)裂，然后兩側(cè)隧道拱頂開(kāi)裂，隨后空洞兩側(cè)的襯砌開(kāi)裂，最后仰拱遠(yuǎn)離中隔墻一側(cè)出現(xiàn)開(kāi)裂。

雙側(cè)襯砌背后空洞重點(diǎn)分析左側(cè)空洞θ=60°及右側(cè)空洞θ=40°時(shí)的工況。從圖13(b)可見(jiàn)，鑒于左側(cè)隧道空洞環(huán)向范圍θ=60°大于右側(cè)環(huán)向范圍θ=40°，在左側(cè)隧道拱部襯砌相繼開(kāi)裂后，即裂縫5—7，右側(cè)隧道拱部襯砌隨后發(fā)生開(kāi)裂，即裂縫8—10，且可以看出左側(cè)隧道拱部襯砌裂損的深度明顯要大于右側(cè)隧道?？梢钥闯觯谧髠?cè)空洞較大時(shí)，仰供僅在空洞較小一側(cè)出現(xiàn)開(kāi)裂，且離左側(cè)空洞越遠(yuǎn)，開(kāi)裂越早。

圖13 襯砌裂縫分布

圖14為左側(cè)空洞θ=60°及右側(cè)空洞θ=40°時(shí)襯砌外側(cè)和內(nèi)側(cè)的最大主應(yīng)力分布曲線，可見(jiàn)左右兩側(cè)隧道拱頂均發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，但左側(cè)隧道拱部應(yīng)力集中的大小和范圍明顯大于右側(cè)，因此，左側(cè)隧道拱部外側(cè)的開(kāi)裂順序以及裂損的深度都要大于右側(cè)隧道。從圖14(b)可以看出，左側(cè)隧道空洞兩側(cè)襯砌的最大主應(yīng)力幅值及應(yīng)力集中范圍大于右側(cè)隧道，因此裂縫6—7先于裂縫9—10出現(xiàn)。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，右側(cè)仰拱兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此出現(xiàn)裂縫11和裂縫12。

圖14 左側(cè)空洞θ=60°及右側(cè)空洞θ=40°最大主應(yīng)力分布曲線

4 連拱隧道襯砌背后空洞影響下襯砌裂縫擴(kuò)展規(guī)律

4.1 單側(cè)襯砌背后空洞

由上分析可見(jiàn)，空洞環(huán)向范圍較大時(shí)，襯砌裂縫的出現(xiàn)順序及擴(kuò)展規(guī)律與θ=20°時(shí)存在較大差異。因此，對(duì)θ=40°及θ=60°時(shí)襯砌裂縫的開(kāi)裂荷載及最終擴(kuò)展深度進(jìn)行分析，見(jiàn)圖15所示。

由上述分析可得，空洞環(huán)向范圍顯著影響襯砌裂縫擴(kuò)展情況。當(dāng)空洞θ=40°時(shí)，在未加載時(shí)，連拱隧道在兩側(cè)隧道拱腳和空洞側(cè)隧道拱頂發(fā)生開(kāi)裂，即裂縫1—5相繼開(kāi)裂，且兩側(cè)隧道的拱腳均在靠近中隔墻一側(cè)最終擴(kuò)展深度最大，為22.5 cm。開(kāi)始加載后，拱部空洞兩側(cè)附近出現(xiàn)裂縫6—7，當(dāng)荷載達(dá)到0.48 MPa時(shí)，右側(cè)仰拱裂縫裂縫8—9相繼出現(xiàn)，隨著荷載進(jìn)一步增大，左側(cè)仰拱出現(xiàn)裂縫10，由此可見(jiàn)，空洞對(duì)右側(cè)隧道仰拱的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能劣化程度要大于左側(cè)；當(dāng)θ=60°時(shí)，裂縫1—7的開(kāi)裂荷載與θ=40°時(shí)裂縫1—7的開(kāi)裂荷載總體上對(duì)應(yīng)相等，但裂縫的擴(kuò)展深度發(fā)生了明顯改變，特別是空洞附近的裂縫5—7的開(kāi)裂深度明顯增大，而拱部靠近中隔墻的裂縫7開(kāi)裂深度達(dá)到了45 cm，由于空洞存在導(dǎo)致仰拱內(nèi)側(cè)最大應(yīng)力減小，左側(cè)隧道仰拱裂縫8—9起裂荷載相較于θ=40°時(shí)增大。可見(jiàn)，空洞范圍增大會(huì)改變襯砌的開(kāi)裂擴(kuò)展情況，會(huì)導(dǎo)致空洞附近襯砌結(jié)構(gòu)裂損更加嚴(yán)重。

