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浅埋偏压隧道的二衬开裂机理及治理措施研究

文档作者：贾东彦，余莉，孙洋文档来源：中国地质大学（武汉）工程学院		点击数：	更新时间： 2025年10月31日
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上一篇：水工混凝土大坝表面防护涂层材料研究进展

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７８
施　工　技　术
ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
２０１４ 年９ 月下
第４３ 卷　第１８ 期
ＤＯＩ：１０􀆰 ７６７２／ ｓｇｊｓ２０１４１８００７８
浅埋偏压隧道的二衬开裂机理及治理措施研究∗
贾东彦，余　莉，孙　洋
（中国地质大学（武汉）工程学院，湖北武汉　４３００７４）
［摘要］ 隧道二衬开裂使隧道的稳定性和安全运营受到威胁，对其力学机理及治理措施的研究具有重要意义。为
此，引入某浅埋偏压隧道为研究对象，首先进行现场调查开裂情况，发现其进口右洞（远离山体侧）左侧拱顶有十几
米的纵向开裂。根据该隧道的真实情况建立离散元模型，进行计算分析，得出以下结果：隧道左、右洞拱顶受到来
自左侧的地形和岩层结构偏压，其右洞的偏压应力超过二衬的承载能力而发生破坏。在此基础上，提出隧道二衬
开裂的处理措施为拱、墙局部裂损部位的治理。
［关键词］ 隧道工程；二衬；裂缝；离散元模拟；处理措施
［中图分类号］ Ｕ４５ ［文献标识码］ Ａ　　　　［文章编号］ １００２⁃８４９８（２０１４）１８⁃００７８⁃０４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ｌｉｎｉｎｇ Ｃｒａｃｋｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ
Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ａ Ｓｈａｌｌｏｗ Ｂｉａｓ Ｔｕｎｎｅｌ
Ｊｉａ Ｄｏｎｇｙａｎ，Ｙｕ Ｌｉ，Ｓｕｎ Ｙａｎｇ
（Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｗｕｈａｎ，Ｈｕｂｅｉ　４３００７４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｔｈｒｅａｔｅｎｓ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， ｓｏ
ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｉｔｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｈａｓ ａ ｇｒｅａｔ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ． Ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｐｕｒｐｏｓｅ，
ｔａｋｉｎｇ ａ ｓｈａｌｌｏｗ ｂｉａｓ ｔｕｎｎｅｌ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ， ａｌｌ ｏｎ⁃ｓｉｔｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｉｓ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ
ｔｏ ｆｉｎｄ ｄｏｚｅｎｓ ｏｆ ｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｃｒａｃｋ ｏｎ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｏｍｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔ ｒｉｇｈｔ ｈｏｌｅ （ａｗａｙ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔａｉｎ）． Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｓｅｔ ｕｐ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ
ｃｈａｎｎｅｌ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｓ ｄｏｎｅ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ： ｂｉａｓ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ
ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌ ｖａｕｌｔ ａｒｏｕｎｄ ｈｏｌｅ ｃｏｍｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｌｅｆｔ ｓｉｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ ｒｏｃｋ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｈｏｌｅ ｂｉａｓ
ｓｔｒｅｓｓ ｅｘｃｅｅｄ ｔｈｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ，ｓｏ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｈａｓ ｈａｐｐｅｎｅｄ． Ｏｎ ｔｈｉｓ ｂａｓｉｓ， ｔｈｅ
ｍｅａｓｕｒｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｒｃｈ ｔｕｎｎｅｌ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｉｓ ｔｈｅ ｃｒａｃｋ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｏｆ ｐａｒｔｉａｌ ｗａｌｌｓ ａｎｄ ａｒｃｈｅｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｓ； ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ； ｃｒａｃｋｓ； ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｍｅａｓｕｒｅｓ
∗ 国家自然科学基金项目（４１２０２２０１）；大断裂区超深埋特长隧道关
键技术研究与应用（２０１１０５６０８０） ［作者简介］ 贾东彦，硕士研究生，Ｅ⁃ｍａｉｌ：６３２９０４３２６＠ ｑｑ． ｃｏｍ ［收稿日期］ ２０１３⁃１２⁃１５
０　引言
山岭隧道由于其特殊的地形与岩层产状，往往
在洞口施工段可能存在偏压。偏压段在开挖过程
中，由于一侧受到较大的压应力，而另一侧又受到
较大的拉应力，可能导致隧道初衬大变形、二衬开
裂、塌方及渗漏水等问题。在对某高速公路上４８ 条
隧道为期十多天的二衬开裂调查中，发现了一个普
遍的现象，就是软岩浅埋偏压隧道的先行洞的洞口
段较容易发生纵向二衬开裂，为了更好地防治该高
速公路隧道的二衬开裂问题，对其开裂的机理及防
治措施的研究具有重要意义。
国内外的学者对隧道的二衬开裂也做了一些
研究，Ａｓａｋｕｒａ 和Ｋｏｊｉｍａ［１］ 描述了衬砌的变形机理；
苏生［２］ 对公路隧道二次衬砌开裂机理与抗裂性试
验进行了研究；陈振河［３］ 运用断裂力学原理对隧道
二衬开裂机理进行了研究；王瑞峰［４］ 运用ＡＮＳＹＳ 软
件对连拱隧道二衬结构受力进行了优化设计；张永
兴、阳军生等［５］ 对某浅埋偏压连拱隧道二衬开裂原
因进行分析，说明先开挖靠山内侧的隧道有利于防
止二衬开裂；张连成、闫小波等［６］ 对浅埋隧道边坡
滑移与衬砌开裂病害进行了分析，说明了隧道洞口
段的边坡滑移造成了隧道二衬的开裂；程祖辉、陈
铁龙等［７］ 从施工工艺或现场操作不规范，原材料质
量差、配合比设计不合理等方面说明了隧道二衬混
凝土裂缝的成因，并提出了相应的处理措施；刘学
增、古银城等［８］ 运用有限元数值模拟的方法对外力
２０１４ Ｎｏ． １８ 贾东彦等：浅埋偏压隧道的二衬开裂机理及治理措施研究 　７９
作用下隧道二衬开裂过程进行了分析，得到了隧道
裂缝开裂的过程与顺序。从现阶段对隧道二衬开
裂研究的文献来看，较少考虑岩层节理与地形偏压
共同作用下隧道二衬开裂的机理研究，但在隧道的
建设中，出现了这样的隧道，因此，对其研究是必
要的。
某浅埋偏压小净距隧道先进行靠近山体外侧
的洞室施工，后进行靠近山体内侧的洞室施工，先
行洞的洞口出现了较严重的二衬开裂。为保证隧
道运营期间的安全与稳定，以该隧道在浅埋偏压段
为工程背景，在现场调查分析的基础上，运用离散
元数值模拟的方法，探讨其开裂的力学机理，并根
据分析结果提出处理措施，为类似工程提供参考。
１　工程背景
１􀆰 １　隧道概况
某隧道长６７０ｍ，最大埋深１２９ｍ，是小净距隧
道。隧址区表层覆盖为第四系残坡积粉质黏土
（Ｑｈ
ｄｌ ＋ ｅｌ），下伏基岩为生物碎屑灰岩与炭质板岩互
层出现。该隧道的进口地形如图１ 所示。
图１　隧道的地形地貌
