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不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响

文档作者：孙铁军１王伟２罗明睿３王万平４王亚琼２文档来源：１．温州市交通投资集团有限公司２．长安大学；３．青海大学；４．中交第一公路勘察设计院有限公司		点击数：	更新时间： 2021年06月16日
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第３４ 卷　第３ 期
２０１７ 年５ 月
建筑科学与工程学报
Journal of Architecture and Civil Engineering Vol ．３４ 　No ．３
May ２０１７
文章编号：１６７３‐２０４９（２０１７）０３‐００８２‐０９
收稿日期：２０１７‐０１‐０６
基金项目：国家自然科学基金项目（５１４０８５５４ ） ；浙江交通科技建设项目（２０１６０２５）
作者简介：孙铁军（１９７９‐） ，男，福建三明人，高级工程师，E‐mail ：３５０６１７１７＠ qq ．com 。
不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响
孙铁军１ ，王　伟２ ，罗明睿３ ，王万平４ ，王亚琼２
（１ ．温州市交通投资集团有限公司，浙江温州　３２５１０５ ；２ ．长安大学陕西省公路桥梁与隧道重点实验室，
陕西西安　７１００６４ ；３ ．青海大学土木工程学院，青海西宁　８１００１６ ；４ ．中交第一公路勘察设计院
有限公司，陕西西安　７１００７５）
摘要：为研究不同衬砌缺陷对隧道结构整体安全性的影响，以某实体隧道工程为依托，采用荷载‐结
构法建立有限元数值模型，分别对衬砌在正常状态、强度不足、厚度不足及背后脱空４ 种工况下进
行数值计算，对比分析了不同衬砌缺陷对结构安全性的影响。结果表明：当隧道衬砌存在强度不足
和厚度不足缺陷时，缺陷部位单元的安全系数减小，而其他部位的安全系数基本不变，随着衬砌厚
度不足程度的加深，相应缺陷位置的安全系数也随之降低；当衬砌背后脱空面积较大时，衬砌脱空
部位与其相邻位置处的剪力和弯矩均发生正负突变，衬砌结构受力与变形模式发生改变，脱空区域
安全系数明显减小，但脱空部位相邻区域衬砌结构的安全系数反而增大，其他部位安全系数没有明
显变化，与正常状态下基本保持一致。
关键词：隧道工程；衬砌结构缺陷；荷载‐结构法；数值分析；安全系数
中图分类号：TU３１１ 　　　文献标志码：A
Influences of Different Lining Structure Defects on Overall
Safety of Tunnel Structure
SUN Tie‐jun１ ，WANG Wei２ ，LUO Ming‐rui３ ，WANG Wan‐ping４ ，WANG Ya‐qiong２
（１ ．Wenzhou Communications Investment Group Co ．，Ltd ．，Wenzhou ３２５１０５ ，Zhejiang ，China ；２ ．Shaanxi
Provincial Major Laboratory for Highway Bridge &amp;amp; Tunnel ，Chang摧an University ，Xi摧an ７１００６４ ，Shaanxi ，
China ；３ ．School of Civil Engineering ，Qinghai University ，Xining ８１００１６ ，Qinghai ，China ；
４ ．CCCC First Highway Consultants Co ．，Ltd ．，Xi摧an ７１００７５ ，Shaanxi ，China）
Abstract ：In order to study the influences of different lining defects on overall safety of structure ，
the finite element numerical model was established by the load‐structure method based on the
entity tunnel project ． The numerical calculation was carried out under four conditions ，such as
