隧道衬砌裂缝位置对变质层状软岩隧道承载能力的影响

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Effect of lining crack location on the bearing capacity of tunnels in metamorphic layered soft rock

　　

赵亮亮|杨文博|王振安|邢中原|赵长辉|李生

兰州交通大学土木工程学院，中国甘肃兰州730070

摘要

在中国西部的高山和峡谷地区，许多建在变质层状软岩体中的隧道在运营期间会遇到衬砌开裂的问题。工程实践表明，衬砌损伤的位置与岩层排列结构密切相关，不同位置发生的裂缝对结构安全性的威胁也大不相同。为了研究衬砌裂缝位置对隧道结构承载性能的影响，本研究结合模型试验和扩展有限元方法（XFEM）数值模拟，分析了裂缝的发展、变形模式、内部力的重新分布以及衬砌的极限承载能力。结果表明，裂缝的存在会破坏衬砌的连续性，阻碍周围岩石压力的有效传递，导致局部变形和应力集中加剧，从而降低隧道结构的承载能力。裂缝的位置是控制破坏模式和承载能力下降程度的关键因素。特别是位于岩层倾角突变或曲率极值位置的裂缝，其传播速度更快，对承载能力的削弱作用更为显著。复合裂缝由于多个区域承载能力的丧失和连续弱区的形成，会导致承载能力降低多达43%。此外，数值模拟在裂缝形态、传播趋势和变形方面与模型试验结果高度一致，误差小于5%，从而验证了数值模型的可靠性。

引言

在中国西部的山区，有许多隧道主要由片岩和板岩等变质层状软岩构成（吴等人，2022a）。由于层状软岩的各向异性和蠕变特性，加上西部地区强烈的地质构造运动以及复杂的地质应力条件，这些隧道的衬砌在长期运营过程中容易发生开裂和损坏（隋等人，2023；刘等人，2025；陈等人，2025）。这些裂缝不仅影响隧道的使用寿命，还可能削弱其结构承载能力，从而对运营安全构成威胁（赵等人，2024a）。因此，明确衬砌开裂后变质层状软岩隧道结构损伤的演化机制及其承载性能的退化规律对于评估长期结构可靠性以及保障这些高山和峡谷环境中隧道的安全可持续运营至关重要。

值得注意的是，变质层状软岩具有显著的各向异性，其力学性能会因方向的不同而显著变化（杜等人，2024；秦等人，2024；兰等人，2025）。这种方向性差异不仅控制着岩体的变形和破坏机制，还显著影响隧道衬砌裂缝的起源位置、传播路径和长期演化规律（吴等人，2022a）。基于这些特性，许多学者对此类隧道结构中的裂缝原因进行了相应的研究（卢等人，2023）。研究表明，软岩的各向异性是导致衬砌结构不对称开裂的主要因素（徐等人，2020；郑等人，2024）。具体来说，岩层的倾角和走向直接决定了裂缝的分布模式，裂缝通常发生在与岩层法线方向相交的应力集中区域（赵等人，2024b；刘等人，2024a）。同时，地质应力场作为另一个关键的外部因素，与岩体的各向异性相互作用，进一步控制着衬砌裂缝的位置和发展趋势（陈等人，2019；刘等人，2024b；胡等人，2025）。此外，工程和环境因素，包括变质层状软岩的风化程度、地下水的软化及渗流效应，以及不当的支护结构形式或施工时机，也会显著影响衬砌裂缝的具体位置和范围，从而形成多因素耦合的裂缝机制（詹等人，2023）。

当前关于变质层状软岩隧道衬砌开裂的研究中，其力学行为的时变特性和空间效应受到了广泛关注（徐等人，2019a；陈等人，2024a）。研究表明，裂缝的生成会引发隧道内的局部变形，随着裂缝的扩展，变形逐渐蔓延到周围区域，加剧整体结构变形（贾和唐，2007）。一旦形成贯穿裂缝，衬砌的整体连续性就会受到破坏，原本完整的承载系统会被分割成多个独立的应力单元，不仅中断了原有的载荷传递路径，还显著降低了隧道衬砌的弯曲刚度（徐等人，2019；刘等人，2024c；林等人，2025）。进一步的研究表明，结构刚度的降低削弱了其协调周围岩石压力的能力，引发内部力的重新分布，并形成内部力集中传递效应，进而加速裂缝的传播（孙等人，2019；赫尔曼等人，2022）。此外，内部力的重新分布不仅降低了衬砌的整体承载能力，还改变了其破坏机制，使外部载荷从全局承载转变为局部承载，这可能导致即使在低地质应力条件下也会发生隧道破坏，从而对隧道的长期运营安全构成严重威胁（隋等人，2024；赫尔曼等人，2022）。