Ｆｉｇ． １　Ｔｈｅ ｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｉｃ ｍａｐ ａｎｄ ｔｅｒｒａｉｎ ｏｆ ｔｕｎｎｅｌ
岩层产状与坡度一致。该隧道进口段为Ⅴ级
板岩，岩体参数如表１ 所示，采用复合式衬砌，其参
数如表２ 所示。该隧道先施工右洞，再施工左洞。
表１　Ⅴ级板岩物理参数
Ｔａｂｌｅ １　Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｇｒａｄｅ Ⅴ ｓｌａｔｅ
名称
弹性模
量／ ＧＰａ 泊松比
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
黏聚力／
ＭＰａ
内摩擦
角／ （°）
岩体１􀆰 ５ ０􀆰 ４０ １８ ０􀆰 １５ ４３
片理０􀆰 ０６ ０􀆰 ４０ — ０􀆰 １５ ３６
表２　隧道衬砌支护参数
Ｔａｂｌｅ ２　Ｔｕｎｎｅｌ ｌｉｎｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
支护方式
弹性模
量／ ＧＰａ
重度／
（ｋＮ·ｍ －３ ）
截面面
积／ ｍ２
惯性矩／
ｍ
系统锚杆２１０． ０ ７８ ０． ０００ ３８ —
初衬２５． ０ ２３ ０． １００ ００ —
二衬３０． ０ ２７ ０． ３００ ０ ０． ００２ ２５
１􀆰 ２　隧道进口段的开裂情况调查
２０１３ 年４ 月，对该隧道的二衬开裂进行了调
查。开裂的位置如图２ 所示，开裂位置位于隧道右
洞的左侧拱顶位置。裂缝的形式如图３ 所示，为沿
洞轴线方向的纵向开裂，开裂长度为１０ ～２０ｍ，宽度
为１ ～２ｍｍ，深度为１０ ～２０ｃｍ，开裂条数为３ ～４ 条，
该裂缝还有继续发展的趋势，处于不稳定状态。
图２　开裂段的位置
Ｆｉｇ． ２　Ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒａｃｋｉｎｇ ｓｅｇｍｅｎｔ
图３　二衬开裂的形式
Ｆｉｇ． ３　Ｆｏｒｍ ｏｆ ｓｅｃｏｎｄ ｌｉｎｉｎｇ ｃｒａｃｋｉｎｇ
２　二衬开裂的力学机理分析
２􀆰 １　模型的建立
该隧道右洞进口段围岩比较破碎，整体性较
差，岩层产状与地形坡度一致，可能导致二衬开裂
的因素较多，这里采用离散元数值分析讨论二衬开
裂的力学原因（主要原因）。
选取该隧道进口段典型断面Ｋ１６３ ＋ ６００，该断
面的最小埋深约８ｍ，建立图４ 所示的平面应变模
型，为了建模和研究的方便，把马蹄形隧道简化成
圆形隧道［９］ ，分析时所选取的模型范围为水平方向
长度９２ｍ，垂直方向５０ｍ，岩体的产状为２１５°∠３０°，
顶部为简化的地表模型。由于浅埋，垂直应力施加
为岩体重力σｖ ＝ ρｇＨ（ρｇ 表示岩体重度，Ｈ 为埋
深），水平应力为σｈ ＝ μ
１ － μσｖ （μ 为泊松比）。模
型的两侧施加了水平方向的位移约束，底部施加了
垂直方向的约束，而地面为自由表面。
采用ＵＤＥＣ 进行模拟，围岩为弹塑性材料，满足
Ｍｏｈｒ⁃Ｃｏｕｌｏｍｂ 屈服准则［１０］ ，采用梁单元模拟初衬和
二衬，杆单元模拟锚杆。围岩参数和支护参数如表
１，２ 所示。
采用的开挖顺序为先开挖右洞，开挖完成后进
行初期支护和二次衬砌，然后开挖左洞，开挖左洞
后对左洞进行支护，主要观察右洞的二衬受力状态。
　８０ 施工技术 第４３ 卷
图４　数值分析模型
Ｆｉｇ． ４　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｏｄｅｌ
２􀆰 ２　模拟结果及分析
２􀆰 ２􀆰 １　隧道围岩受力分析
１）根据隧道的设计先开挖右洞　从右洞开挖
后的受力云图（见图５）可以看出，隧道围岩左侧拱
顶和右侧拱脚受到了较大的压剪应力（正号为拉应
力，负号为压应力）。隧道围岩右侧拱顶和左侧拱
脚受到了较大的拉剪应力。图５ 说明了隧道存在明
显的偏压。由于是软岩，岩体的变形具有时效性，
根据现场的监测资料说明随着时间的增长变形不
断增加。根据二衬开裂的弯张力学机理［２］ 可知，裂
缝多见于拱顶，其受力如图６ 所示。
图５　开挖右洞的主应力Ｓｘｙ受力云图
Ｆｉｇ． ５　Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ Ｓｘｙ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ
ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｈｏｌｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ
图６　弯张裂缝受力
Ｆｉｇ． ６　Ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ ｃｕｒｖｅｄ ｐｉｅｃｅ ｃｒａｃｋｓ