normal condition ， insufficient strength ， insufficient thickness and void behind linings ． The
influences of different lining defects on structural safety were compared and analyzed ．The results
show that when the tunnel lining has the defects of insufficient strength and insufficient
thickness ，the safety factors of the insufficient parts are reduced ，while the safety factors of other
parts are almost unchanged ．The smaller the lining thickness is ，the smaller safety factors of the
corresponding defect location is ． When the void behind linings is large ， the shear force and
bending moment at the void behind lining and the adjacent position are both positive and negative
mutation ．So the stress and deformation modes of the lining structure are changed ，the safety
万方数据
factors of the void parts are obviously reduced ，but the safety factors of the lining structure in the
adjacent area increase ． The safety factors of the other parts don摧t change significantly ，and are
consistent with those of the normal condition ．
Key words ：tunnel engineering ；lining structure defect ；load‐structure method ；numerical analysis
；safety factor
0 引　言
“十二五”是中国交通基础设施建设最快的５
年，在这５ 年时间里交通运输行业发展迅速，“五纵
五横”交通运输大通道大动脉基本贯穿，快速铁路
网、高速公路网基本形成，城际铁路稳步推进，西部
地区高速铁路从无到有。全国综合交通网络总里程
突破４９４ × １０４ km ，其中公路、铁路隧道总长达到
２ × １０４ km ，各类水下隧道总长已经超过１ × １０４
km 。随着隧道在中国公路中占比的增加，隧道的运
营安全越来越被大家广泛关注，隧道病害严重影响
了隧道运营安全。目前，中国隧道已经进入“高维
修”管理期［１ ］ 。根据大量铁路、公路隧道的资料统
计，其中大约有１／３ 的隧道存在着衬砌结构剥落、脱
空和开裂渗漏水等病害，同时由于施工条件、施工方
法以及隧道在使用过程中物理、化学等作用的影响，
隧道产生衬砌厚度不足，衬砌背后出现脱空，衬砌劣
化造成强度不足等病害现象，这些隧道缺陷对隧道
的正常运营产生不利影响［２‐６］ 。当隧道衬砌存在强
度不足、厚度不足、背后脱空等现象时，隧道将产生
较大的变形，不仅影响了隧道的正常使用，还严重影
响了隧道的结构安全性。因此，针对隧道衬砌强度
不足、厚度不足、背后脱空３ 种常见隧道衬砌缺陷情
况进行安全性分析研究具有很大的工程应用参考
价值。
国外学者对隧道开挖的有限元模拟以及衬砌强
度安全性做了很多相关研究［７‐１２］ 。在此基础上中国
学者彭跃等［１３］用数值计算方法分析了不同位置、不
同尺寸脱空对衬砌结构内力的影响，认为不同位置
的脱空对衬砌的安全性有明显影响；汪波等［１４‐１５］ 采
用室内相似模型试验，结合实际工程实例，研究了隧
道支护结构衬砌减薄状态下围岩与支护结构破坏规
律和极限承载能力，得出了隧道支护结构在相应受
力状态下的健康状态判据。Meguid 等［１６］ 利用弹塑
性有限元法分析了衬砌背后脱空对隧道衬砌应力和
弯矩的影响，通过分析认为脱空尺寸对隧道衬砌的
环向应力有明显影响，且仰拱下脱空会使弯矩减小，
