通透肋式连拱隧道作为生态高速公路的一个典型示范工程，既满足大跨度高速公路建设需求，又实现了工程安全与环保节能的协调统一，具有广阔的推广价值和应用前景。然而，受浅埋偏压地形、软弱破碎围岩和频繁施工扰动的影响，施工期间易出现衬砌厚度不足，严重威胁隧道安全性[1]。若处理不当会导致病害不断发展，进而诱发隧道出现崩裂和坍塌[2]。为此，开展衬砌厚度不足影响下通透肋式连拱隧道破坏规律方面的研究，显得尤为迫切和重要。传统傍山隧道通常采用棚洞结构和反压护拱式隧道结构以适应复杂地形，且主要应用于洞口段[3-5]，存在工程安全与环境保护协调的问题。为实现“安全、环保、和谐”的设计理念，提出一种新型隧道结构——通透肋拱式隧道，具有适应山区陡峭地形与采光通风优良的特点，引起了学术界的广泛关注。张敏等[6-7]通过数值模拟对通透肋拱式隧道变形、内力及围岩破坏进行了研究；彭大林等[8]通过有限元动力分析通透肋拱式隧道在地震中的响应。在此基础上，为适应大跨度、双线通行的建设需求，提出通透肋式连拱隧道，其嵌入式非对称连拱结构覆盖了通透肋拱式隧道的主要技术特征，形成更为复杂的空间结构形式。为探明这种新型隧道结构的受力变形特征，尤吉等[9]通过数值模拟对该结构进行了研究，并提出“先明后暗”的修建方案，这些研究主要聚焦于完整衬砌的情况。目前，我国运营隧道多数存在衬砌厚度不足情况[2]，这是造成衬砌开裂的主要原因之一。在现场监测方面，LIU等[10]引入曲线拟合后处理操作，使探地雷达(GPR)图像可同时识别隧道缺陷的形状、类别和深度；FU等[11]通过现场调查，研究了直墙式单拱隧道出现衬砌厚度不足时的开裂模式。在数值模拟方面，LU等[12]研究了曲墙式单拱隧道衬砌厚度不足区域的内力变化；张成平等[13]研究了衬砌整体及局部厚度不足对隧道安全性的影响。在模型试验方面，张旭等[14-15]通过研究连拱隧道不同位置缺陷对破坏过程、受力特点和变形特征的影响，揭示了空洞对隧道结构完整性的潜在威胁；闵博等[16]对非对称连拱隧道存在病害时衬砌结构裂损规律的影响进行了研究。这些研究主要关注衬砌缺陷，忽略地形条件影响，且鲜有对通透肋式连拱隧道结构的研究。针对衬砌厚度不足影响下连拱环保型傍山隧道的系统研究始终缺乏，成为限制其大规模建设所面临的重要技术难题。为此，本文以安徽省南山隧道工程为背景，以含衬砌厚度不足通透肋式连拱隧道为研究对象开展缩尺模型试验，探究衬砌厚度不足对隧道结构破坏规律的影响，探讨不同位置衬砌厚度不足对衬砌结构破坏、受力及变形的影响程度，为新式连拱环保型傍山隧道病害防治与安全控制提供参考。
1 模型试验设计
1.1 工程概况
原型工程为安徽省南山隧道，见图1。其嵌入式非对称结构有效保留山体自然生态，同时通透的肋梁结构可改善隧道内的采光、通风和行车视觉效果。外洞衬砌结构与拱顶纵梁、肋梁和防撞墙为整体结构，并与中墙、仰拱和扩大基础形成环形承力体系，如图2所示。研究对象为南山隧道肋梁段衬砌，采用1∶40缩尺模型试验，衬砌厚度为21.5 mm，高度为264 mm，宽度为702 mm，沿纵向长度为330 mm，见图3。
1.2 试验系统
本文设计相似比为1∶40的隧道加载破坏模拟试验系统，如图4(a)所示。系统由试验台架、反力架、加载系统和数据采集装置4个部分组成。台架净空尺寸3 000 mm×330 mm×1 700 mm(长×宽×高)，加载系统由油压千斤顶、压力传感器、传力垫板3个部分组成，如图4(b)所示。
1.3 模型试验参数设计
模型试验以相似性为基本原则，以几何相似比Cl=40和容重相似比γ=1作为基本相似比。根据相似定理，推导出各物理参数相似比，见表1。
| 物理量 | 相似比 |
|---|---|
| 内摩擦角φ/(°) | Cφ=1 |
| 泊松比Μ | Cμ=1 |
