盾构隧道衬砌结构性能演化分析与思考

朱 旻，陈湘生，王雪涛

(1. 深圳大学土木与交通工程学院，广东，深圳 518060；2. 深圳大学滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室，广东，深圳 518060)

世界上第一条盾构法施工的隧道是英国泰晤士河水底隧道，于1843 年建成，衬砌采用的是砌块。自此之后，盾构法施工的隧道得到了不断的应用与发展，隧道衬砌也从砌砖发展到防水性能更好的铸铁、钢材、钢筋和混凝土合成衬砌。日本在1936 年成功使用预制钢筋混凝土管片衬砌替代了传统铸铁管片，此后预制钢筋混凝土管片逐渐成为应用最为普遍的盾构隧道衬砌形式[1]。

中国盾构法施工技术的最早尝试是在1957 年阜新煤矿的输水道工程以及北京市下水道工程，而系统性使用盾构法施工的第一条盾构隧道是1962 年采用直径为4.16 m 普通敞胸盾构修建的上海塘桥的试验隧道[2]。随后1966 年在上海建设了中国国内第一条采用盾构法施工的越江公路隧道—打浦路隧道，盾构隧道外径10 m，内径8.8 m，盾构段岸上部分采用单层装配式钢筋混凝土管片衬砌，江中部分采用钢管片内浇捣整体钢筋混凝土的复合衬砌[3]。打浦路隧道的修建为之后的越江隧道建设奠定了施工工艺基础。自盾构法引入我国以来，因其安全、快捷、防水效果好、对环境影响小等优势，在我国城市地铁隧道施工中得到广泛的应用。截止2020 年底，我国城市轨道交通运营总里程约7655 km，新增运营线路里程约1226 km，其中盾构法已经成为修建城市地铁工程最主要的施工方法[4-5]。此外，在高速铁路、西气东输、南水北调等国家重大工程中也有大量隧道采用盾构法施工。随着一批特长、超深埋、超大断面重大隧道工程的出现，我国的盾构法施工技术以及盾构设备都有了巨大的进步[6-7]。表1 列举了我国已建、在建及规划的具有代表性的盾构隧道。

表1 中国部分代表性盾构隧道Table 1 Some typical shield tunnels in China

在传统钢筋混凝土预制管片中，管片配筋设计常常采用裂缝宽度控制。为了满足允许的裂缝宽度，管片钢筋用量大大超过承载力需要。国内外工程实践证明，普通钢筋混凝土管片具有可靠的力学强度、耐腐蚀和技术成熟等特点[8-12]，应用效果良好，但在不断使用过程中也暴露出许多问题，如：单块管片较笨重，在运输、安装施工过程中易发生混凝土破损、缺角、掉边和开裂等问题，不但影响管片的外观和安装精度，也会影响管片的结构性能。而且在隧道长期运营过程中，钢筋混凝土管片易受环境侵蚀，使钢筋发生锈蚀，致使保护层剥落、破损，对隧道的安全性和耐久性产生不利影响。同时钢筋骨架的加工工序繁琐、费时、工效低，配筋率较高，预制成本高[13 - 17]。

盾构隧道工程受复杂的地下环境影响，随着运营年限的增加出现了越来越多的隧道病害问题，如破损、裂缝、漏水、管片错台、腐蚀、不均匀沉降等[18]，严重影响了管片的耐久性及隧道结构的长期性能。我国城市轨道交通设计规程明确规定了地铁主体结构的设计使用年限是100 年[8]，如何提高管片结构性能、抗裂性能、耐久性和管片预制的经济性，这些都是未来盾构隧道设计、施工和运营中较棘手但又必须解决的问题。本文将从盾构隧道结构设计方法出发，在管片结构性能研究的基础上，结合盾构隧道发展趋势，总结盾构隧道结构性能提升技术，对盾构隧道衬砌的未来发展方向提出一些思考及建议。

1 现阶段中国盾构隧道发展特点

随着交通强国战略目标的明确提出，我国综合交通基础设施进入了建设黄金期，特别是公路隧道和城市轨道交通隧道发展迅猛。近10 年来，我国公路隧道每年新增里程达1100 km 以上。目前，我国盾构隧道的发展呈现出以下特点：

1) 断面超大：盾构隧道断面从原来直径11 m～12 m 的单洞两车道，发展到目前普遍采用直径15 m的单洞三车道盾构隧道或单洞上下两层四车道盾构隧道[19]。表2 列出了国内已建、在建及规划中的部分超大直径盾构公路隧道。

表2 中国部分已建或在建超大直径盾构隧道Table 2 Some shield tunnels with super-large diameters in China

盾构隧道直径的不断增加不但给工程建设带来巨大的挑战，对隧道结构设计方法也提出了新的要求。目前常规的盾构隧道管片结构设计方法适用于中小直径隧道(D<10 m)，而隧道直径增大时衬砌厚度的增加速率低于其直径的增加速率、管片分块数增加导致纵缝变多，大直径(D≥10 m)及超大直径(D>15 m)盾构隧道管片结构的抗弯刚度小于中小直径盾构隧道。虽然目前针对超大直径盾构隧道管片，仍然采用常规设计方法进行设计，但现有设计方法对超大直径盾构隧道适应性还需进行深入研究分析。

