隧道二次衬砌作为隧道工程最外层混凝土结构层,对隧道周边围岩稳定起到重要的支护作用,同时也起到防水和美观功能。隧道作为地下建筑结构物,所处的工程地质条件极为复杂,再加上隧道内施工条件差,设计不合理等因素的影响,绝大多数隧道工程都存在不同程度的病害。其中隧道二衬开裂问题尤为突出,二衬开裂对隧道工程的安全和耐久性将产生严重威胁。因此,研究隧道二衬开裂产生的原因,揭示隧道二衬开裂机理,对二衬结构的安全做出合理评价,及时预防和治理二衬开裂问题,不仅具有很强的理论价值,而且具有现实的工程意义。本论文以谷城-竹溪高速公路片岩区隧道为工程实例,对隧道二衬开裂机理及安全评价进行研究。以研究区工程地质条件、围岩特性、水文地质、地形地貌、施工因素、设计因素等方面研究内容为基础,结合现场地质调查、室内外试验、现场监控量测、数值模拟以及理论分析等方法,对区域工程地质条件、岩性特征、二衬裂缝分布特征、围岩变形及支护承载特性、二衬开裂机理、二衬裂缝扩展规律、二衬裂缝安全评价等几大关键技术问题进行系统分析研究,揭示隧道二衬开裂机理及裂缝扩展规律,提出了二衬裂缝安全评价标准,针对不同类型裂缝提出了防治建议。主要研究成果及结论如下。1.大断裂带片岩区工程地质条件与围岩特性研究(1)对研究区地质构造及工程地质条件进行了调查研究,获得了武当推覆构造运动特征及其几何运动规律。对片岩隧道区域地质条件、地形地貌、地层岩性、地质构造以及水文地质条件等进行了阐述。(2)通过工程地质评价可知：在复杂工程地质条件作用下,岩体受到推覆、挤压、隆起等影响,揉皱、褶皱和断裂构造发育,岩体切割破碎,结构面发育,风化程度高,云母等矿物含量高,力学性能差,存在大量残余构造应力,地下水发育。在多方面因素影响下,隧道围岩完整性、力学性质等明显削弱,隧道施工过程中易引发围岩体大变形、塌方、突水突泥等工程地质灾害问题,产生极大的围岩压力,造成支护结构因承载过大而开裂,严重影响隧道施工及支护结构安全。(3)对武当群片岩进行了X衍射矿物分析试验、物理性质试验、波速试验、三种片理倾角(0°、45°、90°)的力学试验、结构面剪切试验,试验研究结果表明：武当群片岩具有可塑性、膨胀性、流变性、易扰动性、损伤劣化以及各向异性等特性。(4)结合试验研究结果对片岩工程特性的研究分析可知：隧道围岩具有遇水膨胀、软化、崩解、流变等特点,施工中易诱发围岩大变形、塌方、底鼓、侵限等工程地质灾害问题。围岩抵抗外界环境扰动的能力极差,易劣损破坏,施工中易造成围岩破坏,承载力降低等问题。岩体结构面粘结性差,抗剪强度低,各向异性显著,施工中易造成结构偏压,产生局部变形过大和应力集中等问题。2.围岩变形及支护承载特性研究(1)片岩隧道围岩变形量大,速率快,持续时间长,变形呈不收敛趋势,部分断面后期监测速率持续增加,表现出明显的流变特性。(2)不同部位围岩变形差异较大,不同产状围岩监测断面变形值存在明显差异,围岩变形规律各向异性显著。(3)片岩隧道变形曲线有三个阶段：变形缓慢增长阶段,围岩持续变形阶段,围岩加速变形阶段(减速变形阶段)。该变形规律表现出明显的流变特性。(4)隧道不同部位支护结构承载相差较大,隧道的支护结构承载值具有很大的非对称性,表现出明显的各向异性,支护结构与岩层延伸方向接触部位围岩压力较高,不同的围岩产状、支护结构不同部位承载值明显不同,这一特性与围岩变形规律基本一致。(5)二衬结构分担的围岩荷载占有很高的比例,达到80%～90%；初支承担荷载比例较小,占10%～20%左右。