隧道工程盾构管片裂损产生的原因及后果

熊真健

（华南理工大学，广东 广州 510641）

0 引言

城市轨道交通是缓解交通拥堵问题最有效的方式。截止2021年底全国开通轨道的城市数量达到51个，开通轨道交通运营线路269条，运营总里程超过8700km，目前仍有大量的轨道交通线路正处于建设之中。轨道交通线路多处于地下，主要施工方法包括明挖法、沉管法、盾构法和顶管法等。盾构法因其具有掘进速度快、安全性高、对周边环境影响小、不受气候条件影响等优势，已成为我国城市轨道交通建设的主要施工方法。

随着科研能力的持续提升和人才队伍的发展壮大，我国盾构隧道施工技术和装备制造能力都得到快速发展，部分领域甚至达到世界先进水平。目前，盾构隧道施工过程中，由于各种主客观因素的影响，仍面临诸多施工难题。尤其是管片裂损问题，已成为施工中的重点和难点。盾构隧道掘进过程中，管片承受着千斤顶推力、盾尾密封刷作用力、衬砌背后浆液压力等多种外力的综合作用，受力情况比较复杂，而且施工中出现的很多状况与设计时所考虑的并不完全一致，造成不同类型的管片裂损。

为了减少甚至避免盾构隧道施工过程中出现管片裂损问题，人们做了大量的研究和优化工作。本文从盾构隧道管片裂损研究现状出发，对管片裂损的类型、特征、产生原因及不良后果进行分析，以期对相关施工人员改进工作方法，提升施工水平提供参考。

1 盾构管片裂损的类型及特征

盾构管片可能会出现的裂损问题包括管片衬砌表面裂缝、破裂、钢筋锈蚀、混凝土掉落、漏水等，其中裂缝对管片造成损坏的影响最大。虽然在管片生产时，由于混凝土振捣不充分、凝结收缩、温度差等，管片内部可能存在初始缺陷，但是根据盾构隧道施工相关规范可知，盾构管片在施工和使用期间允许出现一定的裂缝，只要不超过规范要求，并不影响管片正常使用。一般混凝土结构的裂缝以0.05mm为界限，裂缝宽度小于0.05mm称为微裂隙，宽度大于0.2mm的裂缝称为宏观裂缝，可以通过肉眼看见。通常情况下，裂缝宽度如果小于0.2mm，则对混凝土结构的力学和耐久性能影响很小，可以不予考虑。所以隧道管片开裂病害的裂缝通常指的是宽度大于0.2mm的宏观裂缝。

宏观裂缝分布于管片的不同部位，具有明显的特征差异，造成的损坏也不相同。Wang等[10]通过比例实验、现场观察和数值模拟研究径向错位条件下节段衬砌上的裂缝，研究节段衬砌裂缝对隧道安全性和耐久性的影响。对节段衬砌的三种径向错位类型进行了分类，并通过对受损节段环的现场统计分析总结了它们相应的裂缝模式。为了研究径向错位对裂缝演化和分段衬砌裂缝模式的影响，开发了实验平台。数值分析表明，一旦出现径向错位节段，拱顶处节段衬里的弯矩就会急剧增加。径向位错类型对节段衬砌的整体应力分布有显著影响，因此导致节段衬砌的裂缝模式有所不同。

裂缝造成的裂损可以分为三类，分别为纵向裂缝、拱顶脱落和边角部裂缝。卢岱岳[1]对某地铁工程区间的管片裂缝现象进行统计，结果如表1所示：纵向裂缝占总裂损的比例最高，达到45.82%；期次是拱顶脱落，占比也达到了41.31%；以上两种病害是造成管片裂损的主要因素；边角部裂缝出现情况较少，仅占12.87%。

表1 管片裂损统计表

1.1 纵向裂缝及特征

纵向裂缝是沿着隧道纵向轴线方向发展的裂缝，是最常见的隧道管片裂损现象之一。一般在管片上会出现一条或者多条相互平行的裂缝，间隔10～30cm，如图1 所示。沿着隧道轴线方向，地层越复杂的区域，纵向裂缝的数量越多。因为盾构穿越软硬交替的地层时，为了顺利通过硬岩地层，需要提高千斤顶的推力，而较软地层条件下对应的千斤顶推力减小，这样才能维持正确的盾构姿态，但是容易导致管片应力集中，从而产生更多纵向裂缝。

