盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)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(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于交通運(yùn)輸?shù)男枰罅康牡罔F及客運(yùn)專線都在規(guī)劃中或投入建設(shè)當(dāng)中。為了不影響地面環(huán)境，地鐵和客運(yùn)專線的開挖方式基本采用暗挖法施工，而盾構(gòu)開挖就是其中比較常見的一種開挖方式。盾構(gòu)隧道是由襯砌和圍巖共同承受外界的一些載荷。盾構(gòu)隧道由設(shè)計(jì)到施工到投入運(yùn)營的過程中襯砌結(jié)構(gòu)的健康與安全受到很多因素的影響，而目前關(guān)于這方面的研究還不太全面。本文從設(shè)計(jì)、施工、材料、環(huán)境、外力等方面綜合分析了其對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)健康與安全的影響。

1 設(shè)計(jì)方面的影響因素

盾構(gòu)隧道為了滿足列車的正常運(yùn)行和旅客的安全心理需要，襯砌應(yīng)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(chǎn)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(shè)計(jì)的厚度、拼裝方式等對(duì)盾構(gòu)隧道受力和變形會(huì)產(chǎn)生影響。

(1)通縫拼裝由于具有施工容易、施工效率高的優(yōu)點(diǎn)而為很多施工單位所青睞;錯(cuò)縫方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性使得大多數(shù)盾構(gòu)隧道工程均傾向于這一方式。通縫和錯(cuò)縫之間的區(qū)別從本質(zhì)上講是一個(gè)管片環(huán)整體剛度上的差異。錯(cuò)縫的存在，使得管片環(huán)之間的螺栓可以發(fā)揮縱向加強(qiáng)作用，使得管片間接頭處的薄弱部位得到加強(qiáng)從而增加了管片環(huán)整體的剛度［1］～［4］。

(2)管片厚度是盾構(gòu)法隧道設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，其取值大小不僅影響隧道的造價(jià)，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(yàn)荷載位移曲線表明，拱部厚度不同時(shí)，其承載力的變化是很大的。在同樣位移條件下，如滿足設(shè)計(jì)厚度的承載力為1，則襯砌厚度為設(shè)計(jì)厚度的3/4時(shí)，其承載力為0.4;襯砌厚度為設(shè)計(jì)厚度的1/2時(shí)，僅為1/12［5］。但當(dāng)取用薄的管片厚度，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的防水要求會(huì)更加嚴(yán)格，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)耐久性也有不利的影響。管片也不是越厚越好，一是厚度對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響，二是厚度會(huì)對(duì)管片接頭產(chǎn)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(yōu)的厚度。

從上面分析中可以知道，通縫在施工上較錯(cuò)縫有優(yōu)勢(shì)，錯(cuò)縫在結(jié)構(gòu)受力上較通縫有優(yōu)勢(shì);管片厚度對(duì)隧道受力和隧道防水會(huì)產(chǎn)生一定的影響。隧道在結(jié)構(gòu)檢查中要加強(qiáng)管片厚度監(jiān)測(cè)，如發(fā)現(xiàn)管片厚度存在變化，需進(jìn)行安全評(píng)估并在必要時(shí)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(zhì)量、防水作業(yè)質(zhì)量等都會(huì)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。本文主要考慮管片外空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響。我們知道，空洞的存在會(huì)造成盾構(gòu)偏壓，無支護(hù)的空洞經(jīng)年累月有可能會(huì)松弛，剝落從而沖擊襯砌?？斩磳?duì)結(jié)構(gòu)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(duì)襯砌內(nèi)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(yàn)結(jié)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(shí)降低到無空洞的1/3以下。承載力的大小和空洞的尺寸關(guān)系還需做更多研究(新干線1∶30比例的襯砌模型試驗(yàn)結(jié)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(xiàn)［6］研究表明對(duì)于豎直應(yīng)力作用為主的地應(yīng)力場(chǎng)，產(chǎn)生病害時(shí)對(duì)應(yīng)的豎直荷載高低排序?yàn)椋瑹o缺陷時(shí)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(duì)襯砌內(nèi)力的影響