| 黏聚力c/Pa | Cс=40 |
| 弹性模量Е/Pa | CЕ=40 |
1.3.1 围岩相似材料
模型土以重晶石粉和石英砂为骨料，凡士林为黏结剂。容重、黏聚力、内摩擦角和弹性模量为主要控制因素。利用环刀法、土三轴仪和直剪试验分别对模型土的密度、弹性参数(弹性模量E和泊松比μ)以及抗剪强度参数(黏聚力c和内摩擦角φ)进行测定，最终确定各组分比为石英砂∶重晶石粉∶凡士林=7.3∶2.7∶0.14。原型和模型围岩的物理力学参数见表2。
| 材料 | 重度γ/(kN∙m-3) | 弹性模量 E/GPa | 泊松 比μ | 内摩擦 角φ/(°) | 黏聚力c/kPa |
|---|---|---|---|---|---|
| 原型 | 18.0 | 1.8 | 0.23 | 30 | 200 |
| 模型 | 18.0 | 0.045 | 0.23 | 30.4 | 5.51 |
1.3.2 衬砌相似材料
为确保隧道模型衬砌相似材料满足关键物理力学参数相似比要求，根据以往学者积累的丰富经验[11-18]，采用水和高强度石膏粉以一定比例配制。本试验浇筑不同水膏比的立方体试块与棱柱体试块，并通过测试仪器对试块的力学性能进行测定，以确保满足相似比要求。原型和模型衬砌物理力学参数见表3。
| 材料 | 重度γ/ (kN∙m-3) | 弹性模量 E/GPa | 泊松 比μ | 单轴抗压强 度RC/MPa |
|---|---|---|---|---|
| 原型 | 25.0 | 30 | 0.20 | 20.1 |
| 模型 | 7.4 | 0.75 | 0.20 | 0.55 |
1.4 试验方案设计
由现场调查可知[19-20]，衬砌厚度不足主要集中在隧道拱顶及拱腰位置。基于此，设计3组模型试验，方案1～3分别采用完整衬砌(MT-1)，内洞拱顶衬砌厚度减薄22.5°(MT-2)，外洞右拱肩衬砌厚度减薄22.5°(MT-3)[15]。以往研究表明[21-22]，衬砌减薄形状对隧道结构整体影响较小，因此在本试验中，减薄形状选用扇环形，减薄深度均为1/3衬砌厚度，如图5所示。
试验监测内容主要为衬砌变形、衬砌内外侧应变、围岩压力及裂缝扩展过程。监测方案如图6所示，沿衬砌中间断面共布置应变片21对(42个)，预埋微型土压力传感器22个，位移计9个。用深度尺和裂缝测宽仪分别对裂缝扩展深度及开口宽度进行测量，并用高清照相机对衬砌破坏形态进行实时拍照记录。
1.5 模型试验步骤
通透肋式连拱隧道加载破坏对比试验流程如图7所示，大致分为4个步骤。
步骤1(模型制作)：通过3D打印技术定制光敏树脂材料模具，用衬砌相似材料进行浇筑，待衬砌凝固后拆模放入恒温箱进行养护成型，随后用砂纸将表面打磨光滑并沿衬砌内外环向粘贴应变片。
步骤2(布置与填筑)：在试验台架内侧粘贴光滑的PVC薄膜减少边界效应产生影响，每次填土高度为2.5 cm并夯实平整，回填至45 cm时放置模型并布设位移计。随后按标定坡度继续回填直至设计高度。
步骤3(模型加载)：试验采用先预埋后加载的方式，将分离式液压千斤顶等距放置在围岩顶部的垫板上，以实现分级加载。每级加载0.002 5 MPa，加载时间间隔为5 min，分12级加载。
步骤4(数据采集)：数据采集通过DH3820静态应变测试仪实时监测应变、位移和围岩压力数据，同时采用高清照相机记录通透肋式连拱隧道结构的渐进性破坏过程。
加载完成后，将监测数据导出，并将实验数据按相似比换算成实际工程数值，以方便对比。
2 模型试验结果
2.1 完整衬砌试验结果