尤其是当脱空尺寸达到一定值时，弯矩还可能变号。
在隧道模型试验方面，日本做了大量研究工作［１ ］ ，分
析了在不同荷载状态下衬砌厚度、背后脱空等与结
构物承载能力之间的关系。何川等［１７‐２０ ］ 通过试验模
型，研究了衬砌厚度不足情况下不同补强措施的加
固效果，这对高速公路的维修加固工作具有一定的
借鉴意义。另外，隧道的变形及稳定性直接影响隧
道的安全性和耐久性，对此学者采用室内试验和数
值分析方法进行了很多相关研究，取得了丰硕的科
学研究成果，并应用于具体工程实例中。对于在役
隧道衬砌存在的缺陷对隧道安全性的影响，仍然还
有许多工作需要进行深入研究。本文在以上学者的
研究基础上，依托某实体隧道工程实例，根据现场物
探检测获得的衬砌缺陷资料，应用数值模拟分析方
法，研究在役隧道衬砌存在强度不足、厚度不足、背
后脱空等缺陷对隧道衬砌结构变形及安全性的
影响。
1 数值模拟方法
隧道衬砌结构作为地下工程的一部分与地上结
构相比，虽然在几何上都可以简化为框架结构，由于
地下结构在上覆盖土层荷载作用下其变形要受到周
围土体本身的约束，围岩既是作用在地下结构衬砌
上的荷载，但同时也作为承载结构的一部分。荷载
结构模型认为地层对结构的作用只是产生在地下建
筑结构上的荷载（包括主动地层压力和被动地层抗
力） ，衬砌在荷载作用下产生内力和变形，与其相应
的计算方法称为荷载‐结构法。荷载‐结构法的基本
假定如下［２１ ］ ：① 假定二次衬砌结构为弹性小变形
梁，衬砌结构分为有限个相同厚度的梁单元，即定义
衬砌为Beam３ 梁单元；② 定义围岩与衬砌的相互作
用为Combin１４ 单元，通过在衬砌各梁单元节点上
添加弹簧单元，模拟围岩与衬砌结构的相互作用，而
且定义该弹簧单元只受拉不受压，弹簧弹性系数由
Winkler 假定为基础的局部变形理论确定，一般采
用地层的弹性抗力系数；③ 因隧道为细长结构，应用
平面应变模式进行模拟。基于以上假定条件，本文
采用有限元软件对具体工程实例中隧道存在的衬砌
缺陷进行数值模拟分析。
第３ 期　 　 　 　 　 　 　 　 孙铁军 ，等 ：不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响 ８３
万方数据
2 工程概况与计算参数选取
2 ．1 工程概况
依托工程隧道位于云南省迪庆藏族自治州，是
高速公路联络段上的隧道，其主洞全长３ ９５１ m 。
该隧道处于构造剥蚀中高山地貌，路线横穿山脊，沿
线地形地势特点纵向为中间高、两侧低，横向为两侧
高、中间低。围岩级别为IV ，V 级，隧址区海拔为
４ ００８ ．４４ ～ ４ ３２３ ．６３ m ，最大埋深为２９４ ．３９ m 。隧
址区水文地质条件较复杂，由于存在F１ 大断层破
碎带，有可能出现涌突水不良地质现象；隧道穿越段
存在软质岩，耐风化能力低，浸水易软化，有可能出
现软质岩大变形及坍塌等不良现象。为了保证运行
安全和延长隧道的使用寿命，现对该隧道衬砌缺陷
进行检测，统计隧道衬砌缺陷的种类和特点，评价隧
道结构的安全状况，进而针对衬砌缺陷提出相应的
处理措施。根据隧道主洞物探检测资料可知，存在
的衬砌缺陷情况包括衬砌材质劣化导致的衬砌强度
不足，衬砌隆起剥落导致的厚度不足，衬砌背后脱空
以及衬砌开裂导致的渗漏水现象。衬砌缺陷最严重
的位置发生在桩号为K１３６ ＋ ４２５ 位置处，此处具体
衬砌缺陷情况见表１ 。
表1 衬砌缺陷检测结果
Tab ．1 Detection Results of Lining Defects
桩号检测项目检测设备检测结果
K１３６ ＋ ４２５ 衬砌强度 超声波测试仪 、回弹仪 f cu ，e ＝ １９ ．４ MPa ，左拱脚（按 C２０ 计算） ；衬砌厚度满足设计要求 衬砌厚度探地雷达d１ ＝ ３６ cm ；d２ ＝ ２３ cm ；衬砌强度满足设计要求
衬砌背后脱空探地雷达长１ m ，脱空面积大于等于３ m２ ，位于左边墙；衬砌厚度和强度均满足设计要求
　注：f cu ，e为混凝土强度；d１ ，d２ 分别为左、右边墙实际厚度。
2 ．2 计算参数选取
依托实体隧道工程，选取二次衬砌缺陷最严重
位置（桩号为K１３６ ＋ ４２５） ，此处埋深为１００ m ，属于
V 级围岩深埋段，该段隧道横断面设计如图１ 所示，
其中仰拱段曲线半径R１ ＝ １６ ．２０ m ，拱圈段曲线半
径R２ ＝ ５ ．２５ m ，两拱脚段曲线半径R３ ＝ １ ．００ m ，隧
道开挖宽度B ＝ １０ ．００ m ，开挖高度H ＝ ８ ．２５ m 。
二次衬砌结构的设计厚度为５０ cm ，采用C３０ 钢筋
混凝土模筑结构。根据已有文献资料的统计结