2) 建设环境越来越复杂：随着我国地下空间开发程度不断提高，盾构隧道的建设和运营环境越来越复杂。新建盾构隧道近距离下穿(上跨)既有隧道、跨江越海隧道、基坑近接既有盾构隧道施工等情况越来越常见。例如在深圳地区，截止到2019 年新建隧道近接既有建构筑物施工案例就达到100 多例。表3 列举了一些超近距离既有隧道的工程实例，表4 则列举了我国一些典型的盾构法施工的水下隧道。

表3 超近距离既有隧道工程实例Table 3 Examples of construction with small distance of existing tunnels

表4 中国典型水下盾构公路隧道[19]Table 4 Some typical underwater shield highway tunnels in China

随着我国城市交通的大力发展，城市交通网络不断密集，近接施工已成为隧道工程的新常态，国内外学者对近接施工的影响及控制进行了大量的研究，也取得了显著成果，但研究多集中于近接工程施工过程中的变形问题， 对既有隧道结构性能的影响因素及影响程度方面的研究还较少。

2 盾构隧道管片结构设计理论与方法

2.1 盾构隧道管片结构计算理论

隧道结构计算理论是跟随着地下结构计算理论的发展过程而逐渐发展起来的。地下结构计算理论的发展可大致分为七个阶段：刚性结构阶段、弹性结构阶段、假定抗力阶段、弹性地基梁阶段、连续介质阶段、数值方法阶段、极限和优化设计阶段[20-21]。最初的地下结构设计主要是依据工程经验，计算理论直到19 世纪才逐渐形成。早期的地下结构因为建筑材料的缘故，一般被视为刚性结构；随着混凝土和钢筋混凝土在地下工程中的广泛应用，开始考虑材料的弹性变形。此后，随着对地下结构和岩土介质的认识不断深入，围岩与衬砌共同变形的理论取代了仿照地面结构的理论。盾构隧道管片由于接头的存在， 被视为一种半刚性半柔性的结构，国内外对隧道结构计算理论的研究主要集中在如何确定作用在隧道结构上的外部荷载、结构与地层之间作用以及衬砌结构的力学模型三个方面上[22-28]。从土与结构相互作用的角度，国内盾构隧道结构分析理论主要分为荷载结构模型和地层结构模型[29-30]，国外则主要分为基床模型与连续介质模型[31]。荷载结构法将地层对结构的作用认定为外部荷载，通过该外部荷载来计算结构内力和变形；地层结构法则认为衬砌与地层为同时受力变形、相互影响相互作用的整体，并通过连续介质力学原理对衬砌和周边地层进行计算[29-30]；基床模型用给定的荷载来表示作用在结构上的地层压力，用Winkler 地基模量来模拟地层抵抗变形的被动反作用；连续介质模型认为衬砌与地层协调变形，构成受力整体，并用接触单元来描述两者的交界面。从设计理念上，这两种分类是类似的，荷载结构模型与基床模型相似，而地层结构模型则与连续介质模型类似。

荷载结构模型因其计算方法简单，受力概念明确，且具有清楚的安全系数评价方法，在我国得到了广泛的采用，特别是在城市地铁隧道和铁路隧道设计规范中均推荐使用[32]。但是隧道结构外部荷载确定的合理性对计算结果有着重要的影响，很多时候还需要依靠经验类比。而从理论上讲，地层结构模型将地层和衬砌视为共同受力的统一体，力学机制更为合理，但是由于现代隧道工程条件越来越复杂，很多情况下都需做大量简化，才能得到近似解。随着计算机技术的飞速发展，数值分析计算方法取得长足进步，但受岩土本构关系的复杂性、计算参数的模糊性及其结果难以验证等因素的限制，数值仿真结果只能作为隧道盾构结构设计的定性参考。

2.2 盾构隧道管片结构设计方法

成立于1974 年的国际隧道协会(ITA)[33]总结了各会员国采用的地下结构设计模型，将盾构隧道管片结构设计方法归纳为以下5 种：

1)基床法(Bedded frame model method)

此方法认为地层荷载是作用在管片上的主动荷载，采用数值方法或均布的Winkler 地基弹簧来模拟地层对结构变形的抗力(如图1 所示)。根据弹簧的分布特征，又可分为全周弹簧法和部分圆周弹簧法。日本的惯用计算法也可归为基床法，认为水平方向的地层抗力作用在衬砌水平直径上下各45°中心角的范围内，并假定其以水平直径处为顶点，呈三角形分布(如图2 所示)，其中：K为地基反力系数，可根据地层体积进行取值；δ 为衬砌的水平位移。

图1 基床法模型Fig. 1 Model for Bedded frame method

图2 日本修正惯用法Fig. 2 Japanese revised customary calculation method

2)有限元法(FEM method)

