隧道工程盾構管片裂損產生的原因及后果

熊真健

（華南理工大學，廣東 廣州 510641）

0 引言

城市軌道交通是緩解交通擁堵問題最有效的方式。截止2021年底全國開通軌道的城市數量達到51個，開通軌道交通運營線路269條，運營總里程超過8700km，目前仍有大量的軌道交通線路正處于建設之中。軌道交通線路多處于地下，主要施工方法包括明挖法、沉管法、盾構法和頂管法等。盾構法因其具有掘進速度快、安全性高、對周邊環境影響小、不受氣候條件影響等優勢，已成為我國城市軌道交通建設的主要施工方法。

隨著科研能力的持續提升和人才隊伍的發展壯大，我國盾構隧道施工技術和裝備制造能力都得到快速發展，部分領域甚至達到世界先進水平。目前，盾構隧道施工過程中，由于各種主客觀因素的影響，仍面臨諸多施工難題。尤其是管片裂損問題，已成為施工中的重點和難點。盾構隧道掘進過程中，管片承受著千斤頂推力、盾尾密封刷作用力、襯砌背后漿液壓力等多種外力的綜合作用，受力情況比較復雜，而且施工中出現的很多狀況與設計時所考慮的并不完全一致，造成不同類型的管片裂損。

為了減少甚至避免盾構隧道施工過程中出現管片裂損問題，人們做了大量的研究和優化工作。本文從盾構隧道管片裂損研究現狀出發，對管片裂損的類型、特征、產生原因及不良后果進行分析，以期對相關施工人員改進工作方法，提升施工水平提供參考。

1 盾構管片裂損的類型及特征

盾構管片可能會出現的裂損問題包括管片襯砌表面裂縫、破裂、鋼筋銹蝕、混凝土掉落、漏水等，其中裂縫對管片造成損壞的影響最大。雖然在管片生產時，由于混凝土振搗不充分、凝結收縮、溫度差等，管片內部可能存在初始缺陷，但是根據盾構隧道施工相關規范可知，盾構管片在施工和使用期間允許出現一定的裂縫，只要不超過規范要求，并不影響管片正常使用。一般混凝土結構的裂縫以0.05mm為界限，裂縫寬度小于0.05mm稱為微裂隙，寬度大于0.2mm的裂縫稱為宏觀裂縫，可以通過肉眼看見。通常情況下，裂縫寬度如果小于0.2mm，則對混凝土結構的力學和耐久性能影響很小，可以不予考慮。所以隧道管片開裂病害的裂縫通常指的是寬度大于0.2mm的宏觀裂縫。

宏觀裂縫分布于管片的不同部位，具有明顯的特征差異，造成的損壞也不相同。Wang等[10]通過比例實驗、現場觀察和數值模擬研究徑向錯位條件下節段襯砌上的裂縫，研究節段襯砌裂縫對隧道安全性和耐久性的影響。對節段襯砌的三種徑向錯位類型進行了分類，并通過對受損節段環的現場統計分析總結了它們相應的裂縫模式。為了研究徑向錯位對裂縫演化和分段襯砌裂縫模式的影響，開發了實驗平臺。數值分析表明，一旦出現徑向錯位節段，拱頂處節段襯里的彎矩就會急劇增加。徑向位錯類型對節段襯砌的整體應力分布有顯著影響，因此導致節段襯砌的裂縫模式有所不同。

裂縫造成的裂損可以分為三類，分別為縱向裂縫、拱頂脫落和邊角部裂縫。盧岱岳[1]對某地鐵工程區間的管片裂縫現象進行統計，結果如表1所示：縱向裂縫占總裂損的比例最高，達到45.82%；期次是拱頂脫落，占比也達到了41.31%；以上兩種病害是造成管片裂損的主要因素；邊角部裂縫出現情況較少，僅占12.87%。

表1 管片裂損統計表

1.1 縱向裂縫及特征

縱向裂縫是沿著隧道縱向軸線方向發展的裂縫，是最常見的隧道管片裂損現象之一。一般在管片上會出現一條或者多條相互平行的裂縫，間隔10～30cm，如圖1 所示。沿著隧道軸線方向，地層越復雜的區域，縱向裂縫的數量越多。因為盾構穿越軟硬交替的地層時，為了順利通過硬巖地層，需要提高千斤頂的推力，而較軟地層條件下對應的千斤頂推力減小，這樣才能維持正確的盾構姿態，但是容易導致管片應力集中，從而產生更多縱向裂縫。