图1 盾构管片纵向裂缝

1.2 拱顶脱落及特征

拱顶脱落在管片后边缘较常见，即位于盾构前进方向的后侧，对称分布于拱顶位置。一般表现为混凝土脱落，严重的情况表现为混凝土块掉落，如图2所示。分布范围一般为拱顶两侧夹角45°的范围内，少数管片的脱落范围较大，可能会延伸至拱腰处，纵向分布表现出很明显的连续性，即连续多环管片出现同样的混凝土脱落病害，同时管片会出现明显的错台现象。拱顶脱落的原因是盾构调整姿态或者转向，作用在整环管片侧面的千斤顶的推力差别过大，同时管片受到注浆压力和盾壳的挤压，使得整环管片发生错动，导致管片错台。如果出现了拱顶脱落，管片环之间的纵向解除面积减小，局部应力增大，纵向接头的刚度降低，使得隧道变形增大。

图2 盾构管片拱顶脱落

1.3 边角部裂缝及特征

边角部裂缝指的是在管片内弧面角部出现的裂缝，主要形式为三角形裂缝，如图3所示。出现这类裂缝的原因与管片生产过程中的自身缺陷有很大关系；在运输、吊装过程中也可能会发生碰撞，从而加剧缺陷处的应力集中程度，造成裂缝进一步扩大。这类裂缝对隧道结构整体的承载力和耐久性影响不大。

图3 盾构管片边角部裂缝

2 盾构管片产生裂损的原因

明确裂损形成的原因，对于裂损的预防有非常重要的意义，前人对此展开了多方面的研究，也取得了一系列的研究成果。

Jin 等[2]分析了盾构施工期间因盾构壳体的挤压导致管片破损的现象，通过施加塑性损伤，建立了在盾构尾部的挤压作用、土压力和注浆压力作用下的盾构隧道三维有限元模型。分析了盾构壳体的不同挤压位置和偏转角的影响，结果表明，随着挤压位置越接近环向接缝，盾构壳体挤压区域受到的破坏越大，对一段的受拉破坏逐渐减小，损伤范围随着偏转角的增加而逐渐增加。

根据日本现行的设计规范[3]，验算千斤顶对管片侧面的推力作用时，计算混凝土的局部压应力，通常取10mm 千斤顶作用偏心距，而实际施工过程中千斤顶的偏心距总是大于10mm。在施工过程中，因为盾构机需要调整姿态或者转弯，千斤顶普遍存在推力偏心状态，会导致不均匀的变形，还可能会造成单块管片非均匀受压，大幅度提高管片内部的应力集中程度。

卢岱岳[4]考虑了盾构隧道管片在隧道掘进施工期间受到的各种作用力，包括千斤顶对管片侧面的推力、拼装机械操作作用力、盾尾密封油脂仓压力、盾尾注浆压力、二次注浆压力等多种荷载对管片的作用，分析了管片的受力特性和裂损现象。盾构隧道管片衬砌受力表现为三维应力状态，局部容易发生应力集中现象。

Takeru ARIIZUMI[5]为测试隧道施工期间，管片刚刚安装完成之后的土压力，进行了实际模型测试。基于实验结果和现场测量结果，得出的结论是盾尾刷处压力很小，该处土压力容易受到回填土荷载或者注浆压力的影响。

综上所述，造成盾构管片产生裂损的阶段有三个[6]，分别为管片施工之前产生的裂损、盾构施工过程中造成的裂损和盾构隧道使用过程中产生的裂损，而每个阶段形成裂损的原因各不相同。

2.1 管片施工之前产生裂损的原因

管片施工之前造成的裂损包含两个环节：第一环节是管片脱模以后的养护阶段，因养护过程中的主观和客观因素造成的裂损，以表面裂缝为主。第二环节是运输、吊卸及拼装过程中产生的裂缝，主要原因包括转运方案不合理、吊卸过程不规范以及拼装施工不细致等。管片制作时应根据所在城市的气候、材料成分以及施工要求等合理调整配合比，完善管片制作工艺，尤其需要注重是振捣和养护，因为这两个制作过程对混凝土密实度的影响最大。