有限元法是以连续介质理论为基础的，随着计算机的发展而被广泛采用。有限元法不仅可以计算隧道衬砌的内力，还可以计算隧道衬砌周围地层的应力-应变状态，以及隧道施工对邻近结构的影响。有限元法能够真实再现衬砌结构与地层的相互作用行为，具有以下优点：

a)可以对地层特性进行评价，如综合考虑土体初始应力状态、土体参数(如容重、弹性模量和泊松比等)、隧道断面的形状和尺寸以及施工方法(包括施工步骤)；

b)可以对决定衬砌承载性能的因素进行评价，如衬砌结构(管片数量、结构形式和接缝类型)、壁后注浆及其效率，以及地层荷载；

c)可以对决定松弛程度的因素进行评价，如地层体条件、施工方法(如盾构法的类型)、注浆方法等，包括盾尾空隙的大小。

3)弹性公式法

弹性公式法是一种不需要计算结构内力的简便方法。但是该方法不能评价由于地层变化带来的荷载不均匀变化、偏心荷载、静水压力、模拟地基抗力的弹簧弹力以及使用铰链或旋转弹簧来模拟接头的影响。在这种方法中，水压应以竖向均布荷载和水平均布荷载的组合来评价。地基土水平反力应简化为三角形变化荷载。

4) Schulze 和Duddeck[34]法

Schulze 和 Duddeck[34]于1974 年提出的计算方法采用弹簧模拟地层与结构相互作用，考虑到拱顶90°区域内的受拉弹簧会引起荷载的减小，因此忽略了该区域的弹簧。该方法可同时考虑径向和切向的土层作用。此方法在国内使用较少。

5) Muir Wood 法

Muir Wood 法[35-36]在欧洲应用较为广泛，而国内使用较少。该方法在Morgan[26]的基础上假设了可考虑地层剪切应力，但忽略剪切应力所产生的部分径向变形的椭圆变形模型。该模型还考虑了地层开挖处部分应力释放以及由于接头导致的衬砌刚度降低，Muir Wood 建议考虑50%的初始地层应力。

而在我国常用的盾构隧道管片结构设计方法有以下5 种[37]：

1)惯用法

此方法是日本一般采用的设计方法。该方法不考虑因为管片接头的存在使刚度降低，而是将其视为刚度均匀的圆环。计算时假定土体随管片的变形而产生地基反力，然后求解弹性方程。采用惯用法进行管片结构设计的案例表明该方法计算出的管片环变形量偏小，这会导致在软弱地层条件下计算出的管片截面内力过小，而在良好地层条件下计算出的内力又过大。

2)修正惯用法

此方法将隧道接头抗弯刚度的降低简化为管环整体弯曲刚度的降低，并引入两个参数—圆环刚度折减系数即刚度有效率 η和管片弯矩传递系数ξ，来考虑管片接缝造成的刚度降低和接缝拼装的影响。

3)多铰圆环解析法

这是一种把接头作为铰接结构的解析方法，完全忽略接头的抗弯能力，管片可等效为多段曲梁。多铰接环本身是不稳定结构，须在围岩的约束下才能保持稳定，计算结果极大取决于围岩抗力和荷载的形式，因此对作用在管片环上的荷载分布以及围岩地基抗力的评价极为重要。这种算法是以隧道周围围岩普遍具有抗力为前提，所以适用性有限。

4)弹性铰环法

盾构隧道结构是由多块预制的管片拼装而成，管片与管片之间的接头有多种形式，必要时加以螺栓连接。管片接头处的刚度不可能与预制钢筋混凝土管片结构刚度相同。在理论上，认为管片接头是能承担部分弯矩的弹性铰，该弹性铰既非刚接，也非完全铰接，能够承担的弯矩大小与接头刚度有关。计算结构内力时将管片环视为在管片接头处设置有弹性铰的结构，接头刚度一般结合经验和试验确定。

5)梁-弹簧模型解析法

此方法将管片结构简化为直梁或曲梁，管片接头用旋转弹簧模拟，环间接头用剪切弹簧模拟，通过结构分析计算截面内力。此方法可计算在管片在通缝或错缝拼装下的截面力，并能直接求出环间剪力。此外，当管片接头的旋转弹簧刚度为0 时，模型与多铰环相同；如果无穷大，则与均质环相同。

除了以上5 种方法外，近些年国内许多学者通过对管片设计的研究，提出了一些具有创新性的模型，弥补了简单模型的不足[38]。具体包括：

1)三维壳-弹簧模型

三维壳-弹簧模型一般由一个整环和两个半环结构组成，以中间整环为研究目标，两个半环作为错缝拼装的受力结构，也作为中间整环的边界条件。采用弹簧模拟径向和切向地层抗力，管片接头采用扭转弹簧模拟，密布设置在管片接头断面的所有节点上。该弹簧能够完成输入弯矩、轴力和转角关系曲线的非线性参数[39-42]。与经典的梁-弹簧模型相比，其结构形式和荷载模式基本一致，主要突破是分析结构内力沿环宽方向的分布。

2)荷载-结构模式的壳-弹簧-接触模型

该模型考虑了管片接缝处的挤压作用、管片与螺栓接头之间的咬合作用、地层对管片径向与切向抗力作用、环向接头的正负抗弯刚度差异以及封顶块的插入角等因素，采用壳体、弹簧和接触单元分析盾构隧道管片衬砌的内力三维分布状态，弥补了传统梁-弹簧模型在隧道纵向计算中的不足，同时考虑纵向变形时环缝处螺栓受拉和防水材料受压的力学机理，为纵向变形分析提供了条件[43]。

