Page 32 - 水利学报2021年第52卷第1期

P/Pa P/Pa P/Pa

3 裂缝
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7 裂缝
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图 10 隧洞渗流场演化特征 （P 为孔隙水压力）
砌内钢筋绑扎在一起，则可认为衬砌-围岩完全联合承载。而在不考虑锚杆与衬砌连接加强措施的情
况下，衬砌与围岩仅依靠交界面的黏结强度结合在一起共同承担水荷载，或在浇筑混凝土时在衬砌
与围岩交界位置布置黏结强度较低的介质（如石灰粉），以达到衬砌与围岩单独联合承载的效用。相
较于完整的衬砌混凝土与围岩岩体而言，衬砌-围岩交界面的黏结强度通常较低。当交界面法向拉应
力超出其黏结强度时，衬砌与围岩将会脱离，进而表现出有条件联合承载特性。为反映衬砌-围岩有
条件联合承载特性的影响，本文对原有模型进行局部修改，采用*tie 约束模拟衬砌-围岩交界面，以
此反映衬砌-围岩完全联合承载情况，两种不同模拟方式详见图 6。其中，衬砌-围岩交界面采用内
聚单元模拟，意味着衬砌与围岩将会脱离；采用*tie 约束则意味着衬砌与围岩始终满足位移连续条
件，两者不会脱离。基于此，本文将不同模拟方式下的计算结果进行对比分析，进而说明衬砌-围岩
有条件联合承载特性的影响。
5.1 衬砌开裂特征对比 完全联合承载情况下，衬砌开裂特征如图 11 所示。从图 11 可以发现，在
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隧洞充水加压过程中，衬砌将在 0.46 MPa 内压下迭代稳定后产生 2 条初始裂缝（3 与 7）；此后，随着
内水压力的持续加载，衬砌内聚区域相继在 0.505、0.575 和 0.595 MPa 内压作用下断裂失效（损伤达
到 1），进而产生后继裂缝。
通过表 2 可以发现，两种情况下衬砌开裂特征表现出明显的差异，主要体现在：有条件联合承
载条件下，衬砌初始裂缝（3 和 7）出现后，并未产生后继裂缝，裂缝呈现数量少、间距大的分布特
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点；而在完全联合承载条件下，衬砌初始裂缝（3 和 7）出现后，随着内压的增大，后继裂缝将持续出
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现，共计产生 8 条裂缝，裂缝数量明显增多。原因在于衬砌初始裂缝产生后，完全联合承载条件
下，尽管衬砌承担的水荷载大幅降低，但由于衬砌与围岩始终满足位移连续条件，裂损衬砌需要承
受围岩带动作用所产生的附加应力，使得后继裂缝持续出现。
从表 3 所示的工程现场试验所表现出的衬砌开裂规律来看，尽管各试验洞段设计参数有所不
同，但都表现出类似的规律，即内水压力增大至某一临界值时，衬砌裂缝出现，此后衬砌并无新的
裂缝产生，裂缝呈现数量少、间距大的普遍特点 ［27］ 。沈威 ［28］ 、郑治等 ［29］ 基于相似原理进行了隧洞充
水加压的模型试验，衬砌开裂特征以及裂缝分布规律也表现出了相同的特点。将本文计算结果与上
述试验成果进行对比，可以发现有条件联合承载条件下衬砌开裂特征明显与试验结果更为贴近，说
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