图8给出了方案MT-1的衬砌结构破坏形态，图中线段与数字分别表示裂缝和开裂顺序。在偏压荷载作用下，第1条主裂缝出现在中墙左墙脚外侧(M1)。随后，肋底(肋梁与防撞墙相连处)内侧与肋腰(肋梁中段)外侧相继开裂(M2，M3，M5，M6)，裂缝初始深度均较浅且无明显张开，二肋裂缝较一肋、三肋出现更早。随着偏压荷载的增大，内洞右拱脚外侧与仰拱内侧相继开裂(M8，M9)，两裂缝张开度均沿扩展方向呈递减趋势，随后肋顶(肋梁与防落石挡板相连处)内侧受拉开裂(M10)，裂缝贯通度(裂缝深度与衬砌厚度之比)较高，此时肋底裂缝走向由横向转为纵向，裂缝外观形式近似“几形”，肋腰裂缝沿径向发育至约肋梁厚度的40%。随着偏压荷载继续增大，内洞拱顶及雁形区(中墙上部区域)两侧衬砌内侧相继出现3条张拉裂缝(M13，M14，M15)，裂缝张开度由浅埋侧至深埋侧逐渐减小，分别约为0.32、0.3和0.18 mm，其中内洞左拱腰内侧发育为受压集中区域；中墙左墙脚裂缝走向由近似直立转为倾斜，外观形式近似扁平“牛角状”，随后裂缝扩展至接近贯通，其破坏方式由外侧开裂转为内侧压溃；肋腰裂缝扩展速率剧增，最终扩展至接近贯通。继续加载后，肋腰外侧裂缝贯穿肋梁结构，多处衬砌位置出现错台，中墙左墙脚内表面出现压溃，隧道结构破坏严重。
2.2 衬砌厚度不足试验结果
当衬砌厚度不足(方案MT-2，方案MT-3)时，隧道模型的破坏形态如图9和图10所示。2组隧道模型在结构完全失效时分别出现15条主裂缝，最终破坏依据为中隔墙内侧压溃，但不同方案下结构的破坏过程不同。从图9可知，拱顶裂缝出现位置由中心转为不足区域两侧边缘，右侧边缘裂缝(M8)出现较早且张开明显，在结构出现多条裂缝后，左侧边缘内侧出现裂缝(M15)，2条裂缝走向近似平行。同侧洞室仰拱出现更为严重的隆起现象，相比之下，对肋梁结构破坏程度影响不明显。从图10可知，雁形区左侧衬砌开裂位置由拱腰转变为减薄区域右侧边缘，裂缝(M14)两侧相对位移明显。邻近肋梁结构的肋顶与肋腰两处区域的开裂荷载降低，破坏程度加剧。肋腰裂缝(M5，M6)两侧张开量增大，肋顶断裂后出现较大位移，肋梁结构整体破坏程度较其他2组方案更为严重。
3 分析与讨论
3.1 衬砌厚度不足对围岩压力的影响分析
从图11(a)可知，方案MT-1最大围岩压力0.795 MPa出现在测点D9，最小围岩压力0.021 MPa则位于测点S1，两者相差约38倍，偏压特征显著。同时，由于隧道嵌入式非对称的空间受力体系，外洞仅有部分衬砌受地层反力约束。这导致肋梁结构在承受偏压荷载时更易发生破坏。
衬砌厚度不足时围岩压力分布形式与完整衬砌相似，测点S1和D9均为围岩压力最值位置，但衬砌厚度不足的两侧围岩压力有所增加。从图11(b)可知，测点D2和D4分别增长10%和15%，支护结构的缺失使地层反力发挥不充分，导致测点D3围压减少25%。从图11(c)可知，衬砌厚度不足范围的围岩压力变化趋势与方案MT-2基本一致，不足区域两侧围岩压力有所增加且深埋侧增加更明显，不足区域中心围岩压力出现下降，测点S2和S4分别增长45%和90%，测点S3衬砌围岩压力减少60%，变化程度较方案MT-2更为明显。图12给出了3组工况的围岩压力对比。
3.2 衬砌厚度不足对弯矩和轴力的影响分析
衬砌结构轴力N和弯矩M的计算公式分别为：
式中：b为单位长度，取1 000 mm；h为衬砌厚度，分别取26.25 mm(肋梁厚度)，21.5 mm(衬砌厚度)和14.3 mm(缺陷厚度)；E为衬砌弹性模量，取750 MPa。轴力以受压为正，弯矩绘于受拉一侧。
从图12(a)可知，衬砌全断面受压，可承受最大轴力出现在测点R1，表现为外侧受压严重。在衬砌断面弯矩分布中，共11处测点外侧受拉，其中测点L3、L9和R9在较大负弯矩作用下，衬砌外侧受拉严重。在12处内侧受拉的测点中，最大正弯矩出现在测点R11，然后依次是测点L1和L5。总体而言，弯矩形状与衬砌主裂缝分布一致。肋梁在测点位置(L1，L3，L5)均受较大弯矩作用，为隧道结构的薄弱区域。