3)地层-结构模型的壳-弹簧-接触模型

地层-结构模型的实质是考虑在原始应力场开挖后的洞应力释放效应以及围岩与结构共同承担地层压力的作用。此模型从计算好的自重应力场中提取隧道洞周等效节点力，并考虑应力释放对节点力进行折减，然后施加在洞周实体单元节点上，通过接触单元传递到隧道结构，实现围岩与结构共同承载，分析过程与平面有限元法进行地层-结构模型类似[44]。

4)纵向变形附加应力的壳-弹簧-接触模型

基于有限元法构建纵向壳-弹簧-接触模型，采用强制位移法对盾构隧道发生纵向变形后的三维结构附加内力和变形进行分析。沿用盾构隧道横向内力分析的壳-弹簧-接触模型思路，使用壳单元、抗压弹簧单元、剪切弹簧单元、扭转弹簧单元和接触单元建立起隧道纵向壳-弹簧-接触模型[45]。

3 盾构隧道衬砌结构性能研究现状

盾构隧道衬砌结构所处环境复杂，随着使用年限的增加，会由于材料、结构性能衰退的影响产生管片开裂破损，严重时还可能危及隧道运营的安全，因此，开展盾构隧道衬砌结构性能研究十分必要。盾构隧道衬砌结构性能主要包括力学性能和耐久性两方面，其中力学性能主要指其抗裂性能和承载能力，而耐久性则是指隧道结构在规定期限内保持其适用性和安全性的能力。

3.1 盾构隧道衬砌结构力学性能研究

地层中盾构隧道处于三维受力状态，目前国内外盾构隧道结构主要采用横向设计，纵向设计理论尚未广泛应用。盾构隧道是由众多结构单元—管片和管片间的接触面组成的整体结构，其结构响应是一个随着时空变化的复杂问题。有限元法和试验法是研究管片结构在地层中受力变形响应的两种重要手段。

1)有限元法研究

Hudaba[46]采用2D 和3D 有限元模型，研究了均质环和通缝环在地层荷载作用下的响应，模型采用弹簧模拟土与结构的相互作用，计算结果表明：2D 模型的位移明显要大于3D 模型的位移，而内力则相对接近。Blom 等[47]利用ANSYS 对荷兰Green Heart Tunnel 进行了3D 建模，认为前人模型中的部分假定不适合荷兰软土工况，强调了隧道拼装方式、接头垫层材料性质以及浆液硬化过程等因素对有限元模拟结果的影响。Galli 等[48]通过建立有限元模型，对分别采用三维实体和二维平面单元的盾构隧道管片衬砌结构进行了对比分析，探讨了管片刚度对管片衬砌结构的影响大小。陈俊生等[49]借助有限元三维计算模型，对相对弯曲以及相对扭转作用下管片的应力状态进行模拟分析，结果表明：管片间的相对扭转是施工过程中管片衬砌结构裂损的直接原因。Möller 和Vermeer[50]采用有限元对Steinhaldenfeld 隧道和Heinenoord 隧道进行了模拟，主要研究了本构模型、施工过程和注浆压力对衬砌内力和地层变形的影响。采用的土体本构主要包括HS(Hardening soil model)、HSS(Hardening soil small-strain model)模型、摩尔-库仑模型等，衬砌则由壳单元模拟，研究发现不同土体本构模型对地层变形影响显著，但对衬砌内力则影响很小。周帅等[51]建立三维数值模型，分析了管片衬砌剥落、材料劣化、附加荷载等因素对隧道结构承载性能的影响。杨雨冰等[52]采用基于断裂力学的数值分析方法，从管片构件到管环结构等不同层次，对盾构隧道管片衬砌结构的裂损机理进行了系统分析。Zhao 等[53]分别采用了常用的解析方法和数值方法，对浅埋和深埋隧道衬砌内力及变形进行了计算分析。在数值模拟中，土体与结构的相互采用了更符合实际工程情况的内置接触单元模拟，并且讨论了不同本构模型以及接触单元材料参数折减对计算结果的影响。解析方法与数值方法的结果对比表明：即使假定土体为弹性材料，基床模型也能合理地预测深、浅埋隧道衬砌地受力特性，而数值模拟中，衬砌结构内力和变形分析的准确度受土体本构参数和施工简化方式影响较大。此外二维数值方法和解析方法因无法很好地反映工作面支护压力、注浆和拱效应，因此其结果与三维数值模拟结果不一致。

有限元方法能够较好处理地层与结构间的相互作用关系，但土体本构参数、接触模型的选择对计算结果影响很大；而管片结构数值模型方面，如何引进更精细化的结构建模方法又不导致计算量剧增是值得关注的问题。

