盾構隧道結構健康與安全的影響因素分析

趙樣平，宋金良

(1.廣州市第三市政工程有限公司，廣東廣州510060;2.廣州大學土木工程學院，廣東廣州510006)

隨著經濟的發展，由于交通運輸的需要，大量的地鐵及客運專線都在規劃中或投入建設當中。為了不影響地面環境，地鐵和客運專線的開挖方式基本采用暗挖法施工，而盾構開挖就是其中比較常見的一種開挖方式。盾構隧道是由襯砌和圍巖共同承受外界的一些載荷。盾構隧道由設計到施工到投入運營的過程中襯砌結構的健康與安全受到很多因素的影響，而目前關于這方面的研究還不太全面。本文從設計、施工、材料、環境、外力等方面綜合分析了其對隧道襯砌結構健康與安全的影響。

1 設計方面的影響因素

盾構隧道為了滿足列車的正常運行和旅客的安全心理需要，襯砌應該可以承受圍巖壓力和其它外力(如地震力、圍巖上部行車荷載等)，使之不產生過大變形或者裂縫。而襯砌是由管片拼裝而成，研究表明:管片設計的厚度、拼裝方式等對盾構隧道受力和變形會產生影響。

(1)通縫拼裝由于具有施工容易、施工效率高的優點而為很多施工單位所青睞;錯縫方式的結構優越性使得大多數盾構隧道工程均傾向于這一方式。通縫和錯縫之間的區別從本質上講是一個管片環整體剛度上的差異。錯縫的存在，使得管片環之間的螺栓可以發揮縱向加強作用，使得管片間接頭處的薄弱部位得到加強從而增加了管片環整體的剛度［1］～［4］。

(2)管片厚度是盾構法隧道設計中的一項重要參數，其取值大小不僅影響隧道的造價，而且還直接影響著隧道受力及使用性能。新干線1∶30比例的襯砌模型，試驗荷載位移曲線表明，拱部厚度不同時，其承載力的變化是很大的。在同樣位移條件下，如滿足設計厚度的承載力為1，則襯砌厚度為設計厚度的3/4時，其承載力為0.4;襯砌厚度為設計厚度的1/2時，僅為1/12［5］。但當取用薄的管片厚度，對隧道襯砌結構的防水要求會更加嚴格，對隧道結構耐久性也有不利的影響。管片也不是越厚越好，一是厚度對工程造價產生影響，二是厚度會對管片接頭產生一定的作用，所以管片厚度的選擇要綜合考慮比較得出最優的厚度。

從上面分析中可以知道，通縫在施工上較錯縫有優勢，錯縫在結構受力上較通縫有優勢;管片厚度對隧道受力和隧道防水會產生一定的影響。隧道在結構檢查中要加強管片厚度監測，如發現管片厚度存在變化，需進行安全評估并在必要時采取一定的處理措施。

2 施工方面的影響因素

施工方面諸如襯砌或管片外空洞、管片拼裝質量、防水作業質量等都會對隧道結構產生一定的影響。本文主要考慮管片外空洞對隧道結構的影響。我們知道，空洞的存在會造成盾構偏壓，無支護的空洞經年累月有可能會松弛，剝落從而沖擊襯砌。空洞對結構承載力的影響主要從空洞尺寸、形狀和有無回填及回填物類別等方面來考慮。

2.1 空洞尺寸對襯砌內力的影響

空洞的存在，使襯砌承載力降低。如新干線1∶30比例的襯砌模型試驗結果表明［5］:同樣厚度的襯砌背后有空洞，其承載力在同樣位移(U=2 mm)的條件下，有空洞時降低到無空洞的1/3以下。承載力的大小和空洞的尺寸關系還需做更多研究(新干線1∶30比例的襯砌模型試驗結果表明［5］，比較背后60°和120°空洞范圍，背后空洞越大，最終承載力越低，但差異不大，兩者相差12%左右;而文獻［6］研究表明對于豎直應力作用為主的地應力場，產生病害時對應的豎直荷載高低排序為，無缺陷時最高，小范圍空洞次之，大范圍空洞再次之，中等空洞最低)。

2.2 空洞的幾何形狀對襯砌內力的影響

對比襯砌背后有矩形與弧形空洞，研究發現，矩形與弧形空洞對應力重分布的影響基本相同，說明空洞的幾何形狀對襯砌圍巖壓力重分布影響不明顯［7］。

2.3 空洞有無回填和回填材料對襯砌內力的影響

新干線1∶30比例的襯砌模型試驗結果(荷載位移曲線)表明:背后空洞范圍60°時，有無回填與用硬質材料，軟質材料回填相比，如果用硬質材料回填時的承載力為1，則用軟質材料回填時的承載力為0.8，而不回填的僅為0.1左右［5］。