裂缝位置对隧道衬砌性能的影响越来越受到关注，因为它对局部变形、应力重新分布和最终承载能力具有关键影响（闵等人，2025）。多项研究已经定量评估了其对衬砌安全性的影响（李等人，2026）。通过全尺寸加载试验中的梁-弹簧模型，研究人员发现拱部裂缝对结构安全性的危害最大，而拱腰、侧壁或拱脚处的裂缝影响较小——这一发现得到了模拟分析的支持，模拟结果一致认为拱部是最危险的位置（宋等人，2019；唐等人，2023）。此外，详细的数值研究表明，不同位置的裂缝会导致不同的破坏机制：拱部、侧壁和仰坡处的现有裂缝主要引发局部压缩破坏，而拱脚处的裂缝则主要引发局部剪切破坏（闵等人，2024；雷等人，2024）。后者尤为重要，因为拱脚和侧壁处的裂缝可能会引发显著的不对称变形，由此产生的局部应力集中直接导致衬砌的突然不稳定（陈等人，2024b）。

总之，关于层状软岩隧道衬砌裂缝的机制及其开裂衬砌结构的承载性能，已经建立了扎实的研究基础。然而，在变质层状软岩的各向异性影响下，衬砌裂缝的空间分布特征强烈依赖于岩层倾向，而岩体的蠕变效应意味着不同位置的裂缝传播模式也存在显著差异，最终导致结构承载能力的非均匀退化。目前，专门研究裂缝位置对这类隧道衬砌承载性能影响的研究仍然有限。因此，本文采用模型试验和数值模拟方法，研究了在不同岩层倾角（0°、45°和90°）下，不同裂缝位置对衬砌结构承载能力的影响，特别关注结构损伤、变形分布、内部力重新分布以及极限承载能力的变化。此外，还追踪了裂缝的传播路径，以揭示裂缝位置与隧道结构承载性能之间的相关性。

章节摘录

测试方法

为了研究层状软岩隧道中开裂衬砌结构的裂缝传播动力学、变形特性和内部力重新分布模式，并进一步揭示其承载能力的演化机制，本研究对具有不同裂缝位置的层状软岩隧道衬砌进行了加载试验。本节主要介绍测试条件、测试材料和测试设备。

测试结果

基于加载过程中获得的隧道裂缝传播、变形、应力-应变和压电波信号数据，本节通过分析损伤演化、变形模式、内部力重新分布和极限承载能力来评估隧道结构的承载性能。

XFEM模拟分析

本节基于扩展有限元方法（XFEM），使用ABAQUS软件建立了一个具有初始裂缝的变质层状软岩隧道数值模型。通过模拟裂缝传播路径、应力分布和隧道衬砌的变形，然后将这些结果与第3节中的模型试验结果进行比较，本研究验证了数值模型的可靠性和有效性。

讨论

数值模型再现了模型试验中观察到的关键变形和裂缝传播行为，最大变形误差为4.78%，并且裂缝传播方向随岩层倾角的变化而保持一致（图22、图23、图24、图25、图26）。这一误差范围在岩石力学中是公认的可接受范围内（杜等人，2025），证实了该模型能够准确捕捉整体结构响应。

然而，数值变形...

结论

为了明确裂缝位置如何影响变质层状软岩隧道衬砌的承载能力，本研究进行了相似性模型试验和扩展有限元方法模拟，分析了裂缝传播特性、变形和内部力演化以及开裂衬砌结构的极限承载能力。得出了以下主要结论：

裂缝的传播破坏了衬砌结构的连续性。因此，裂缝位置...

CRediT作者贡献声明

赵亮亮：撰写——原始稿件、软件开发、方法论、数据整理、概念构思。杨文博：撰写——审阅与编辑、验证、监督、资金获取。王振安：撰写——原始稿件、验证、形式分析。邢中原：撰写——原始稿件、数据整理、概念构思。赵长辉：撰写——审阅与编辑、监督、数据整理。李生：撰写——审阅与编辑、验证、软件使用、资源提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号52378413）和四川省杰出青年科学基金（编号2022JDJQ0018）的支持。