2)试验研究

盾构隧道结构性能试验研究主要包括缩尺模型试验、整环足尺模型试验和现场测试试验。缩尺模型试验是通过一定的几何和物理力学参数相似比例，对原型结构按照相似定律缩小后开展模型实验。由于其良好的经济性及有效性，缩尺模型试验已成为研究隧道结构力学性能的重要方法。何川等[54-58]依托多个盾构隧道工程开展不同几何与容重相似比下的管片力学特性模型试验。通过在管片表面纵向割槽的方式考虑管片接头效应；研发非均匀水压加载装置模拟隧道外部水压对管片衬砌结构作用。借助隧道-地层-水压复合试验系统，开展了不同拼装方式、变水压与恒定水压、层状复合地层、水土分算与水土合算、高水压大断面等多种因素影响下管片衬砌结构横向力学特性模型试验，并研究了不同因素作用下盾构隧道管片衬砌结构力学响应特性。王士民等[59-62]基于盾构隧道-地层-水压复合加载系统，采用 1∶20 几何相似比以及 1∶1 容重相似比，考虑不同拼装方式、封顶块位置、空洞等影响因素，开展了盾构隧道管片衬砌结构渐进性破坏失稳相似模型试验。基于试验结果，将盾构隧道管片衬砌结构的破坏失稳过程分为初始弹性阶段、局部损伤阶段、宏观破坏阶段、整体失稳等四个阶段，并对各阶段管片衬砌结构的力学响应特性进行了深入分析。足尺管片试验是针对实际管片尺寸开展的1∶1 等几何尺寸试验，虽然试验费用昂贵，但是能够更好反映结构真实受力性能。柳献等[63-66]采用千斤顶集中加载的方式，通过整环足尺试验研究了超载和卸载工况下衬砌的变形和受力机理，并得出结构的极限承载力。试验结果表明：接头是整个结构的薄弱环节，结构的屈服始于接头。衬砌的变形分为弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。Huang等[67]分别采用单环足尺模型和三环足尺模型，研究了上海某市政隧道在不同隧道内水头工况下的响应问题。模型采用两套千斤顶加载系统，一套模拟衬砌受到的地层荷载，一套模拟隧道内水头变化，研究表明：随着隧道内水头的增大，衬砌的弯矩几乎保持不变而轴力不断减小，导致结构整体变形和接头变形的持续增大。

模型试验虽然能够真实、全面、直观、准确地反映支护体系(管片结构)的力学特性，但是加载方式仍不能完全反映实际状态，因此，对于加载装置及加载方式改进和加载精度的提高，将有助于进一步减小试验中的误差，接近真实工况[68]。

现场测试试验是对施工期及运营期隧道衬砌的受力状况、隧道外部围岩体水土荷载及其稳定性进行现场原位跟踪监测，是对隧道结构力学性能最有效、最直接的研究手段。陈伟等[69]通过对广州地铁盾构隧道管片衬砌结构内力、隧道变形及其外部土压等进行现场检测，分析了管片衬砌在盾构施工各阶段的受力特征。研究结果表明：壁后注浆压力是影响管片衬砌结构内力的主要因素。谢红强等[70]针对当时最大的越长江岩质盾构隧道工程，对盾构隧道主体结构所承受的水压力进行跟踪监测，分析了高水头作用下施工期盾构隧道外水压的分布及变化规律。杨广武等[71]对北京地铁 5 号线某区间隧道中不同水文地质条件的试验断面进行管片衬砌结构内力的跟踪测试，结果表明：不同地层条件下管片轴力差异较大，而弯矩受地层条件影响较小。此外，方勇等[72]、梁禹等[73]、张恒等[74]和李雪等[75]分别对各种水文地质条件下不同直径的盾构隧道进行现场跟踪测试，得到了相应的管片衬砌结构内力及外部水土荷载的长期变化规律。

目前现场试验研究面临的主要问题是：① 监测主要集中在施工期，无法全面揭示管片结构长期性能演化规律；② 隧道运营期缺乏针对侵蚀环境和水土荷载耦合作用下管片结构性能演化的长期监测研究；③ 由于负责部门不同，施工期的监测数据与运营期的监测数据没有互通，盾构隧道全生命周期结构性能监测任重道远。

3.2 盾构隧道衬砌结构耐久性研究

国内外对混凝土结构的耐久性研究一直非常重视，针对各种影响因素下的耐久性研究取得了大量的成果[76-78]。日本土木学会混凝土委员会于1989 年制定了《混凝土结构物耐久性设计准则(试行)》[79]并于1995 年颁布了修订版，而欧洲混凝土结构委员会在1992 年也颁布了《耐久性混凝土结构设计指南》[80]。虽然我国在1989 年颁布了混凝土结构设计规范，但是该规范除了一些保证混凝土结构耐久性的构造措施之外，只在正常使用极限状态验算中控制了一些对耐久性并不起决定性作用的设计参数，直到2008 年才正式颁布了《混凝土结构耐久性设计标准》[81-82]。

盾构隧道衬砌结构耐久性研究可以借鉴其他混凝土结构的耐久性研究成果，但是盾构隧道作为地下结构，岩土赋存条件复杂、周边环境敏感，影响其耐久性的因素更多、更复杂，相关研究主要集中在侵蚀环境(如硫酸盐侵蚀、氯离子扩散、碳化、地铁杂散电流等)和水土荷载作用下管片衬砌材料与结构的耐久性退化过程。孙钧[8]针对上海崇明长江隧道，探讨了管片结构腐蚀机理、影响耐久性的主要因素、管片接头螺栓和防水材料的耐久性，并提出了一种盾构隧道结构的耐久性设计方法。雷明锋等[83]基于荷载作用下管片混凝土内部孔隙率的变化特征，提出荷载作用下氯离子扩散理论分析模型，得到了荷载作用对氯离子扩散系数的影响方程。Han 等[84]研究了不同级别静力及循环荷载作用下地铁隧道混凝土管片碳化性能，并探究了荷载作用下混凝土微观变化。赵铁军等[85]以胶州湾海底隧道为例，建立了综合考虑氯离子扩散、混凝土碳化和弯曲荷载影响的服役寿命预测模型。周晓军[86]和赵宇辉等[87]分别针对城市轨道交通地铁隧道中特有的杂散电流对钢筋材料和混凝土强度的影响，展开了理论和试验研究，揭示了杂散电流分布对地铁管片衬砌结构混凝土耐久性的影响机理和规律。