由上述文獻可以看出空洞的存在對隧道的結構受力會產生一定的影響，影響的大小視具體情況有所不同。在實際地層中不可避免的存在某些空洞(如巖溶地區等)，或者由于施工超挖，注漿量又不足導致襯砌后空洞。空洞的存在雖然可能對結構暫時沒有損害，但是從長遠來看是不利的，諸如水土流失導致空洞范圍擴大，空洞上方土體剝落沖擊襯砌等。所以在隧道施工或養護階段要注意檢查是否襯砌背后存在空洞，一經發現，采取背后注漿方式除去空洞。

3 材料方面的影響因素

盾構隧道材料諸如鋼筋、混凝土的性能影響襯砌的整體性能。其中混凝土的裂縫問題在隧道建設中有著重要的地位，處理不當將引起混凝土保護層剝落及鋼筋銹蝕，使鋼筋混凝土強度和剛度削弱降低，影響結構的耐久性甚至會影響結構的正常使用。

3.1 混凝土收縮裂縫

由于水分蒸發和漿體收縮產生的混凝土裂縫基本上是收縮應力大于混凝土的抗拉強度而引起。包括:塑性收縮裂縫、水化反應收縮裂縫、表面溫差收縮裂縫、干燥收縮裂縫、自身干縮裂縫等。特點是裂縫主要出現在混凝土硬化階段，裂縫的形成、出現與發展是在較長時間內完成的。產生原因是混凝土坍落度、水泥細度、砂率過大，粉劑含量高，骨料用量少且粒徑較小;大體積混凝土水泥水化熱導致混凝土內部溫度較高，當混凝土的表面溫度與氣溫相差過大時會產生溫差收縮裂縫。

3.2 鋼筋腐蝕

一般情況下，混凝土孔溶液的pH在12～13，屬于高堿性環境，埋置在混凝土中的鋼筋表面發生電化學反應并形成一層致密的金屬氧化物和氫氧化物的晶體薄膜，其厚度約為(30～60)×10－10m左右，非常有效地阻止了鋼筋腐蝕的發生。正是這層鈍化膜的存在，使得混凝土中鋼筋并不會像放置在潮濕空氣中或水中那樣容易腐蝕。然而一旦混凝土中的高堿性的鈍化環境遭到破壞，即在混凝土中的pH值降低到11時，鋼筋的鈍化膜就會破裂脫落，其裸露部分很快就會被氧化出現鐵銹，鋼筋即開始被腐蝕。導致這種情況發生的原因主要有兩個:混凝土碳酸化(混凝土中性化)和氯離子侵蝕。

3.3 活性骨料引起的堿－骨料反應

所謂堿－骨料反應是指具有堿活性的粗骨料和水泥或混凝土中的堿起作用，造成混凝土開裂、強度和彈性模量下降、耐久性降低的工程質量問題。原因是當水泥堿含量較高時(超過0.6%)，同時又使用具有堿活性的粗骨料，水泥中堿性氧化物水解后形成的氫氧化鈉、氫氧化鉀與骨料中的活性氧化硅等起化學反應，生成不斷吸水、膨脹、復雜的堿－硅酸凝膠體，在粗骨料界面上明顯膨脹，堿－硅酸凝膠體的堿骨料反應發展緩慢，造成早已凝結硬化的水泥石結構破壞、混凝土開裂、物理力學性能劣化、耐久性降低等問題。

4 環境方面影響因素［8］

影響隧道健康與安全的主要環境場合有:CO2對混凝土的碳化作用;地區冬夏溫濕度交替;氯化物和各種化學腐蝕環境;雜散電流對鋼筋的電腐蝕和意外因素作用等。

(1)混凝土碳化，混凝土碳化使Ca(OH)2減少及混凝土含堿量(堿度)和pH值降低，從而導致混凝土受碳化腐蝕;同時，CO2入滲混凝土保護層后，使鋼筋表面鈍化膜剝蝕而銹爛。此外，碳化使混凝土收縮，在混凝土表面產生拉應力而出現收縮微裂紋，降低了混凝土的抗滲能力，而鋼筋銹脹進一步使混凝土保護層剝落。