對(duì)比襯砌背后有矩形與弧形空洞，研究發(fā)現(xiàn)，矩形與弧形空洞對(duì)應(yīng)力重分布的影響基本相同，說明空洞的幾何形狀對(duì)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(duì)襯砌內(nèi)力的影響

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

由上述文獻(xiàn)可以看出空洞的存在對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生一定的影響，影響的大小視具體情況有所不同。在實(shí)際地層中不可避免的存在某些空洞(如巖溶地區(qū)等)，或者由于施工超挖，注漿量又不足導(dǎo)致襯砌后空洞?？斩吹拇嬖陔m然可能對(duì)結(jié)構(gòu)暫時(shí)沒有損害，但是從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看是不利的，諸如水土流失導(dǎo)致空洞范圍擴(kuò)大，空洞上方土體剝落沖擊襯砌等。所以在隧道施工或養(yǎng)護(hù)階段要注意檢查是否襯砌背后存在空洞，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采取背后注漿方式除去空洞。

3 材料方面的影響因素

盾構(gòu)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(shè)中有著重要的地位，處理不當(dāng)將引起混凝土保護(hù)層剝落及鋼筋銹蝕，使鋼筋混凝土強(qiáng)度和剛度削弱降低，影響結(jié)構(gòu)的耐久性甚至?xí)绊懡Y(jié)構(gòu)的正常使用。

3.1 混凝土收縮裂縫

由于水分蒸發(fā)和漿體收縮產(chǎn)生的混凝土裂縫基本上是收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度而引起。包括:塑性收縮裂縫、水化反應(yīng)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(diǎn)是裂縫主要出現(xiàn)在混凝土硬化階段，裂縫的形成、出現(xiàn)與發(fā)展是在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)完成的。產(chǎn)生原因是混凝土坍落度、水泥細(xì)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(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度較高，當(dāng)混凝土的表面溫度與氣溫相差過大時(shí)會(huì)產(chǎn)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(huán)境，埋置在混凝土中的鋼筋表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)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(fā)生。正是這層鈍化膜的存在，使得混凝土中鋼筋并不會(huì)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(huán)境遭到破壞，即在混凝土中的pH值降低到11時(shí)，鋼筋的鈍化膜就會(huì)破裂脫落，其裸露部分很快就會(huì)被氧化出現(xiàn)鐵銹，鋼筋即開始被腐蝕。導(dǎo)致這種情況發(fā)生的原因主要有兩個(gè):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(yīng)

所謂堿－骨料反應(yīng)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(qiáng)度和彈性模量下降、耐久性降低的工程質(zhì)量問題。原因是當(dāng)水泥堿含量較高時(shí)(超過0.6%)，同時(shí)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(xué)反應(yīng)，生成不斷吸水、膨脹、復(fù)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(yīng)發(fā)展緩慢，造成早已凝結(jié)硬化的水泥石結(jié)構(gòu)破壞、混凝土開裂、物理力學(xué)性能劣化、耐久性降低等問題。

4 環(huán)境方面影響因素［8］

影響隧道健康與安全的主要環(huán)境場(chǎng)合有:CO2對(duì)混凝土的碳化作用;地區(qū)冬夏溫濕度交替;氯化物和各種化學(xué)腐蝕環(huán)境;雜散電流對(duì)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(dǎo)致混凝土受碳化腐蝕;同時(shí)，CO2入滲混凝土保護(hù)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(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)收縮微裂紋，降低了混凝土的抗?jié)B能力，而鋼筋銹脹進(jìn)一步使混凝土保護(hù)層剝落。