目前，国内外对盾构隧道管片结构耐久性的研究都是在零水压状态下进行的，未能考虑水压力的影响[1]，并且主要针对单因素作用下的耐久性研究，对于多因素耦合作用下盾构隧道管片结构耐久性演变机理的研究还较少。试验手段多是依赖室内试验，与实际情况尚有一定的差异，因此还需要进行更为细致深入的研究。

3.3 盾构隧道衬砌结构性能评价研究

隧道在建成进入服役期后，其结构性能处于一个不断变化的动态过程，在多方面环境因素耦合作用下，混凝土保护层碳化、开裂，管片钢筋、接头螺栓锈蚀等一系列问题会导致衬砌结构承载力不断降低、变形及开裂问题愈发显著，结构的安全性和适用性不断下降。目前我国仍然处于一个基础设施建设的高峰期，可以预见在将来的几十年甚至更长的时间内，隧道衬砌的评估、维修和养护会成为隧道工程的重中之重。

国内外对隧道结构性能评价的研究主要集中在隧道结构检测和评估方法两方面。欧美国家较早就建立了完整的隧道结构检测与评估标准体系，美国联邦公路署和联邦交通部分别建立了公路和铁路隧道结构检测标准及性能评估方法[88-89]。德国与日本也建立了相应的检测和评估规范[90-91]。国际隧道协会《盾构隧道衬砌设计指南》[33]中建议对隧道覆土层最厚/最薄断面、地下水位最高/最低断面等八种关键断面进行长期检测。而我国目前并没有统一的隧道结构检测与评估方法规范，只有《铁路隧道衬砌质量无损检测规程》[92]明确给出了地质雷达和声波法质量检测的技术要求。张学华等[93]介绍了南京地铁运营隧道结构的检测工作思路、检测内容、检测手段和检测方法。姚旭朋等[94]分析了影响隧道结构性能的因素及结构性能退化发展特点，将隧道损坏原因总结为材料退化、渗漏和霜冻破坏等方面，提出基于监测数据的差异化维修策略以及前瞻性维修的思想。袁勇等[95]以运营36 年的打浦路隧道为背景，分析了结构损伤因素，将隧道检测分为全隧道整体检测和圆形隧道段检测，制定了详细的检测内容。随着一些先进的感知技术的日益成熟，三维激光扫描技术、光纤传感技术、图像识别等方法都被应用于隧道检测中，也为隧道结构状态评估提供了丰富的监测数据[6]。

隧道结构评估方法研究分为定性和定量两种。我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准》[96]和《公路隧道养护技术规范》[97]分别给出了铁路隧道和公路隧道健康状态的定性评价方法。吴江滨[98]对隧道衬砌厚度变化及衬砌后接触条件变化对衬砌应力状态的影响进行了初步研究，并相应提出了一套根据现场检测结果来确定隧道衬砌状态的评估体系。罗鑫[99]构建了公路隧道健康状态诊断指标体系，实现了公路隧道健康状态的定量评价。刘涛[100]基于优化反演分析，提出了隧道结构损伤识别方法，并通过隧道衬砌结构耐久性退化模型对隧道剩余寿命与服役性能进行解析评价。胥犇等[101]通过层次分析法、乘积标度法确定了隶属函数，实现了运营盾构隧道健康状态的定量评估。

目前，对盾构隧道衬砌结构性能评价的研究主要集中在评估隧道结构健康状态的定性和定量方法上，尚缺乏多因素耦合作用下隧道结构性能评估模型。因此，需要对复杂荷载环境与侵蚀环境耦合作用下影响隧道结构性能的关键指标及阈值进行研究，并推动智能化、信息化监测技术的应用，为运营隧道结构性能定量评估与可预测性维修养护提供理论和技术指导。

4 盾构隧道衬砌结构性能提升技术

4.1 高性能材料

预制管片作为隧道主要的衬砌结构构件，必须满足在生产、堆放、运输、拼装、顶推和使用过程中不同荷载下的抗压、抗变形、抗渗防漏等要求。混凝土作为一种脆性材料，基本上没有抗拉性能，在运输和拼装过程中容易出现开裂破损，会影响使用；同时管片裂缝会使其抗渗、耐腐蚀等耐久性能降低。因此，如何控制盾构管片的裂缝发展成为了目前在盾构隧道工程中一个亟待解决的问题。