圖1 盾構管片縱向裂縫

1.2 拱頂脫落及特征

拱頂脫落在管片后邊緣較常見，即位于盾構前進方向的后側，對稱分布于拱頂位置。一般表現為混凝土脫落，嚴重的情況表現為混凝土塊掉落，如圖2所示。分布范圍一般為拱頂兩側夾角45°的范圍內，少數管片的脫落范圍較大，可能會延伸至拱腰處，縱向分布表現出很明顯的連續性，即連續多環管片出現同樣的混凝土脫落病害，同時管片會出現明顯的錯臺現象。拱頂脫落的原因是盾構調整姿態或者轉向，作用在整環管片側面的千斤頂的推力差別過大，同時管片受到注漿壓力和盾殼的擠壓，使得整環管片發生錯動，導致管片錯臺。如果出現了拱頂脫落，管片環之間的縱向解除面積減小，局部應力增大，縱向接頭的剛度降低，使得隧道變形增大。

圖2 盾構管片拱頂脫落

1.3 邊角部裂縫及特征

邊角部裂縫指的是在管片內弧面角部出現的裂縫，主要形式為三角形裂縫，如圖3所示。出現這類裂縫的原因與管片生產過程中的自身缺陷有很大關系；在運輸、吊裝過程中也可能會發生碰撞，從而加劇缺陷處的應力集中程度，造成裂縫進一步擴大。這類裂縫對隧道結構整體的承載力和耐久性影響不大。

圖3 盾構管片邊角部裂縫

2 盾構管片產生裂損的原因

明確裂損形成的原因，對于裂損的預防有非常重要的意義，前人對此展開了多方面的研究，也取得了一系列的研究成果。

Jin 等[2]分析了盾構施工期間因盾構殼體的擠壓導致管片破損的現象，通過施加塑性損傷，建立了在盾構尾部的擠壓作用、土壓力和注漿壓力作用下的盾構隧道三維有限元模型。分析了盾構殼體的不同擠壓位置和偏轉角的影響，結果表明，隨著擠壓位置越接近環向接縫，盾構殼體擠壓區域受到的破壞越大，對一段的受拉破壞逐漸減小，損傷范圍隨著偏轉角的增加而逐漸增加。

根據日本現行的設計規范[3]，驗算千斤頂對管片側面的推力作用時，計算混凝土的局部壓應力，通常取10mm 千斤頂作用偏心距，而實際施工過程中千斤頂的偏心距總是大于10mm。在施工過程中，因為盾構機需要調整姿態或者轉彎，千斤頂普遍存在推力偏心狀態，會導致不均勻的變形，還可能會造成單塊管片非均勻受壓，大幅度提高管片內部的應力集中程度。

盧岱岳[4]考慮了盾構隧道管片在隧道掘進施工期間受到的各種作用力，包括千斤頂對管片側面的推力、拼裝機械操作作用力、盾尾密封油脂倉壓力、盾尾注漿壓力、二次注漿壓力等多種荷載對管片的作用，分析了管片的受力特性和裂損現象。盾構隧道管片襯砌受力表現為三維應力狀態，局部容易發生應力集中現象。

Takeru ARIIZUMI[5]為測試隧道施工期間，管片剛剛安裝完成之后的土壓力，進行了實際模型測試。基于實驗結果和現場測量結果，得出的結論是盾尾刷處壓力很小，該處土壓力容易受到回填土荷載或者注漿壓力的影響。

綜上所述，造成盾構管片產生裂損的階段有三個[6]，分別為管片施工之前產生的裂損、盾構施工過程中造成的裂損和盾構隧道使用過程中產生的裂損，而每個階段形成裂損的原因各不相同。

2.1 管片施工之前產生裂損的原因

管片施工之前造成的裂損包含兩個環節：第一環節是管片脫模以后的養護階段，因養護過程中的主觀和客觀因素造成的裂損，以表面裂縫為主。第二環節是運輸、吊卸及拼裝過程中產生的裂縫，主要原因包括轉運方案不合理、吊卸過程不規范以及拼裝施工不細致等。管片制作時應根據所在城市的氣候、材料成分以及施工要求等合理調整配合比，完善管片制作工藝，尤其需要注重是振搗和養護，因為這兩個制作過程對混凝土密實度的影響最大。