(2)高寒地區(qū)混凝土凍融，南方夏季溫濕度交替循環(huán)變化使混凝土開裂而剝落。

(3)電氣化地鐵中雜散電流對(duì)鋼筋的電腐蝕。

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

(5)近年來一些地區(qū)的雨中酸度加大、頻率增大，酸雨使地下水質(zhì)受污染，進(jìn)而引起管片結(jié)構(gòu)腐蝕。

(6)侵蝕性環(huán)境中的有害化學(xué)離子入滲混凝土的腐蝕作用。工程環(huán)境和地下水中的酸、鹽介質(zhì)(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(yīng)，使堿度降低，混凝土強(qiáng)度下降;酸性介質(zhì)入滲，則使酸根離子被吸附到鋼筋鈍化膜表面而產(chǎn)生破損，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕、鐵銹體積膨脹，使混凝土保護(hù)層脹裂和剝落。

(7)意外因素作用，以隧道內(nèi)火災(zāi)最為常見?；馂?zāi)對(duì)隧道管片的不利影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:一是混凝土爆裂:高強(qiáng)混凝土具有較高的密實(shí)度，孔隙率低。隧道一旦發(fā)生火災(zāi)，混凝土內(nèi)自由水及化學(xué)水蒸發(fā)通道不暢，不能及時(shí)地逸出，從而產(chǎn)生過高蒸汽分壓，導(dǎo)致混凝土爆裂，進(jìn)而暴露鋼筋使鋼筋處于不利環(huán)境;二是強(qiáng)度下降:高溫狀態(tài)下的混凝土管片的強(qiáng)度將迅速下降。難以抵抗周邊荷載;三是微觀損傷:火災(zāi)中，管片混凝土材料微觀結(jié)構(gòu)遭到破壞，內(nèi)部形成相當(dāng)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(yùn)行、航道疏浚、隧道鄰近施工等都會(huì)影響隧道的受力和變形。在隧道外部環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)也相應(yīng)的會(huì)作出反應(yīng)，認(rèn)真分析這些反應(yīng)是必要的?，F(xiàn)分別就外力方面的因素作簡(jiǎn)要討論。

5.1 列車運(yùn)行的影響

列車運(yùn)行速度對(duì)襯砌的影響不大。列車在振動(dòng)荷載作用下［9］、［10］，軌底、拱頂?shù)淖畲筘Q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(jié)論基于的模型不是盾構(gòu)隧道，但我們可以類比得出高速鐵路隧道列車振動(dòng)響應(yīng)對(duì)盾構(gòu)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(tài)良好，假如由于其它原因，隧道已經(jīng)存在裂縫，甚至錯(cuò)臺(tái)。那列車運(yùn)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(wěn)定性影響因素眾多，文獻(xiàn)［12］結(jié)合國內(nèi)外還不多見的航道疏浚因子對(duì)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(gòu)段縱斷面自然水深為8～14 m，未來航道的規(guī)劃水深將達(dá)到23 m，人工航道開挖的深度為 9 ～ 15 m。數(shù)值模擬結(jié)果表明［11］、［12］:航道疏浚對(duì)隧道縱向產(chǎn)生較大的差異沉降，航道疏浚區(qū)域與沉降趨勢(shì)一致，最大差異沉降達(dá)231.5 mm。這么大的差異對(duì)隧道襯砌接頭是不利的，會(huì)影響隧道內(nèi)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(guān)于疊交隧道近距離穿越這方面，已有文獻(xiàn)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(yīng)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(yuǎn)，上方超載對(duì)隧道的影響會(huì)有減小的趨勢(shì)。

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(zhì)、隧道間的相對(duì)位置和凈間距的影響尤其重大，地鐵雙線隧道工程建設(shè)中應(yīng)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(qū)間隧道下穿越，數(shù)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(duì)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(gòu)推進(jìn)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(shí)，老隧道的位移比較大，當(dāng)凈間距大于一定距離后，新隧道盾構(gòu)施工引起老隧道襯砌的位移很?。?7］。

5.3.2 上方超載影響

上海打浦路越江隧道［18］2號(hào)井以東第7O環(huán)襯砌管片因地面堆載而發(fā)生沉降的實(shí)測(cè)資料充分說明了這一點(diǎn)，第7O環(huán)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(yùn)行的16年中進(jìn)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(shí)測(cè)顯示四次加荷后總沉降增量達(dá)110 mm，出現(xiàn)嚴(yán)重的縱向不均勻沉降。