(2)高寒地區混凝土凍融，南方夏季溫濕度交替循環變化使混凝土開裂而剝落。

(3)電氣化地鐵中雜散電流對鋼筋的電腐蝕。

(4)混凝土道面磨蝕、江中管片因受土層內的砂及地下水流長時期沖刷，使其表面性能劣化。

(5)近年來一些地區的雨中酸度加大、頻率增大，酸雨使地下水質受污染，進而引起管片結構腐蝕。

(6)侵蝕性環境中的有害化學離子入滲混凝土的腐蝕作用。工程環境和地下水中的酸、鹽介質(C1－和SO42－積聚)以及含硫酸、氯鹽的腐蝕性地下水入滲混凝土，與水泥水化物Ca(OH)2反應，使堿度降低，混凝土強度下降;酸性介質入滲，則使酸根離子被吸附到鋼筋鈍化膜表面而產生破損，從而導致鋼筋銹蝕、鐵銹體積膨脹，使混凝土保護層脹裂和剝落。

(7)意外因素作用，以隧道內火災最為常見。火災對隧道管片的不利影響主要體現在三個方面:一是混凝土爆裂:高強混凝土具有較高的密實度，孔隙率低。隧道一旦發生火災，混凝土內自由水及化學水蒸發通道不暢，不能及時地逸出，從而產生過高蒸汽分壓，導致混凝土爆裂，進而暴露鋼筋使鋼筋處于不利環境;二是強度下降:高溫狀態下的混凝土管片的強度將迅速下降。難以抵抗周邊荷載;三是微觀損傷:火災中，管片混凝土材料微觀結構遭到破壞，內部形成相當多的隱蔽裂縫。

5 外力方面的影響因素

外力方面諸如:列車運行、航道疏浚、隧道鄰近施工等都會影響隧道的受力和變形。在隧道外部環境發生改變時，隧道結構也相應的會作出反應，認真分析這些反應是必要的。現分別就外力方面的因素作簡要討論。

5.1 列車運行的影響

列車運行速度對襯砌的影響不大。列車在振動荷載作用下［9］、［10］，軌底、拱頂的最大豎向位移分別為 5 mm、3 mm，邊墻的最大水平位移為1 mm。雖然上述研究結論基于的模型不是盾構隧道，但我們可以類比得出高速鐵路隧道列車振動響應對盾構隧道襯砌影響是不大的。值得注意的是，上面論文分析的條件是隧道襯砌本身狀態良好，假如由于其它原因，隧道已經存在裂縫，甚至錯臺。那列車運行的影響是值得我們注意的。

5.2 航道疏浚的影響

隧道縱向穩定性影響因素眾多，文獻［12］結合國內外還不多見的航道疏浚因子對已有隧道的影響做了分析研究。所研究的海底隧道位于第四系地層，隧道盾構段縱斷面自然水深為8～14 m，未來航道的規劃水深將達到23 m，人工航道開挖的深度為 9 ～ 15 m。數值模擬結果表明［11］、［12］:航道疏浚對隧道縱向產生較大的差異沉降，航道疏浚區域與沉降趨勢一致，最大差異沉降達231.5 mm。這么大的差異對隧道襯砌接頭是不利的，會影響隧道內軌道和管道的安全。

5.3 隧道鄰近施工

隧道鄰近施工包括疊交隧道近距離穿越、上方超載等。關于疊交隧道近距離穿越這方面，已有文獻基本是圍繞隧道凈距、地層損失率等因素作用下既有隧道的反應的研究;上方超載則主要從超載作用位置、隧道埋深等方面考慮［13］～［15］，一般來說，地鐵隧道埋的越深，荷載中心距離隧道軸線越遠，上方超載對隧道的影響會有減小的趨勢。

5.3.1 疊交隧道近距離穿越的影響分析

雙線隧道間的相互作用受許多因素的影響，地基土層性質、隧道間的相對位置和凈間距的影響尤其重大，地鐵雙線隧道工程建設中應該重視這些因素的影響。

西藏南路越江隧道需要從M8線周家渡站—西藏南路站區間隧道下穿越，數值分析表明［16］:西藏南路越江隧道施工引起M8線的變形和受力隨著地層損失率的增加而增大。

新老隧道之間的凈間距對老隧道位移也存在影響，不論新隧道位于老隧道的上方還是下方，由新隧道盾構推進引起老隧道襯砌的位移隨著隧道間凈間距的增加而不斷減小。隧道間凈間距小時，老隧道的位移比較大，當凈間距大于一定距離后，新隧道盾構施工引起老隧道襯砌的位移很小［17］。