2.2 管片施工過程中產生裂損的原因

施工過程中作用在盾構管片上的作用力主要包括千斤頂的推力、注漿壓力和管片舉重臂操作的作用力[7]。千斤頂的推力在地層復雜的情況下波動較大。地表沉降較大的情況下，為了控制地表變形，可能會加大注漿量，導致注漿壓力過大。盾構機在曲線段上施工時，盾殼可能會因為轉彎而擠壓管片，通過盾尾刷把壓力作用到管片上。這幾種因素都可能導致管片出現破損，其中千斤頂施工荷載對管片結構的受力狀態影響最大。影響千斤頂推力的因素有刀盤前方的阻力和盾殼與周圍地層的摩擦力，由千斤頂引起管片破損的原因可以分成以下四類。

2.2.1 千斤頂推力過大

盾構掘進時，要根據開挖面土體的摩擦力大小以及巖石的軟硬程度來調整千斤頂推力，在硬巖區域千斤頂的推力顯著增大。在高水壓、大埋深的隧道中，周圍地層的摩阻力也會增大，引起千斤頂的推力增大。或者在工期緊張需要加快進度時，盾構機穿越粘土地層時，形成了泥餅，都會引起推力增大。根據相關研究[8]，當千斤頂推力大于30000kN時，距離千斤頂最近的6環管片的后側邊角部會出現應力集中現象，容易造成管片邊角部裂損。

2.2.2 千斤頂推力不均勻

盾構機在曲線段施工時，或者在調整姿態的時候，作用在管片側面的每一組千斤頂推力可能都不一樣。管片襯砌結構此時會受到非均勻的千斤頂推力，可能會引起管片破損。在穿越上軟下硬的地層時，需要加大底部千斤頂的推力。千斤頂推力差可能會導致兩種情況，分別為連續多環管片橫向受彎或者單塊管片非均勻受壓。當管片中的拉應力超過混凝土抗拉強度時，管片會出現裂縫。如果在生產過程中管片質量不過關，或者因為裝卸運輸導致開裂，這些初始缺陷會將會提高管片的應力集中程度，使得管片存在裂損的隱患。

2.2.3 千斤頂推力偏角過大

當千斤頂推力與隧道軸線形成一定夾角時，千斤頂對管片的作用力存在另一個方向上的分力，會引起管片的上浮，從而導致管片環之間出現錯臺，管片出現裂損。

2.2.4 千斤頂撐靴偏心

當隧道管片環的軸心與盾構機的軸線不重合的時候，導致千斤頂撐靴的中心偏離管片中心，因此管片會承受縱向彎矩，產生局部應力集中現象，會造成管片產生裂損。

2.3 盾構隧道使用時管片產生裂損的原因

盾構隧道使用過程中產生裂損的可能原因包括隧道內運行的列車振動或者地震作用造成周圍砂土液化，外力作用導致隧道周圍土壓力和水壓力突然改變等。發現隧道產生裂損現象時，可以通過管片注漿孔進行注漿，以加固隧道周圍的土層來防止盾構管片裂縫的發展，也可以直接加固盾構管片。

3 盾構管片產生裂損的后果

盾構管片產生裂損會影響結構的耐久性。空氣或者含有腐蝕性化合物的地下水通過裂損部位滲入管片內部，導致鋼筋銹蝕而膨脹，使得裂損范圍擴大，更多空氣和地下水會從裂損部位滲入從而引起混凝土大面積開裂、剝落。裂損部位擴大之后，空氣中的二氧化碳進入結構內部，導致鋼筋周圍的混凝土碳化。由于氯離子等滲入破壞了堿性環境，擊穿鋼筋表面的鈍化膜，使得鋼筋銹蝕，混凝土保護層脫落，降低管片的強度和剛度，影響耐久性。

Huang等[9]通過現場監測和數值模擬，對一實際工程案例因水涌引起的盾構隧道襯砌破壞進行了案例研究。事故發生在兩條隧道之間的通道中，由于鉆孔導致突水。通過數值模擬和現場監測數據分析，研究了分段襯砌破壞的機理和穩定效果，為在類似工程條件下進行施工的盾構掘進提供了參考。

4 結束語

綜上所述，盾構管片裂損問題包括管片襯砌表面裂縫、破裂、鋼筋銹蝕、混凝土掉落、漏水等，其中寬度大于0.2mm的宏觀裂縫對管片造成損壞的影響最大。這種裂損包括縱向裂縫、拱頂脫落和邊角部裂縫，產生于施工前后或使用過程中，而每個階段形成裂損的原因各不相同。空氣或者含有腐蝕性化合物的地下水通過裂損部位滲入管片內部，導致鋼筋銹蝕而膨脹，使得裂損范圍擴大，更多空氣和地下水會從裂損部位滲入從而引起混凝土大面積開裂、剝落，從而影響結構的耐久性。