果［２２ ］和枟混凝土结构设计规范枠［２３］ ，所需计算参数选
取如表２ 所示。
3 不同衬砌缺陷的数值模拟
3 ．1 计算模型建立
荷载‐结构法是目前隧道结构设计比较通用的
方法，采用荷载‐结构法计算时，计算方法简单，工作
量小，具有明确的安全系数评价方法，在工程中得到
广泛应用。根据该工程实际埋深经计算知其属于深
埋隧道，但由于将围岩和衬砌分别考虑，未能考虑衬
砌时间、刚度对围岩压力的影响，因此计算结果偏保
图1 隧道深埋段设计示意
Fig ．1 Design Diagram of Deep Buried Section of Tunnel
守。对于Ⅱ ，Ⅲ 级围岩状况，二次衬砌结构起到安全
储备的作用，因此衬砌结构所承担的荷载为围岩压
力的３０％ ；对于Ⅳ ，Ⅴ 级围岩状况，衬砌结构所承担
的荷载达到围岩压力的５０％ ～ ７０％ 。出于安全考
虑，偏于保守取二次衬砌承担１００％ 的荷载进行数
值模拟计算，得出内力分布与结构安全系数。本文
取单位长度（１ m）的隧道结构进行分析，建立的荷
载‐结构法力学计算模型如图２所示，其中q为深埋
表2 围岩和衬砌物理力学参数
Tab ．2 Physical and Mechanical Parameters of Surrounding Rock and Lining
参数
重度γ／
（kN · m － ３ ）
弹性抗力系数
K ／（MPa · m － １ ）
弹性模量
E／GPa 泊松比ν
内摩擦角
φ／（°）
黏聚力
c／MPa
极限抗压强度
f a ／MPa
极限抗拉强度
f１ ／MPa
Ⅴ 级围岩 １８ １８０ １ ．８０ ０ ．４０ ４０ ０ ．１８ C２０ 混凝土 ２４ ２５ ．５０ ０ ．１８ ４５ ２ ．１０ １５ ．５ １ ．７ C３０ 混凝土 ２５ ３１ ．００ ０ ．２０ ５４ ２ ．４２ ２２ ．５ ２ ．２ ８４ 建筑科学与工程学报 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２０１７ 年
万方数据
图2 荷载‐结构法力学计算模型
Fig ．2 Mechanical Models of Load‐structure Method
隧道的垂直均布荷载，e 为水平均布荷载，K 为地层
弹簧的弹性抗力系数。
根据枟公路隧道设计细则枠（JTG／T D７０ —
２０１０）［２４ ］可计算出深埋隧道围岩的垂直均布荷载q
和水平均布荷载e 。关于垂直均布荷载和水平均布
荷载的计算，采用衬砌单元节点力近似等效于２ 个
衬砌节点之间单元在垂直方向和水平方向上的投影
长度之和。衬砌结构自重通过ANSYS 程序直接添
加重力加速度施加，水压力可忽略，荷载计算结果如
表３ 所示。
表3 荷载计算结果
Tab ．3 Calculation Results of Load
荷载取值
垂直均布荷载 q／（kN · m － ２ ） １９４ ．４０ 水平均布荷载e／（kN · m － ２ ） ６４ ．８０ 3 ．2 衬砌安全系数计算
本文主要通过数值模拟方法计算隧道衬砌结构
单元的内力，然后研究衬砌结构单元内力和安全系
数变化，定量分析不同衬砌缺陷对衬砌结构整体稳
定性的影响。根据枟公路隧道设计细则枠（JTG／T
D７０ — ２０１０）可知，对于偏心受压混凝土结构，应进
行构件抗压及抗拉强度的校核，对结构材料的极限
抗压强度与实际内力进行比较，得出衬砌的安全系
数Ks ，具体计算如式（１） ，（２）所示。
当e′ ＝ M／N ≤ ０ ．２ h（M ，N 分别为衬砌单元内
的弯矩和轴力）时，则
Ks N ≤ μαbh fa （１）
当e′ ＝ M／N ≥ ０ ．２ h 时，则
Ks N ≤ １ ．７５μbh fl ／（６e／h － １） （２）
式中：μ 为构件纵向弯曲系数，隧道衬砌取为１ ；e′ 为
计算截面的偏心距；α 为轴力的偏心影响系数，按照
经验公式α ＝ １ － １ ．５e′ ／h 确定；b 为截面宽度，取为
１ m ；h 为截面厚度，根据实际衬砌厚度选取。
通过上述计算可得出衬砌各单元的安全系数
Ks ，若安全系数Ks 大于等于设计规范的安全系数，
认为衬砌结构是安全的，否则不安全。
3 ．3 数值模拟方案设计
从该隧道主洞的物探检测资料来看，该隧道主
洞的结构安全评价和计算应主要着眼于隧道二次衬
砌强度不足、衬砌厚度不足、衬砌背后脱空３ 个缺陷
问题。由于衬砌强度不足、衬砌厚度不足、二次衬砌
部分脱空均发生在局部断面，所以采用荷载‐结构法
对结构安全进行数值模拟计算更加符合实际，该方
法简单且能够科学评价该隧道主洞结构的变形及安
