本文是一篇工程硕士论文，本文结合 21 座直墙式隧道衬砌病害检测数据，建立三维数值模型就空洞影响下衬砌结构安全性进行了分析，并利用扩展有限元法（XFEM）对空洞存在条件下直墙式隧道衬砌开裂机制及演化规律进行了分析，最后基于模糊综合评价法对直墙式隧道安全性进行了评价，本文主要研究成果如下：（1）根据 21 座直墙式隧道衬砌病害检测资料，对主要的衬砌病害进行统计分析。分析得到，大部分衬砌渗漏水位于拱部，渗漏水形式以浸渗为主、其次是滴漏；就裂缝分布位置而言，拱腰＞拱顶＞边墙，就裂缝分布形式而言纵向裂缝＞环向裂缝＞斜向裂缝，裂缝长度基本呈现正态分布，主要集中在 2~4m，裂缝宽度主要分布于 0~1.0mm 区间。衬砌背后空洞主要分布在拱部位置，空洞纵向长度分布离散性较大，而约 52%空洞数量的竖向高度分布在 10~20cm，通过计算得空洞纵向长度平均值约为 10m、竖向高度平均值约为 19.4cm。
第 1 章 绪论
1.1 研究的背景及意义
随着我国经济实力的迅速增长，近十多年来我国的隧道工程得到了长足的发展，根据交通运输部综合规划司统计数据，截止到 2019 年年底，我国已建成的公路隧道 19067 座，总里程为 18967 km，其中，特长隧道、长隧道分别达到 1175 座、4784 座[1]，图 1-1 为近 10 年来我国公路隧道发展，公路隧道的发展为我国部分地区的经济发展做出了重要贡献，隧道作为公路的重要组成部分在我国庞大的交通网中发挥了重要作用。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 隧道衬砌背后空洞研究现状
（1）理论分析
张素磊等人[4]依托某地区一百余座公路隧道的检测成果，对空洞形态和分布规律进行了统计，并基于此对衬砌结构安全性能进行了综合评价，统计结果表明：空洞多分布于拱部，纵向长度多分布于 20m 以内，竖向高度多分布于 25cm 以内。
董飞等人[5]对北京地铁运营隧道病害进行了统计分析，统计结果表明：空洞主要位于隧道拱顶位置，且主要呈方形及椭圆形。
郭海鹏等人[6]对铁路隧道衬砌空洞成因进行了研究，结果指出：地下水腐蚀、岩溶作用等地质因素以及初支表面不平整、浇筑操作不当等人为因素是主要诱因，并对空洞整治提出相应方案。
Naotoshi Yasuda、Kazuhiko Tsukada、Toshihiro Asakura[7-8]给出了不同加载模式下二维圆形隧道背后脱空条件下衬砌轴力和弯矩变化规律的弹性解，同时，利用弹性有限元法分析了地震波作用下三维圆柱形隧道衬砌结构的受力性能；
张素磊[9]基于平面应变假设和弹性假设推导了衬砌背后空洞下非圆断面隧道双向应力状态及三向受力状态下围岩应力和位移的理论计算公式。
应国刚等人[10-11]根据模型试验得到空洞的存在造成衬砌出现应力集中现象，因此，就拱顶空洞存在这一特殊情况对荷载-结构模型进行了修正，并将修正模型计算结果与模型试验结果对比分析，验证了修正模型的合理性。
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第 2 章 直墙式隧道衬砌病害特征统计分析
2.1 项目概况
2.1.1 工程概况
本次所检测及统计分析的隧道取自于浙江省杭州市 21 座直墙式单层衬砌隧道，隧道总长度达 4843.50m。其中，21 座隧道为短隧道，隧道形式均为单洞两车道，平面线形为直线隧道。所检测隧道多建设于上个世纪 90 年代，经过多年的运营，目前大部分隧道出现了不同程度的病害问题。为了及时掌握公路隧道的技术状况，排除危害隧道安全运营的隐患，受当地公路管理局的委托，于 2019 年 9 月至 2019年 10 月对辖区范围内 21 座农村公路隧道进行了检测工作，隧道现场照如图 2-1所示。
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2.2 直墙式隧道衬砌病害现场检测及统计分析
2.2.1 衬砌渗漏水
（1）渗漏水的危害及成因
衬砌渗漏水是公路隧道最常见的病害问题之一，围岩应力在地下水长期作用下会发生应力松弛等现象，转化为主动荷载而增大了衬砌的围岩压力，大大影响了隧道结构的安全性与耐久性，在寒冷的地区渗漏水结冰膨胀，造成结构的开裂和损伤，在含有腐蚀介质的水环境下，导致混凝土结构劣化和钢筋锈蚀，影响美观和行车体验，水的存在也会对附属结构产生不利影响，比如漏电跳闸、线路老化等。
衬砌渗漏水是衬砌缺陷与围岩地下水相结合后的病害表现，在隧道开挖过程破坏了地下水生态平衡后就会在隧道运营阶段出现地下水汇集的现象，衬砌作为地下水的主要防线，衬砌存在缺陷会给渗漏水的发生造成更大的可能性。可归纳总结渗漏水产生的原因为两方面：
一方面与水文地质等外界因素有关。
1）隧道区段降雨量丰沛，地下水含量富足。2）地质构造的破碎程度，如含有断层面、节理发育的岩层，以及有暗流、地下河等天然水流通道。