通過上面的文獻(xiàn)可以看到航道疏浚和隧道上方堆載主要產(chǎn)生差異沉降，分別達(dá)到231.5 mm和110 mm。差異沉降會(huì)使襯砌內(nèi)力產(chǎn)生重新分布和降低列車運(yùn)行舒適度，我們對(duì)其影響應(yīng)該重點(diǎn)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(shí)際工程中，如果隧道外部條件要發(fā)生變化，我們?cè)谕獠織l件變化的同時(shí)加強(qiáng)隧道襯砌的位移、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)采取必要的措施如對(duì)隧道周邊巖層進(jìn)行加固處理。

6 隧道下臥土層固結(jié)特性不同

現(xiàn)有研究表明，土層不同時(shí)，和土層對(duì)應(yīng)的次固結(jié)特性會(huì)存在區(qū)別。隧道線路一般較長(zhǎng)，就有可能導(dǎo)致隧道因?yàn)檠乜v向土性分布不均勻而產(chǎn)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(dāng)其下臥層為粘質(zhì)粉土或粉砂與淤泥質(zhì)粘土互層(接近砂性土)的土層時(shí)，在長(zhǎng)期運(yùn)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(gòu)隧道，在長(zhǎng)期運(yùn)營中則產(chǎn)生較大的不均勻沉降。上海打浦路越江隧道1號(hào)井以東約120 m一段隧道下臥土層為松軟的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，在長(zhǎng)期運(yùn)營的 13年中，沉降量大于100 mm［18］。

由上述實(shí)測(cè)結(jié)果可以看出，由于在軟弱粘性土中易發(fā)生較大的不均勻沉降，而現(xiàn)實(shí)生活中又不可避免地把隧道建在軟土上(由于地質(zhì)構(gòu)造導(dǎo)致軟弱夾層的存在等)。所以在隧道勘察過程中，要重點(diǎn)勘察存在軟弱土層的區(qū)域，在設(shè)計(jì)中應(yīng)該避開軟土區(qū)域，如果由于線型的需要無法避開的話，應(yīng)對(duì)軟土做適當(dāng)處理后再修建隧道。對(duì)由于在勘察階段沒有發(fā)現(xiàn)下臥土層存在軟土，而是由于在隧道開挖階段中發(fā)現(xiàn)存在大量軟土層的現(xiàn)象，施工單位應(yīng)該馬上停工，并應(yīng)把這一現(xiàn)象報(bào)告給設(shè)計(jì)單位，設(shè)計(jì)單位在視具體情況做具體處理后，施工單位方可繼續(xù)開挖。

7 隧道下臥土層水土流失造成的破壞性縱向變形

當(dāng)襯砌周圍為粉砂土或砂質(zhì)粉土，且受到動(dòng)水壓力作用時(shí)，則土體就會(huì)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(chǎn)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(chǎn)生的漏泥水的裂縫，這就可能導(dǎo)致這種破壞形的縱向變形。

8 結(jié)論

針對(duì)我國關(guān)于隧道結(jié)構(gòu)影響因素研究都是基于某單一影響因子的現(xiàn)狀，論文從設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境、外力等方面比較全面的概括了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)健康與安全影響因素。具體結(jié)論如下。

(1)襯砌厚度對(duì)結(jié)構(gòu)承載力有較大的影響，在隧道結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)中要加強(qiáng)襯砌厚度檢測(cè);

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

(3)混凝土收縮裂縫、堿－骨料反應(yīng)和防水材料失效等材料方面的因素會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性、承載力和防水效果產(chǎn)生影響;

(4)外力方面如航道疏浚、鄰近施工等對(duì)隧道有一定的影響。航道疏浚表現(xiàn)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(duì)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(zhǎng)期運(yùn)營中由于下臥地層不同、隧道所處地層水位變化等在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)可能會(huì)增加不均勻沉降。

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