国内外对可用于预制管片的高性能材料的研究主要集中在(钢)纤维混凝土、自密实混凝土、自愈合混凝土等。自从自密实混凝土和自愈合混凝土在20 世纪80 年代、90 年代出现后[102-103]，就吸引了大量学者的关注，但发展到现在，相关的理论研究仍然不够充分，同时制作工艺要求较高，经济性较差，因此在工程实际中应用较少。而钢纤维混凝土(SFRC)是20 世纪70 年代发展起来的，通过在普通混凝土内掺入一定量乱向分布的短钢纤维，使之形成可浇筑、可喷射成型的一种新型复合建筑材料。钢纤维混凝土管片可改善普通混凝土管片脆性等缺点，提高混凝土管片的抗裂性能，具有良好的应用前景。国外较早就开展了钢纤维混凝土盾构管片相关的研究与实践工作，将钢纤维作为管片结构增强材料，取得了许多成功经验，表5 列出了钢纤维混凝土管片在国外的工程应用情况。

表5 国外钢纤维混凝土管片应用情况Table 5 Abroad examples of tunnels with steel fiber reinforced segments

我国开展钢纤维管片研究虽然较晚，但也取得了不少成果。相关研究成果表明：钢纤维混凝土管片具有强度高和耐久性好等特点，与普通钢筋混凝土管片相比，其抗拉、抗弯强度及耐磨、耐冲击、耐腐蚀、耐疲劳性、韧性和抗裂、抗爆等性能都得到提高，特别是裂后的抗拉强度显著提高[104-108](图3)。虽然我国对纤维混凝土管片的研究成果显著，但是在实践方面仍然处于初步阶段，表6 所列为我国钢纤维混凝土管片的应用情况。

表6 国内钢纤维混凝土管片应用情况Table 6 Examples of tunnels with steel fiber reinforced segments in China

图3 钢纤维混凝土抗拉性能与普通混凝土对比Fig. 3 Comparison of tensile propertied between SFRC and ordinary concrete

虽然钢纤维混凝土管片在制作加工、技术性能、经济效益等各方面比一般钢筋混凝土管片具有优势，而且低碳环保，在实现节能减排，推动实现碳达峰与碳中和方面具有重要的社会效益，但受限于目前尚无针对盾构隧道钢纤维混凝土管片的专门设计规范，极大限制了其大范围推广应用，因此需加快对盾构隧道钢纤维管片设计理论、设计方法及技术体系的研究。

4.2 新型接头

盾构隧道管片接头是衬砌结构的薄弱环节，不仅对管片间的连接性能影响较大，更在很大程度上控制着盾构隧道衬砌整体结构的承载能力及变形。因此在盾构隧道的设计中，接头结构形式的选择与应用必须慎重处理。管片接头结构按其连接方式可分为螺栓连接、其他方式连接和无螺栓及其他方式连接三种。其中，螺栓连接又可分为直螺栓连接、斜螺栓连接、弯螺栓连接和混合螺栓连接等方式；其他方式连接包括锚式连接、铰连接、插销式连接等方式；无螺栓及其他方式连接主要指没有螺栓和其他单独接头结构、仅靠管片接头截面处的构造形式实现传递力和变形的连接方式，如榫槽式连接，这些都是在传统管片中经常使用的接头形式。传统接头在使用中一般都需要进行大量的人工作业，如螺栓拧紧、复紧作业和销栓插入作业等。

新型接头的研发工作主要集中于新的接头结构形式和新材料的使用两个方面。在结构形式上，作为环间接头使用的可抵御大变形接头和锚式接头都延续了榫接头具备的操作简单、便于自动化施工等优点[109]。

可抵御大变形接头是对插销式接头的改进，主要作为环间接头使用，其工作原理与插销式接头类似，但可以确保接头拼装完成后的紧固作用，因此力学性能比插销式接头更好，无需结合其他提供紧固力的接头即可单独使用。可抵御大变形接头很好的延续了部分传统接头小型化的特点，降低了接头板区域管片的配筋量和配筋难度。但是，可抵御大变形接头对管片和接头本身的加工制作精度要求较高，细微的尺寸误差即可导致接头的失效。在拼装过程中如果误差过大，相邻管片接头板处的接头无法实现对接，因此对拼装精度的要求更高。可抵御大变形接头适用于高度自动化施工，即使单独使用也能较好的保证紧固效果，对提高施工效率具有重要的意义。

锚式接头主要用于钢管片等金属制衬砌管片及复合管片衬砌的环间接头，以传递管片间的剪切作用并具备较好的抗拉能力。锚式接头延续了部分传统接头小型化的结构特性，可以简化钢筋混凝土管片衬砌接头板附近的配筋设计。在施工过程中，锚式接头对管环拼装精度的要求较高，尺寸误差过大将导致套杆难以准确的压入套环之中，最后拼装失败。在保证拼装精度的同时，锚式接头无需与其他提供紧固力的接头结合使用便可以具备较好的紧固效果，因此该接头的紧固作业环节比较容易。其高效的拼装特性有利于盾构施工自动化的实现。

在新材料方面，通过将新型材料用于接头的制作，使接头结构原有的力学性能得到提升。纤维增强复合材料(Fiber reinforced polymer，以下简称FRP)接头在结构形式和使用材料两方面均有创新。FRP-Key 接头的工作原理与榫接头类似，主要作用为传递管片之间的剪力作用，既可以用作环间接头也可以用作管片接头。由于使用了性能优良的纤维增强复合材料，相比传统的榫接头 FRP 接头具有更强的抗剪能力。FRP-Key 接头并不具备锚式接头和可抵御大变形接头的紧固能力，无法提供抗拉作用，必须结合其他具有紧固效果的螺栓使用，通常与斜螺栓一起作为组合接头应用于盾构工程中。