4.2 雙側(cè)襯砌背后空洞

左側(cè)空洞θ=60°和右側(cè)空洞θ=40°時(shí)襯砌裂縫的開(kāi)裂荷載及最終擴(kuò)展深度關(guān)系進(jìn)行見(jiàn)圖16，可見(jiàn)，當(dāng)施加襯砌后，襯砌結(jié)構(gòu)隨即出現(xiàn)裂縫1—8，這些裂縫在連拱隧道拱腳、左側(cè)隧道拱部空洞附近以及右側(cè)隧道拱頂，且可以看出這些裂縫的起裂荷載明顯降低，當(dāng)荷載增加到0.1 MPa后，右側(cè)隧道的拱部空洞附近裂縫9—10出現(xiàn)，當(dāng)荷載繼續(xù)增大，右側(cè)仰拱兩側(cè)出現(xiàn)裂縫。從裂縫最終的擴(kuò)展深度可以看出，左側(cè)隧道拱部空洞附近裂縫5—7要大于右側(cè)拱部空洞附近裂縫8—9，且左側(cè)隧道拱部靠近中隔墻一側(cè)裂縫7擴(kuò)展深度最大。由此可見(jiàn)，當(dāng)連拱隧道兩側(cè)都存在空洞時(shí)，空洞較大一側(cè)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂更為嚴(yán)重。

圖17 裂縫擴(kuò)展示意

重點(diǎn)對(duì)襯砌拱部裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行研究分析，圖18(a)—(c)為左側(cè)隧道拱部襯砌裂縫的相對(duì)位移曲線，首先對(duì)拱頂?shù)牧芽p5進(jìn)行分析，Δuθ和Δur總體上隨荷載呈線性增大的趨勢(shì)，Δur增大幅度小于Δuθ，但是二者總體上相差不大，為典型的“復(fù)合型”開(kāi)裂，隨著裂縫5擴(kuò)展深度的不斷增大，當(dāng)荷載增加至約0.95 MPa時(shí)，Δuθ出現(xiàn)突變?cè)龃?，荷載會(huì)改變裂縫的位移變形規(guī)律。裂縫6和裂縫7的Δur，Δuθ總體上隨荷載增大增大，當(dāng)荷載增大至約0.95 MPa時(shí)裂縫6的Δur出現(xiàn)輕微的突變，而裂縫7的Δuθ急劇增大?？梢钥闯?，裂縫7在荷載不斷增大后，其開(kāi)裂模式從“剪切型”向“復(fù)合型”轉(zhuǎn)變。

圖18(d)—(f)為右側(cè)隧道拱部襯砌裂縫的相對(duì)位移曲線，隧道拱頂裂縫8的Δuθ隨荷載呈線性增大現(xiàn)象，而Δur隨荷載變化變化很小，可見(jiàn)，右側(cè)隧道拱頂裂縫8以“張開(kāi)型”為主；隧道拱部空洞附近的裂縫9、裂縫10兩側(cè)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移均是Δur大于Δuθ，但裂縫9(遠(yuǎn)離中隔墻側(cè))的Δur隨外荷載的擴(kuò)展位移明顯大于裂縫10(靠近中隔墻側(cè))，可以得出，右側(cè)隧道襯砌在遠(yuǎn)離中隔墻區(qū)域結(jié)構(gòu)變形機(jī)制及力學(xué)性能受空洞影響較大。

圖19 隧道檢測(cè)對(duì)比示意

5 工程案例對(duì)比分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)出隧道拱頂背后空洞位置，發(fā)現(xiàn)其附近空洞兩側(cè)位置處存在多條橫向裂紋，這與本文模擬空洞附近襯砌結(jié)構(gòu)裂損規(guī)律基本吻合(圖19)。因此，當(dāng)通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)出隧道空洞病害時(shí)應(yīng)加以關(guān)注，及時(shí)制定相應(yīng)的處治措置，如背后充填注漿等，防止發(fā)生不可避免的危害。

6 結(jié)論

連拱隧道圍巖與襯砌之間相互作用關(guān)系會(huì)因襯砌背后空洞存在發(fā)生改變，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)受力性能惡化，而空洞位置的不同以及空洞尺寸大小都會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂擴(kuò)展造成影響，本文主要研究結(jié)論如下：

1) 通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，襯砌開(kāi)裂及襯砌背后空洞為幾種較為常見(jiàn)隧道病害，而襯砌背后空洞又是引發(fā)多種病害的重要誘因，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2) 襯砌背后不存在空洞時(shí)，隧道首先會(huì)在拱腳位置出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，隨外部荷載不斷增大，在仰拱位置兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)張拉裂縫，因此拱腳位置在施工中應(yīng)該加強(qiáng)關(guān)注。

3) 連拱隧道在單側(cè)存在空洞時(shí)，空洞范圍會(huì)影響襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂模式，空洞較小時(shí)與無(wú)空洞相比，仰拱會(huì)持續(xù)開(kāi)裂，但空洞周圍襯砌不發(fā)生開(kāi)裂。隨著空洞范圍增大，拱頂外側(cè)和空洞邊界位置會(huì)出現(xiàn)裂縫，仰拱內(nèi)側(cè)裂縫分布會(huì)發(fā)生較大變化。隨著空洞環(huán)向范圍越大，襯砌結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展深度越大。

4) 連拱隧道兩側(cè)均存在空洞時(shí)，空洞大小一致，兩側(cè)隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂模式基本一致，拱部襯砌結(jié)構(gòu)裂縫變形規(guī)律相較于單側(cè)空洞下更復(fù)雜?？斩创笮〔灰恢?，空洞較大一側(cè)裂縫擴(kuò)展深度比較小側(cè)大，空洞較大側(cè)靠近中隔墻襯砌內(nèi)側(cè)裂縫擴(kuò)展速率會(huì)隨著外部荷載不斷增大。