全性。因此，考虑该隧道衬砌缺陷较为复杂，特选取
表４ 中的４ 种工况建立ANSYS 模型（图３）进行数
值计算。
4 计算结果分析与讨论
根据工程实际和规范要求，建立隧道衬砌结构
缺陷模型，将衬砌梁单元划分为７６ 个小单元；再根
据作用在结构上的面荷载进行换算，得到各节点力
的大小进行加载；然后进行求解，根据计算结果查看
弹簧单元受力状况，运用生死单元技术“杀死”受拉
弹簧单元后，继续进行计算。从图４ 隧道衬砌支护
结构变形可以发现，隧道顶部弹簧１００ ～ １０３ ，１０９ ～
１１２ 是受拉的，因为用来模拟隧道结构与围岩间相
互作用的地层弹簧只能承受压力，所以这８ 根弹簧
必须去掉，再重新计算，重复３ ～ ５ 次，直至没有弹簧
承受拉力为止，计算结束。为分析衬砌强度不足、厚
度不足及背后脱空等缺陷对结构整体安全性的影
响，根据内力计算结果，得到各梁单元的弯矩和轴
力，再根据枟公路隧道设计细则枠计算出各衬砌单元
的安全系数，与正常状态下的衬砌单元安全系数进
行对比。
4 ．1 衬砌强度不足对结构安全性的影响
图５ ～ ８分别为不同工况下衬砌结构的安全系
第３ 期　 　 　 　 　 　 　 　 孙铁军 ，等 ：不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响 ８５
万方数据
表4 不同工况下衬砌缺陷模拟
Tab ．4 Simulation of Lining Defects Under Different Working Conditions
工况编号衬砌缺陷缺陷状况描述衬砌缺陷梁单元编号
１ 正常状态 衬砌厚度设计值 d ＝ ５０ cm ，C３０ 混凝土 ２ 强度不足 检测强度最小值 f cu ，e ＝ １９ ．４ MPa ，位于左拱脚处 １ ～ ５ ３ 厚度不足 d１ ＝ ３６ cm ，距边水沟高 １ ．５ m ；d２ ＝ ２３ cm ，距边水沟高 １ ．５ m ７ ～ １１ ，４６ ～ ５０ ４ 衬砌背后脱空 脱空长 １ m ，脱空面积大于等于 ３ m ２ ，位于左边墙７ ～ １１ 　注：衬砌强度不足通过折算降低混凝土的强度等级实现；衬砌厚度不足通过定义梁单元不同实常数实现；衬砌脱空部位的单元不再设置地
层弹簧，考虑到脱空部分周围的应力重分布，该部分荷载最终施加于脱空周边单元上。
图3 ANSYS 计算模型建立
Fig ．3 Establishment of ANSYS Calculation Model
图4 隧道衬砌结构变形
Fig ．4 Deformation of Tunnel Lining Structure
数、弯矩、剪力和轴力。图９ ，１０ 分别为正常状态和
强度不足时衬砌单元内力云图。从图５ 可以看出，
衬砌强度不足的梁单元（编号１ ～ ５）位于拱脚处，其
安全系数与正常状态下（设计时）结构安全系数相比
明显降低，而其他部位安全系数和正常状态下的基
图5 不同工况下衬砌结构的安全系数
Fig ．5 Safety Factors of Lining Structure Under
Different Working Conditions
图6 不同工况下衬砌结构的弯矩
Fig ．6 Bending Moments of Lining Structure Under
Different Working Conditions
图7 不同工况下衬砌结构的剪力
Fig ．7 Shear Forces of Lining Structure Under
Different Working Conditions
本相同。隧道衬砌存在局部强度不足情况时，只会
对不足部位产生严重影响，而不会威胁到整个衬砌
结构的安全。隧道衬砌梁单元属于受弯构件，衬砌
结构强度不足时，其极限抗拉、抗压强度均降低，衬
砌结构的受力和变形特性并没有发生变化，衬砌各
８６ 建筑科学与工程学报 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２０１７ 年
万方数据
图8 不同工况下衬砌结构的轴力
Fig ．8 Axial Forces of Lining Structure Under
Different Conditions
图9 正常状态下衬砌单元内力云图
Fig ．9 Internal Force Nephograms of Lining
Elements Under Normal Condition
梁单元的弯矩和轴力基本不变，从内力变化云图（图
１０）也可以看出。因此，衬砌强度不足位置处单元的
承载能力明显减小。特别是在隧道内高温环境及强
腐蚀性气体条件下，衬砌强度不足情况会加快混凝