施工中二衬结构承载过大,易导致开裂,这也是武当群片岩隧道二衬开裂的主要原因。3二衬开裂特征分析研究(1)结合理论分析和现场二衬开裂调查研究,对二衬开裂危害、二衬开裂调查及检测方法、二衬裂缝类型等方面进行了归纳和总结。(2)对研究区二衬开裂特征、分布规律及成因进行了研究,得出了相应的结论,为二衬开裂机理的研究奠定了基础。4.隧道二衬开裂机理研究从区域地质条件、围岩特性、地形地貌、水文地质条件、地应力、设计因素、施工因素等方面综合分析,对片岩隧道二衬开裂机理进行了研究。(1)区域地质条件对二衬开裂的影响研究。在区域地质构造作用下,围岩具有松散破碎、含水量大、强度低、完整性差、存在残余构造应力、云母矿物含量高等特性。在施工中围岩极易产生塌方、大变形以及涌水等不良工程地质灾害,导致围岩完整性遭受破坏,易产生过大的围岩压力作用于支护结构上,从而导致隧道二衬结构开裂。(2)片岩工程特性对二衬开裂的影响研究。结合片岩物理力学试验及工程特性分析可知：片岩具有软化、膨胀、松散破碎、强度低、易流变、各向异性显著等特性。片岩工程特性使得片岩隧道易产生塑性流变、塑性区域范围较大、易形成侧向挤压、形成偏压和局部应力集中等不良问题。围岩工程特性导致围岩产生过大的变形和围岩压力作用在支护结构上,造成二衬结构因承载过大而产生开裂,围岩工程特征及破坏规律是导致二衬开裂的主要原因。(3)地下水作用对二衬开裂的影响研究。岩体中地下水的影响主要表现在以下两个方面：一方面地下水与岩体之间的物理、化学、力学作用改变其强度和刚度等宏观力学性质；同时地下水对裂隙结构面产生的物理化学作用,降低了岩体的物理力学性质。二是地下水通过力学作用,改变了岩体应力场的分布,导致岩体发生裂隙结构面的扩展和渗透变形,使岩体结构面发生劈裂扩展和剪切变形,增加了空隙度和连通性。地下水通过改变削弱围岩的物理力学性质,加速围岩体的破坏,从而诱发和加剧二衬结构的开裂。(4)地应力对二衬开裂的影响研究。结合地应力测试和现场围岩压力监测结果分析表明,研究区域为高地应力区,残余构造应力作用影响明显。构造应力作用下加剧了软岩隧道的变形破坏。地应力作用的影响也是导致二衬开裂的重要影响因素。(5)施工因素对二衬开裂的影响研究。理论研究并结合现场试验结果分析可知,不同开挖方法对隧道围岩的扰动存在明显差异,施工扰动对围岩损伤、劣化作用明显。施工中的爆破振动对围岩和支护结构损伤较大,导致围岩大变形、支护开裂、剥落等灾害的发生。合理的施工方案对预防二衬开裂意义重大。此外,研究表明施工组织及施工控制技术对二衬开裂也产生重要影响。(6)设计因素对二衬开裂的影响研究。对围岩分级及支护结构参数设计中存在的问题进行了研究。研究表明围岩分级及支护参数设计不合理也是导致隧道二衬结构开裂的主要原因之一5.二衬开裂数值模拟分析(1)通过理论研究,对二衬结构内力进行了理论计算,确定并建立了二衬结构数值计算模型。通过对研究区片岩隧道二衬开裂影响因素作用下产生的不良工程问题的研究分析,总结了偏压、空洞、不均匀沉降、二衬结构厚度不均匀以及混凝土强度不足这几类常见的工程问题,并以此作为数值计算的研究内容。(2)针对偏压情况设置了无偏压、拱顶处偏压、拱腰处偏压以及边墙处偏压四种情况。通过对各类偏压情况下二衬结构水平位移、竖向位移以及开裂情况计算分析可知：无偏压情况下二衬位移及裂缝均较少；偏压情况下二衬结构位移及裂缝均较多,产生偏压的部位变形及开裂尤为显著,偏压对二衬结构开裂影响较大。(3)隧道二衬结构背后存在空洞时,通过对不同工况下二衬结构位移及开裂情况计算分析可知：对于水平位移,隧道边墙处出现空洞时水平位移最大,其次是拱腰处,空洞出现在隧道拱顶衬砌背后时水平位移最小。