《Structures》：Cracking behavior and reinforcement effect of asymmetrical double-arch tunnels with voids behind the lining
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摘要空洞缺陷显著影响隧道结构的力学性能，尤其是空洞的几何形态和分布。本文基于FEM-CZM方法开展数值研究，探讨衬砌背后存在空洞的不对称双拱隧道的开裂行为及加固效果。首先进行了室内单轴压缩试验，以验证数值方法的严谨性和准确性。随后建立数值模型，研究空洞数量和分布的影响。进而研究了
摘要
空洞缺陷显著影响隧道结构的力学性能，尤其是空洞的几何形态和分布。本文基于FEM-CZM方法开展数值研究，探讨衬砌背后存在空洞的不对称双拱隧道的开裂行为及加固效果。首先进行了室内单轴压缩试验，以验证数值方法的严谨性和准确性。随后建立数值模型，研究空洞数量和分布的影响。进而研究了表观破坏、内力、相互作用及破坏模式。最后讨论了不同加固方法对加固效果的影响。主要结果表明，双拱隧道衬砌的开裂行为与空洞位置存在显著相关性。此外，衬砌外表面的内应力转为拉应力，且衬砌纵向截面上的轴力分布不均匀。再者，FRP-PCM与空洞填充的联合加固方法能够取得显著的加固效果，且在条件允许的情况下，间歇性条带加固可以达到与全范围加固相近的效果。
引言
随着公路隧道的不断扩建，不对称双拱隧道已广泛应用于地形狭窄、土地资源稀缺的山区[1], [2], [3], [4], [5]。然而，这种独特的结构形式容易产生空洞缺陷，显著恶化衬砌与围岩之间的接触状态，并容易引发开裂、侵蚀和渗漏水等隧道病害[6], [7], [8]。因此，明确具有空洞缺陷的双拱隧道的断裂行为并寻找有效的加固方法至关重要。
近年来，空洞对隧道衬砌断裂行为的影响已被广泛讨论。He等[9]通过小尺度隧道模型试验和Ansys数值模拟，确定了拱顶背后存在空洞的单拱衬砌的破坏模式。Han等[10]研究了具有双空洞的单拱衬砌的塑性破坏特征，并确定了潜在的开裂区域。Han等[11]探讨了具有单个空洞的直墙隧道衬砌的损伤行为，并确认了最不利空洞位置。Liu等[12]聚焦于与围岩接触状态不良的衬砌的开裂行为，并识别了控制开裂过程的关键参数。Zhang等[13]开展了包含单拱衬砌背后双空洞的隧道模型试验，揭示了开裂特征。进一步地，Min等[14]进行了包含单个空洞缺陷的双拱隧道物理模型试验，并讨论了开裂特征。Min等[15]数值研究了中隔墙顶部空洞影响下双拱隧道的力学行为。回顾这些研究的方法和发现，可以看出以往研究大多集中于单拱衬砌，重点关注衬砌的力学响应和破坏特征。在数值模拟方法方面，现有研究主要采用扩展有限元法（XFEM），而使用FEM-CZM分析双拱隧道破坏机制的研究相对较少。
此外，为确保服役中建筑物或结构物的长期安全[16]，隧道衬砌的修复加固设计与验证也成为近年来的研究热点。鉴于空洞对衬砌结构的显著劣化效应，许多研究关注其修复方法。常用的方法是回填法[17], [18]。当空洞较小时，回填法通常能取得较好的加固效果，但当空洞较大时，常需结合衬砌加固方法使用[19]。常用的内表面加固方法主要包括喷射混凝土支护[17]、碳纤维布法[20]和聚脲树脂喷涂法[21], [22]。然而，传统加固方法存在加固效率低的问题[19]。近年来，FRP（纤维增强聚合物）网格已广泛应用于混凝土加固工程[23], [24], [25]。此外，为提高FRP网格与衬砌表面的粘结性能，通常采用PCM（聚合物水泥砂浆）作为保护材料，有效提高加固结构的耐久性[26], [27]。
综上所述，本研究采用FEM-CZM方法，从表观开裂、内力分析以及围岩与衬砌接触等多个角度分析衬砌背后存在空洞的双拱隧道衬砌的破坏机制。同时进行了修复加固方法的设计与验证，具体包括空洞填充和FRP-PCM加固，以补充现有研究。
章节片段
分离-牵引模型
本研究选用Abaqus作为数值模拟软件，针对衬砌模型构建了FEM-CZM模型，以模拟和分析开裂。采用牵引-分离准则作为该模型中损伤起始和演化的判据；因此，理解其原理和准则具有重要意义[28], [29], [30], [31]。
在牵引-分离模型中，有若干确定损伤起始的准则，包括
模拟方法的参数确定与验证
基于上述牵引-分离准则，数值模型中所用参数如表1所示。围岩参数根据Guo等[33]研究中的围岩参数范围确定，而衬砌的实体单元和粘聚单元参数则根据混凝土的标准值选取[34], [35]。
然而，需要注意的是，数值模型的可行性不仅取决于参数，
不对称与对称双拱隧道力学行为比较
由于本研究中不对称双拱隧道的截面和衬砌厚度不对称，即使在均质地质条件下其力学响应也呈现不对称性。图10比较了对称双拱隧道衬砌（Case symmetry）与Control case 1的开裂情况。可以观察到，Control case 1的开裂始于仰拱并逐渐向边墙扩展，损伤主要集中在
多空洞衬砌的加固
基于前述空洞影响下衬砌开裂机制的分析，本章具体探讨并验证了多空洞双拱隧道衬砌的修复加固方法。
结论
本文系统研究了具有空洞缺陷的不对称双拱隧道的开裂行为和加固特性。主要结论如下：
- (1)
空洞显著改变了衬砌的内力分布。空洞区域内的拉应力方向反转，空洞边缘的弯矩急剧增大，当中隔墙顶部存在空洞时更为明显。在轴力方面，原本均匀的
CRediT作者贡献声明
韩伟：写作–初稿，监督，经费获取。张文昊：写作–审阅与编辑，软件，方法。杜奕涵：写作–审阅与编辑，可视化，概念化。杜旭泽：验证，软件，概念化。黄博：资源，数据管理。刘慧：调查，数据管理。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
本文所述工作由安徽省自然科学基金（项目编号：2508085QE198）；安徽省高校自然科学研究项目（项目编号：2024AH050107）；安徽省住房城乡建设科学技术计划项目（项目编号：2025-YF013）；安徽工程大学人才引进启动基金（项目编号：2023YQQ016）全额资助。
韩伟|张文昊|杜奕涵|杜旭泽|黄博|刘慧