2.2 管片施工过程中产生裂损的原因

施工过程中作用在盾构管片上的作用力主要包括千斤顶的推力、注浆压力和管片举重臂操作的作用力[7]。千斤顶的推力在地层复杂的情况下波动较大。地表沉降较大的情况下，为了控制地表变形，可能会加大注浆量，导致注浆压力过大。盾构机在曲线段上施工时，盾壳可能会因为转弯而挤压管片，通过盾尾刷把压力作用到管片上。这几种因素都可能导致管片出现破损，其中千斤顶施工荷载对管片结构的受力状态影响最大。影响千斤顶推力的因素有刀盘前方的阻力和盾壳与周围地层的摩擦力，由千斤顶引起管片破损的原因可以分成以下四类。

2.2.1 千斤顶推力过大

盾构掘进时，要根据开挖面土体的摩擦力大小以及岩石的软硬程度来调整千斤顶推力，在硬岩区域千斤顶的推力显著增大。在高水压、大埋深的隧道中，周围地层的摩阻力也会增大，引起千斤顶的推力增大。或者在工期紧张需要加快进度时，盾构机穿越粘土地层时，形成了泥饼，都会引起推力增大。根据相关研究[8]，当千斤顶推力大于30000kN时，距离千斤顶最近的6环管片的后侧边角部会出现应力集中现象，容易造成管片边角部裂损。

2.2.2 千斤顶推力不均匀

盾构机在曲线段施工时，或者在调整姿态的时候，作用在管片侧面的每一组千斤顶推力可能都不一样。管片衬砌结构此时会受到非均匀的千斤顶推力，可能会引起管片破损。在穿越上软下硬的地层时，需要加大底部千斤顶的推力。千斤顶推力差可能会导致两种情况，分别为连续多环管片横向受弯或者单块管片非均匀受压。当管片中的拉应力超过混凝土抗拉强度时，管片会出现裂缝。如果在生产过程中管片质量不过关，或者因为装卸运输导致开裂，这些初始缺陷会将会提高管片的应力集中程度，使得管片存在裂损的隐患。

2.2.3 千斤顶推力偏角过大

当千斤顶推力与隧道轴线形成一定夹角时，千斤顶对管片的作用力存在另一个方向上的分力，会引起管片的上浮，从而导致管片环之间出现错台，管片出现裂损。

2.2.4 千斤顶撑靴偏心

当隧道管片环的轴心与盾构机的轴线不重合的时候，导致千斤顶撑靴的中心偏离管片中心，因此管片会承受纵向弯矩，产生局部应力集中现象，会造成管片产生裂损。

2.3 盾构隧道使用时管片产生裂损的原因

盾构隧道使用过程中产生裂损的可能原因包括隧道内运行的列车振动或者地震作用造成周围砂土液化，外力作用导致隧道周围土压力和水压力突然改变等。发现隧道产生裂损现象时，可以通过管片注浆孔进行注浆，以加固隧道周围的土层来防止盾构管片裂缝的发展，也可以直接加固盾构管片。

3 盾构管片产生裂损的后果

盾构管片产生裂损会影响结构的耐久性。空气或者含有腐蚀性化合物的地下水通过裂损部位渗入管片内部，导致钢筋锈蚀而膨胀，使得裂损范围扩大，更多空气和地下水会从裂损部位渗入从而引起混凝土大面积开裂、剥落。裂损部位扩大之后，空气中的二氧化碳进入结构内部，导致钢筋周围的混凝土碳化。由于氯离子等渗入破坏了碱性环境，击穿钢筋表面的钝化膜，使得钢筋锈蚀，混凝土保护层脱落，降低管片的强度和刚度，影响耐久性。

Huang等[9]通过现场监测和数值模拟，对一实际工程案例因水涌引起的盾构隧道衬砌破坏进行了案例研究。事故发生在两条隧道之间的通道中，由于钻孔导致突水。通过数值模拟和现场监测数据分析，研究了分段衬砌破坏的机理和稳定效果，为在类似工程条件下进行施工的盾构掘进提供了参考。

4 结束语

综上所述，盾构管片裂损问题包括管片衬砌表面裂缝、破裂、钢筋锈蚀、混凝土掉落、漏水等，其中宽度大于0.2mm的宏观裂缝对管片造成损坏的影响最大。这种裂损包括纵向裂缝、拱顶脱落和边角部裂缝，产生于施工前后或使用过程中，而每个阶段形成裂损的原因各不相同。空气或者含有腐蚀性化合物的地下水通过裂损部位渗入管片内部，导致钢筋锈蚀而膨胀，使得裂损范围扩大，更多空气和地下水会从裂损部位渗入从而引起混凝土大面积开裂、剥落，从而影响结构的耐久性。