另一方面与施工技术等人为因素有关。
1）前期勘察不准确，混凝土的抗渗性不符合要求，防排水系统不完善。2）混凝土施工的级配不均或者水灰比过大，造成了混凝土的不密实、透水性强。3）各种结构缝的处理不当造成后期渗漏水的发生。4）从隧道已有的裂缝通道产生渗漏水。
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第 3 章 衬砌背后空洞对直墙式隧道衬砌安全性影响分析........................27
3.1 衬砌背后脱空计算模型..........................27
3.1.1 计算模型.............................27
3.1.2 空洞形状及尺寸说明.............................27
第 4 章 衬砌背后空洞条件下直墙式隧道衬砌开裂机制研究.................51
4.1 断裂力学基本原理.........................51
4.2 计算模型简介.................................53
4.3 衬砌背后空洞对衬砌开裂机制影响研究......................54
第 5 章 直墙式隧道衬砌结构安全性评价..............................71
5.1 衬砌结构安全分级方法...............................71
5.2 直墙式隧道衬砌安全等级评价指标系统确定............................73
5.3 隧道衬砌安全等级的确定................................73
第 5 章 直墙式隧道衬砌结构安全性评价
5.1 衬砌结构安全分级方法
基于直墙式隧道衬砌背后空洞安全性分析结果，采用层次分析法（AHP）与模糊综合评价原理来把各安全状态评价指标定性或定量地表达，首先根据实际检测统计结果数据对空洞各指标进行计算分析得到综合评价矩阵，然后根据既定的隧道衬砌结构安全状况等级评价表分别对各个衬砌结构病害状态定级，最后对空洞影响下直墙式隧道衬砌结构安全性进行综合评价，评价流程见图 5-1：
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第 6 章 结论与展望
6.1 主要结论
我国早期修建的隧道形式大部分为直墙式隧道，随着隧道运营年限的延长，直墙式隧道结构出现了大量衬砌病害现象，而衬砌背后空洞作为常见的质量缺陷，是隧道病害成因的主要诱因之一，严重威胁着直墙式隧道的运营安全，并且大幅度缩短了运营寿命。为了探究空洞存在条件下直墙式隧道结构力学特性及安全性，本文结合 21 座直墙式隧道衬砌病害检测数据，建立三维数值模型就空洞影响下衬砌结构安全性进行了分析，并利用扩展有限元法（XFEM）对空洞存在条件下直墙式隧道衬砌开裂机制及演化规律进行了分析，最后基于模糊综合评价法对直墙式隧道安全性进行了评价，本文主要研究成果如下：
（1）根据 21 座直墙式隧道衬砌病害检测资料，对主要的衬砌病害进行统计分析。分析得到，大部分衬砌渗漏水位于拱部，渗漏水形式以浸渗为主、其次是滴漏；就裂缝分布位置而言，拱腰＞拱顶＞边墙，就裂缝分布形式而言纵向裂缝＞环向裂缝＞斜向裂缝，裂缝长度基本呈现正态分布，主要集中在 2~4m，裂缝宽度主要分布于 0~1.0mm 区间。衬砌背后空洞主要分布在拱部位置，空洞纵向长度分布离散性较大，而约 52%空洞数量的竖向高度分布在 10~20cm，通过计算得空洞纵向长度平均值约为 10m、竖向高度平均值约为 19.4cm。
（2）基于三维有限元模型对直墙式隧道衬砌背后空洞存在条件下结构内力分布规律及安全性进行了分析，得到以下主要结论：① 衬砌背后空洞改变了结构内力分布，其中，空洞范围内衬砌轴力呈减小现象、衬砌弯矩由负弯矩转变为正弯矩，空洞范围内衬砌结构由外侧受压转变为外侧受拉，拱部衬砌结构处于大偏心受拉状态，降低了衬砌结构整体安全性。② 衬砌内力及结构安全性受空洞环向范围变化影响显著，隧道结构整体安全性随 R 增大逐渐降低。空洞的存在对衬砌纵向上的变形影响较大，衬砌纵向上竖向变形随着距空洞越远变形越小，且变形速率在空洞边界处最大；衬砌安全系数在纵向上呈先增大、后减小、再增大的变化过程，其中，安全系数最小值位于空洞轴线处单元，最大值位于空洞边界内侧衬砌单元。③ 衬砌内力分布特征随着空洞纵向长度的变化而变化。空洞纵向长度的增大对衬砌特征横断面上内力分布及安全性影响较小，但是随着空洞纵向长度 L的增大，衬砌危险截面占比越大，严重降低了隧道衬砌结构承载能力。相比于空洞环向范围及纵向长度，空洞径向高度的变化对结构安全性影响相对较小。
参考文献（略）