5.3.2 上方超載影響

上海打浦路越江隧道［18］2號井以東第7O環襯砌管片因地面堆載而發生沉降的實測資料充分說明了這一點，第7O環隧道周邊土方覆土厚15 m，地表為一約30 m×50 m的洼地，自1970年隧道通車后，投入運行的16年中進行了四次土方填筑和混凝土層鋪筑的工程，每次地表單位面積的荷載增量約為10～20 kPa，四次總共約70 kPa，實測顯示四次加荷后總沉降增量達110 mm，出現嚴重的縱向不均勻沉降。

通過上面的文獻可以看到航道疏浚和隧道上方堆載主要產生差異沉降，分別達到231.5 mm和110 mm。差異沉降會使襯砌內力產生重新分布和降低列車運行舒適度，我們對其影響應該重點考慮;而疊交隧道施工則需要綜合考慮間距、地層損失率等的影響。在實際工程中，如果隧道外部條件要發生變化，我們在外部條件變化的同時加強隧道襯砌的位移、應力等監測，一旦發現問題，及時采取必要的措施如對隧道周邊巖層進行加固處理。

6 隧道下臥土層固結特性不同

現有研究表明，土層不同時，和土層對應的次固結特性會存在區別。隧道線路一般較長，就有可能導致隧道因為沿縱向土性分布不均勻而產生差異沉降。

上海打浦路越江隧道在江中段及浦東段的隧道，當其下臥層為粘質粉土或粉砂與淤泥質粘土互層(接近砂性土)的土層時，在長期運營的16年中，沉降量只有40～50 mm，平均沉降速率只有0.008 mm/d。而在軟弱粘性土中的盾構隧道，在長期運營中則產生較大的不均勻沉降。上海打浦路越江隧道1號井以東約120 m一段隧道下臥土層為松軟的淤泥質粉質粘土，在長期運營的 13年中，沉降量大于100 mm［18］。

由上述實測結果可以看出，由于在軟弱粘性土中易發生較大的不均勻沉降，而現實生活中又不可避免地把隧道建在軟土上(由于地質構造導致軟弱夾層的存在等)。所以在隧道勘察過程中，要重點勘察存在軟弱土層的區域，在設計中應該避開軟土區域，如果由于線型的需要無法避開的話，應對軟土做適當處理后再修建隧道。對由于在勘察階段沒有發現下臥土層存在軟土，而是由于在隧道開挖階段中發現存在大量軟土層的現象，施工單位應該馬上停工，并應把這一現象報告給設計單位，設計單位在視具體情況做具體處理后，施工單位方可繼續開挖。

7 隧道下臥土層水土流失造成的破壞性縱向變形

當襯砌周圍為粉砂土或砂質粉土，且受到動水壓力作用時，則土體就會由襯砌的裂縫流人隧道。在重力流的排水隧道中，水流就不斷把漏入隧道的水土帶走，使隧道周圍，特別是下臥土層的水土不斷流失，直至隧道產生破壞性的變形。施工階段初次襯砌漏水裂縫和隧道在后期縱向變形中產生的漏泥水的裂縫，這就可能導致這種破壞形的縱向變形。

8 結論

針對我國關于隧道結構影響因素研究都是基于某單一影響因子的現狀，論文從設計、施工、環境、外力等方面比較全面的概括了盾構隧道結構健康與安全影響因素。具體結論如下。

(1)襯砌厚度對結構承載力有較大的影響，在隧道結構安全檢測中要加強襯砌厚度檢測;

(2)空洞的位置、尺寸、空洞有無回填及回填物屬性對襯砌受力有一定的影響，空洞形狀對襯砌受力影響不大;

(3)混凝土收縮裂縫、堿－骨料反應和防水材料失效等材料方面的因素會對結構的耐久性、承載力和防水效果產生影響;

(4)外力方面如航道疏浚、鄰近施工等對隧道有一定的影響。航道疏浚表現為差異沉降，鄰近管道、隧道施工需要考慮隧道間凈間距、地層釋放率等因素對隧道的影響，地面超載則需要從超載作用位置與老隧道之間的間距、超載大小等方面綜合考慮;

(5)隧道在長期運營中由于下臥地層不同、隧道所處地層水位變化等在很長時間內可能會增加不均勻沉降。

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