对于竖向位移,隧道拱顶处出现空洞时竖向位移最大,其次是拱腰处,空洞出现在隧道边墙处时竖向位移最小。对于二衬开裂情况,衬砌裂缝分布受空洞大小的影响较为明显,空洞越大,产生裂缝数量越多,裂缝扩展范围越大,混凝土破坏越严重。(4)通过对隧道二衬结构厚度不足几种工况计算分析可知：拱顶部位二衬厚度不足时,拱顶竖向位移明显大于其它部位,水平位移两侧拱腰处最大,拱顶处裂缝数量最多,同时周边区域的拱腰、边墙处外表面也产生裂缝。拱腰部位二衬厚度不足,最大水平位移出现在二衬缺失部位,最大竖向位移出现在拱顶处,拱腰处裂缝数量最多,同时裂缝沿着拱腰处向周边扩展,拱顶以及对侧拱腰处亦产生裂缝。边墙部位二衬厚度不足,最大水平位移出现在二衬缺失部位,最大竖向位移出现在拱顶处,边墙处裂缝数量最多,同时裂缝沿着边墙处向周边扩展,拱顶、拱腰以及对侧亦产生裂缝。总的来说,二衬缺失尺寸越大,产生裂缝越多,扩展范围越广(5)通过对不均匀沉降不同工况计算分析可知：在不产生沉降情况下,隧道二衬结构位移、裂缝产生情况均较少,且呈现明显的对称分布规律：产生不均匀沉降时,最大水平位移出现在拱顶处,变形方向向左,与产生沉降的部位同侧。二衬结构整体刚度较大,二衬结构整体表现以底板中线为支点的逆时针偏转趋势；最大竖向位移出现在左侧底板产生沉降的区域,沿着沉降区域从仰拱到拱顶竖向位移值逐渐减小,右侧竖向位移值整体偏小。左侧底板产生沉降的区域以及右侧仰拱处首先产生裂缝,随着沉降量的逐渐增加,裂缝逐渐扩展到整个仰拱区域,左侧拱脚、拱腰及边墙处内侧,右侧拱脚、边墙及拱腰处外侧,拱顶处未见裂缝产生。总的来说,不均匀沉降量越大,裂缝覆盖区域及规模也逐渐增加。(6)通过对不同强度二衬混凝土结构位移及裂缝产生规律分析可知：C20二衬混凝土结构位移值最大,裂缝数量最多,分布最广,C25其次,C30二衬混凝土位移值最小,裂缝数量最少,分布范围也最小。控制混凝土施工质量,提高混凝土强度,对控制结构开裂效果明显。6.二衬裂缝扩展规律及安全评价研究(1)基于断裂力学强度因子理论,通过数值计算不同偏压条件下、不同部位、不同规模裂缝的扩展规律和特征,计算研究结果表明：裂缝尖端强度因子K1随裂缝宽度变化较小,裂缝宽度对裂缝的扩展影响不大。裂缝尖端强度因子K1随裂缝深度增加而增大,裂缝深度对裂缝的扩展影响较大。产生偏压部位裂缝尖端强度因子K1明显大于其他部位,偏压作用下促进偏压部位裂缝的扩展。偏压作用下,偏压部位裂缝深度在3.0～12.0cm范围内,强度因子KI小于断裂韧度KIc,裂缝扩展处于安全稳定阶段；当裂缝深度达到15.0cm时,强度因子K1大于断裂韧度KIc,裂缝扩展处于失稳阶段；裂缝深度达到12cm时,强度因子K,接近断裂韧度KIc取值,考虑到一定的安全储备,把裂缝深度12cm作为二衬裂缝失稳破坏的临界值。(2)针对不同偏压情况,对偏压部位不同深度裂缝的动态扩展趋势进行了研究,对裂缝从开始扩展到停止扩展期间4个阶段的裂缝扩展情况进行分析,验证了裂缝深度12cm作为二衬裂缝失稳破坏的临界深度值的合理性。(3)对现有的隧道衬砌裂缝定性和定量评价方法进行了归纳和总结。在此基础上,结合前文裂缝扩展规律数值计算研究成果,增加了裂缝深度这一评价指标,对原有规范进行了修正,提出研究区片岩隧道二衬裂缝的安全评价标准。(4)借鉴国内外二衬裂缝处理的研究成果和经验,结合本文的研究成果,对研究区片岩隧道的二衬开裂问题提出了预防与治理建议。