4.3 新建造技术

盾构隧道衬砌分为装配式衬砌和混凝土现浇衬砌两大类，由于使用预制管片作为衬砌结构具有明显的优点，包括造价低廉、制作方便、使用高精度钢模就能保证其尺寸精度，无须逐块加工；能够较早进入受力工作状态；衬砌拼装速度快、施工易于机械化等，因此目前世界上修建盾构隧道时使用最多的是预制钢筋混凝土管片。但随着盾构隧道建设环境的日益复杂，预制钢筋混凝土管片的不足之处日益明显，如盾构管片模块化的设计制作在面对长距离隧道有可能出现管片大范围的安全系数过大，而相对危险的地方却没有得到加强；超大直径隧道使得管片厚度增大，不利于运输和拼装，管片分块数目增加，对衬砌防水不利等等问题。

面对装配式衬砌的这些问题，20 世纪80 年代德国和日本研制了用钢纤维混凝土现浇隧道衬砌代替装配式衬砌，即以现浇内衬代替装配式衬砌，并借助千斤顶的挤压作用使其与周围地层紧密接触。近期，国内中交天和机械设备公司通过自主研发，首次将压注混凝土工法与TBM 掘进机进行创新融合，并服务于实际工程(图4)。压注工法在TBM 掘进时通过挤压混凝土衬砌，并以一定的压力持续地灌注混凝土，实现边掘进施工边同步压注混凝土，这种方法灌注的混凝土衬砌不会在模板和围岩之间出现尾部空隙，起到及时支护围岩的作用[110-111]。与预制混凝土管片衬砌相比，压注混凝土衬砌具有施工安全、经济高效、防渗效果好、混凝土强度易于达到设计强度要求、自动化程度高、施工强度低、环境污染小等优势。因此，压注混凝土衬砌可以作为盾构隧道衬砌未来的一个重点发展方向。

图4 TBM 压注混凝土工法示意图Fig. 4 Diagram of TBM pressure injection concrete construction

5 结论与展望

盾构法施工技术自进入我国以来，在工程实践中得到了广泛的应用，随之而来的隧道衬砌结构长期性能问题也不断涌现，造成极大的安全隐患和经济损失。在交通强国战略影响下，特长、超大、超深、高密度的隧道工程也越来越多，这对隧道衬砌结构的力学性能、耐久性都提出了更高的要求。基于对国内外盾构隧道结构设计理论和方法、隧道结构力学性能和耐久性、隧道结构性能评价相关研究的广泛调研和分析评述，本文得出以下的结论：

(1)目前常用的盾构隧道管片结构的设计方法基于荷载-结构模型或地层-结构模型，采用简化结构模型用于内力计算。长期的工程实践经验表明，传统设计方法在中小直径隧道(D<10 m)适用性良好。近年来超大直径盾构隧道的广泛应用对隧道结构设计方法也提出了新的要求。由于隧道直径变大引起管片结构的抗弯刚度的整体降低，导致传统的设计方法不能完全适用，因此有必要加强对材料-结构一体化的新型隧道结构设计理论的研究工作。

(2)盾构隧道结构力学性能研究相对成熟，有限元方法在处理结构和地层相互作用方面较为完备，但分析结果受地层本构关系、接触面作用方式影响较大；试验能够真实反映管片结构力学特性演变规律，但作用在管片上的真实荷载难以确定，且无法进行全生命周期的可靠监测。结构耐久性方面，单因素作用下的混凝土管片耐久性研究成果丰富，但对于多因素耦合作用下盾构隧道管片结构耐久性演变机理的研究尚显不足。因此，未来盾构隧道结构力学性能和耐久性研究的关键，在于综合采用多种技术手段，全面研究荷载、腐蚀环境等多因素耦合作用下盾构隧道结构性能的演变机制。

(3)目前对盾构隧道衬砌结构性能评价的研究主要集中在评估隧道结构健康状态的定性和定量方法上，尚缺乏多因素耦合作用下隧道结构性能评估模型。因此，需要对复杂荷载环境与侵蚀环境耦合作用下影响隧道结构性能的关键指标及阈值进行研究，并推动智能感知技术在隧道管片中的应用，为运营隧道结构性能定量评估与可预测性维修养护提供理论和技术指导。

(4)针对传统钢筋混凝土拼装式管片的局限性，结合盾构隧道当前的发展趋势，并总结盾构法在中国应用的工程经验，盾构隧道未来应从高性能材料、新型接头、新建造方式等方面进行创新和突破。其中，采用(钢)纤维混凝土材料在制作加工和技术性能方面具有优势，而且低碳环保，有助于推动实现“碳达峰、碳中和”的国家战略；可抵御大变形接头、锚式接头等新型接头形式，以及FRP 等新型接头材料的应用可提升管片接头的施工效率和力学性能；压注混凝土衬砌在提升盾构隧道衬砌结构性能、提高施工自动化程度方面有着巨大的优势，是盾构隧道衬砌结构的重要发展方向。