２）在开挖了隧道右洞，先对右洞进行初期支护
和二次衬砌，然后开挖左洞　从其主应力Ｓｘｙ受力云
图（见图７）可以看出，隧道左洞形成了剪压力区明
显小于右洞开挖的剪压力区，而左洞塑性区范围却
与山坡顶部贯通，可以看出存在明显的偏压现象。
由于实际情况左洞的岩体较右洞岩体完整性好，所
以施作初支后变形较小，二衬也无明显裂缝。但是
右洞的岩体破碎，受力未减少而是在不断增加，导
致衬砌结构上承受了较大的围岩压力，使得它不能
承受较大应力而失稳破坏。
２􀆰 ２􀆰 ２　隧道二衬的受力图
图７　右洞开挖后开挖左洞时主应力Ｓｘｙ受力云图
Ｆｉｇ． ７　Ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ Ｓｘｙ ｎｅｐｈｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ
ｌｅｆｔ ｈｏｌｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ
ｈｏｌｅ ｉｓ ｆｉｎｉｓｈｅｄ
１）二衬的轴力图分析
从图８ 可以看出，在没有开挖左洞时，隧道所受
的轴力较均匀，说明此时的二衬并没有发生开裂，
而是在调整变形。当开挖了左洞后，二衬的轴力发
生了较大的变化，右侧主要为拉应力，左侧主要为
压应力，此时，二衬承担了较大的偏压，使得应力的
分布呈规律分布，在左侧拱顶的位置为拉压应力的
分界点，当二衬的结构不能抵挡围岩压力时，就发
生了开裂。
图８　右洞的轴力变化示意
Ｆｉｇ． ８　Ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｈｏｌｅ
２）二衬的弯矩图分析
从图９ 可以看出，在未开挖左洞时，二衬的弯矩
受力较小且均匀。当开挖左洞后，二衬的弯矩发生
了较大变化，尤其是隧道的左侧拱顶，说明此时二
衬结构在该位置受到了较大的围岩压力，最后发生
了开裂现象。
３　二衬开裂的治理措施
根据二衬裂缝结构的受力机理，该隧道裂缝为
不稳定的结构性损伤裂缝。由于大变形导致隧道
净空本来就欠缺，所以不宜采用套衬补强法，建议
采用拱、墙局部裂损部位的治理。具体根据开裂的
情况，可以打锚杆、挂网以及喷混凝土。衬砌局部
补强可采用膨胀混凝土。为提高混凝土的抗裂性
２０１４ Ｎｏ． １８ 贾东彦等：浅埋偏压隧道的二衬开裂机理及治理措施研究 　８１
图９　右洞的弯矩变化示意
Ｆｉｇ． ９　Ｂｅｎｄｉｎｇ ｍｏｍｅｎｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔ ｈｏｌｅ
和防水性，可掺入适量钢纤维或聚丙烯纤维以及防
水剂、抗裂剂等混凝土外加剂，以提高修复部分的
结构混凝土黏结性、抗裂性能和防水效果。
４　结语
隧道二衬的破坏总的来说是外力作用的结果。
根据对该隧道的模拟结果可以看出，二衬开裂与地
形偏压和岩层结构偏压有着密切的关系，从围岩受
力状态和二衬结构受力图可以说明隧道左洞的开
挖对右洞造成较大的影响。基于此，提出建议采用
拱、墙局部裂损部位的治理措施。
该隧道开裂的主要原因为偏压，可能也存在其
他因素，比如岩体本身的软弱性，及后行洞对先行
　　　　　　
洞爆破的影响等，需要进一步的研究。
现阶段对于二衬开裂研究的文献较少，没有系
统的研究，尤其对二衬开裂的各种机理的研究较欠
缺，希望有更多的学者能在此方面做出更多研究，
为类似工程建立规范做出贡献。
参考文献：
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山建设学术会议专刊（下）． ２０１２．
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［Ｊ］． 世界地质，２０１０（４）：６３３⁃６３９．
（上接第６８ 页）
残差修正ＧＭ（１，１）模型的相关系数最高。
６　结语
针对ＧＭ（１，１）模型预测精度不高的情况，本文
研究了自适应ＧＭ（１，１）模型与残差修正ＧＭ（１，１）
模型，并以某高速铁路隧道的沉降变形监测为例，
进行了试验验证。通过工程实例对比分析得出如
下内容。
１）灰色系统随着时间的推移，会加入部分未来
的噪声干扰，但ＧＭ（１，１）模型在模型的建立过程中
保留了数据序列的沉降初期信息，且在进行预测时
又没有顾及未来噪声的影响，进而导致模型的预测
精度随时间的推移越来越低。
２）自适应ＧＭ（１，１）模型可以及时更新建模数
据序列，将沉降初期信息剔除，引入近期信息，保障
模型是一个递补动态预测模型，可有效修正模型误
差，改善模型预测精度。
３）残差修正ＧＭ（１，１）模型对随机噪声进行了
有用信息再次提取，可以达到精度补偿的目的，故
该模型对于曲线波动较大处有较好的拟合与预测
效果。
参考文献：
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