从图12(c)～图12(d)可知，相比于方案MT-1，测点R4轴力及弯矩分别减少24%和67%，而测点R3和R5轴力分别增加11%和34%。其中，测点R3受两侧围岩压力影响，受力状态由受压转为受拉，与结构开裂情况相符(图9)。在方案MT-3中，其内力变化趋势与方案MT-2一致，缺陷范围衬砌弯矩及轴力均出现下降，而两侧轴力出现略微上调。对于肋梁结构来说，2组工况在测点L1和L3的弯矩均有增加，方案MT-2分别增加3%和2%，而方案MT-3分别增加20%和6%。由此可知，当不足位置靠近肋梁结构时，其范围衬砌结构承载力的下降，导致肋梁结构受拉更为严重，对通透肋式连拱隧道的安全运营极为不利。图14展示了3组工况下在0.3 MPa荷载作用下的轴力及弯矩对比图。
3.3 衬砌厚度不足对位移的影响分析
衬砌结构破坏的直接原因是内力，结构变形则能宏观反映结构受力情况。方案MT-1时程位移曲线如图13(a)所示。地形偏压作用下，结构整体变形趋势为竖向挤压和横向伸张，与衬砌弯矩分布相似。其中测点CH9位移明显大于其他测点，在结构完全失效前，测点CH9变形速率出现剧增，该位置为肋梁结构出现最大变形区域。
由2.2节可知，衬砌厚度不足对结构破坏过程影响显著。因此，2组方案在衬砌开裂后的荷载-位移曲线变化明显。从图13(b)可知，缺陷右端的早期裂缝导致拱顶沉降速率出现骤增，随后趋于稳定，最终沉降量增加30%，并且仰拱隆起量显著增加，与图9破坏形态一致。测点CH8和CH9在结构完全失效时变形量分别增加4%和8%。从图13(c)可知，肋顶开裂荷载的降低，导致在0.7 MPa的荷载作用下，测点CH5变形量突增，进而影响肋梁结构的稳定性。在结构完全失效前，测点CH8和CH9变形速率加快，最终变形量分别增长15%和20%，导致肋梁结构出现显著的破坏。
4 结论
1) 当通透肋式连拱隧道内洞拱顶或外洞右拱肩衬砌厚度不足时，主要开裂部位与衬砌厚度完整工况类似，均为中隔墙左墙脚、肋梁结构、内洞右拱脚及内洞仰拱。其中，肋梁结构最早出现贯通裂缝且破坏较早，开裂顺序依次为肋底内侧、肋腰外侧以及肋顶内侧，是通透肋式连拱隧道的薄弱区域。
2) 在含衬砌厚度不足的通透肋式连拱隧道中，由于不足区域两侧衬砌与围岩接触压力的增加，不足处衬砌起裂荷载较完整衬砌更低。由于地形偏压作用，不足区域右侧围岩压力增长约为左侧的1.5～2倍，覆土较厚一侧往往是不足区域衬砌的起裂点。
3) 通透肋式连拱隧道内洞拱顶衬砌厚度不足时，相比于完整衬砌拱顶中心的开裂位置，不足区域的2条裂缝分别出现在衬砌的内外两侧边缘，衬砌右侧裂缝的尺寸较大；通透肋式连拱隧道外洞右拱肩衬砌厚度不足时，裂缝则出现在不足区域靠右边缘的内侧。
4) 衬砌厚度不足对肋梁结构影响明显。由于厚度不足区域衬砌承载能力下降，导致肋梁底部与肋梁中段所承受的弯矩增加，破坏程度加剧，尤其当厚度不足区域靠近肋梁结构时，相较于完整衬砌工况，肋梁中段的弯矩增加约6%，破坏程度明显提高。
因此，在通透肋式连拱隧道的设计和施工过程应重点关注和加固肋梁结构，并在运营期间加强此薄弱区域的检测及维护，以确保此类隧道的稳定性和安全性。
张旭,董烨炜,许有俊等.衬砌厚度不足影响下通透肋式连拱隧道破坏规律试验研究[J].铁道科学与工程学报,2025,22(03):1202-1214.
ZHANG Xu,DONG Yewei,XU Youjun,et al.Experimental study on failure laws of permeable rib double-arch tunnel with insufficient lining thickness[J].Journal of Railway Science and Engineering,2025,22(03):1202-1214.