土碳化，引起钢筋锈蚀，降低结构耐久性，缩短结构
安全使用周期。
图10 强度不足时衬砌单元内力云图
Fig ．10 Internal Force Nephograms of Lining
Elements when Strength Is Insufficient
4 ．2 衬砌厚度不足对结构安全性的影响
图１１ 为厚度不足时衬砌单元内力云图。衬砌
厚度不足缺陷部位有两部分，分别位于左边墙（梁单
元编号７ ～ １１） ，衬砌厚度d１ ＝ ３６ cm 和右边墙（梁
单元编号４６ ～ ５０） ，衬砌厚度d２ ＝ ２３ cm 。从图５ 可
以看出，左、右边墙厚度不足位置处单元的安全系数
均降低，但是其他位置处单元的安全系数变化很小。
右边墙处的衬砌厚度比左边墙小，相应的安全系数
降低到更小，由此可知随着衬砌厚度不足程度的加
深，安全系数也随之减小。由于衬砌存在厚度不足
缺陷，该位置的梁单元截面刚度减小，则该位置的弯
矩和轴力与正常状态相比均降低，而其他部位的内
力结果基本不发生明显变化，导致衬砌缺陷处结构
安全系数降低，其他部位变化不大。
4 ．3 衬砌背后脱空对结构安全性的影响
图１２ 为背后脱空时衬砌单元内力云图。当隧
第３ 期　 　 　 　 　 　 　 　 孙铁军 ，等 ：不同衬砌结构缺陷对隧道结构整体安全性的影响 ８７
万方数据
图11 厚度不足时衬砌单元内力云图
Fig ．11 Internal Force Nephograms of Lining
Elements with Insufficient Thickness
道左边墙处衬砌背后（梁单元编号７ ～ １１）存在脱空
缺陷时，从图５ 可以看出，与正常状态下衬砌结构安
全系数相比，脱空区域安全系数明显减小，但脱空部
位相邻区域衬砌结构的安全系数反而增大，其他部
位的安全系数没有明显变化，与正常状态下的保持
一致。从图６ 可以看出，衬砌背后脱空部位结构的
弯矩值与正常状态下的弯矩值相比发生正负突变，
且弯矩值增大，脱空部位相邻区域的弯矩值也发生
正负突变现象，且弯矩值减小。
背后脱空部位和相邻部位的剪力也发生正负突
变（图７） ，且剪力与弯矩的变化规律相似。轴力未
发生明显变化，与正常状态下轴力变化趋势相同（图
８） 。由此可知，当隧道衬砌背后存在脱空缺陷面积
较大时（脱空长１ m ，脱空面积大于等于３ m２ ） ，脱空
部位以及相邻范围内的衬砌结构受力和变形模式发
生改变，衬砌结构出现应力重分布现象，直接影响结
图12 背后脱空时衬砌单元内力云图
Fig ．12 Internal Force Nephograms of Lining
Elements with Void Behind Lings
构整体稳定性和安全性。在围岩荷载作用下，弯矩
正负突变处发生在围岩与衬砌相交的位置，该位置
处剪力最大（图１１） ，衬砌结构的破坏模式由受压破
坏变成受拉破坏，安全系数急剧减小，衬砌结构将会
出现剥落、开裂，直至丧失承载力。
5 结语
（１）依托某实体隧道工程，建立荷载‐结构有限
元模型，分析了隧道衬砌在正常状态、强度不足、厚
度不足、背后空洞４ 种工况下结构受力特点，通过比
较４ 种衬砌缺陷的数值模拟结果，得出不同隧道衬
砌缺陷对其内力变化以及结构整体安全性的影响。
（２）当隧道衬砌存在强度不足和厚度不足缺陷
时，隧道衬砌缺陷位置处单元的安全系数明显减小，
而其他位置结构单元的安全系数基本不变。
（３）当衬砌结构背后脱空面积较大时，脱空部位
８８ 建筑科学与工程学报 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２０１７ 年
万方数据
单元的受力与变形模式发生改变，与正常状态下衬
砌结构安全系数相比，脱空区域安全系数明显减小，
但脱空部位相邻区域衬砌结构的安全系数反而增
大，其他部位的安全系数没有明显变化，与正常状态
下的保持一致。
（４）当隧道存在衬砌强度不足、厚度不足、背后
脱空等缺陷时，严重影响在役隧道运营安全。目前，
衬砌存在缺陷对结构变形及安全性影响的研究只考
虑单一主要因素或者忽略了其他次要因素，而且没
有考虑多种因素组合对衬砌结构的影响，以后可以
在这一方面做更深入的研究。
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９０ 建筑科学与工程学报 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 ２０１７ 年
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