隧道工程盾構(gòu)管片裂損產(chǎn)生的原因及后果

熊真健

（華南理工大學(xué)，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(shù)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(shè)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(gòu)法和頂管法等。盾構(gòu)法因其具有掘進速度快、安全性高、對周邊環(huán)境影響小、不受氣候條件影響等優(yōu)勢，已成為我國城市軌道交通建設(shè)的主要施工方法。

隨著科研能力的持續(xù)提升和人才隊伍的發(fā)展壯大，我國盾構(gòu)隧道施工技術(shù)和裝備制造能力都得到快速發(fā)展，部分領(lǐng)域甚至達到世界先進水平。目前，盾構(gòu)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(gòu)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(fù)雜，而且施工中出現(xiàn)的很多狀況與設(shè)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(gòu)隧道施工過程中出現(xiàn)管片裂損問題，人們做了大量的研究和優(yōu)化工作。本文從盾構(gòu)隧道管片裂損研究現(xiàn)狀出發(fā)，對管片裂損的類型、特征、產(chǎn)生原因及不良后果進行分析，以期對相關(guān)施工人員改進工作方法，提升施工水平提供參考。

1 盾構(gòu)管片裂損的類型及特征

盾構(gòu)管片可能會出現(xiàn)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(chǎn)時，由于混凝土振搗不充分、凝結(jié)收縮、溫度差等，管片內(nèi)部可能存在初始缺陷，但是根據(jù)盾構(gòu)隧道施工相關(guān)規(guī)范可知，盾構(gòu)管片在施工和使用期間允許出現(xiàn)一定的裂縫，只要不超過規(guī)范要求，并不影響管片正常使用。一般混凝土結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的力學(xué)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(xiàn)場觀察和數(shù)值模擬研究徑向錯位條件下節(jié)段襯砌上的裂縫，研究節(jié)段襯砌裂縫對隧道安全性和耐久性的影響。對節(jié)段襯砌的三種徑向錯位類型進行了分類，并通過對受損節(jié)段環(huán)的現(xiàn)場統(tǒng)計分析總結(jié)了它們相應(yīng)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(fā)了實驗平臺。數(shù)值分析表明，一旦出現(xiàn)徑向錯位節(jié)段，拱頂處節(jié)段襯里的彎矩就會急劇增加。徑向位錯類型對節(jié)段襯砌的整體應(yīng)力分布有顯著影響，因此導(dǎo)致節(jié)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(qū)間的管片裂縫現(xiàn)象進行統(tǒng)計，結(jié)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(xiàn)情況較少，僅占12.87%。

表1 管片裂損統(tǒng)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(fā)展的裂縫，是最常見的隧道管片裂損現(xiàn)象之一。一般在管片上會出現(xiàn)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(fù)雜的區(qū)域，縱向裂縫的數(shù)量越多。因為盾構(gòu)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?shù)耐屏?，而較軟地層條件下對應(yīng)的千斤頂推力減小，這樣才能維持正確的盾構(gòu)姿態(tài)，但是容易導(dǎo)致管片應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生更多縱向裂縫。

圖1 盾構(gòu)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(gòu)前進方向的后側(cè)，對稱分布于拱頂位置。一般表現(xiàn)為混凝土脫落，嚴重的情況表現(xiàn)為混凝土塊掉落，如圖2所示。分布范圍一般為拱頂兩側(cè)夾角45°的范圍內(nèi)，少數(shù)管片的脫落范圍較大，可能會延伸至拱腰處，縱向分布表現(xiàn)出很明顯的連續(xù)性，即連續(xù)多環(huán)管片出現(xiàn)同樣的混凝土脫落病害，同時管片會出現(xiàn)明顯的錯臺現(xiàn)象。拱頂脫落的原因是盾構(gòu)調(diào)整姿態(tài)或者轉(zhuǎn)向，作用在整環(huán)管片側(cè)面的千斤頂?shù)耐屏Σ顒e過大，同時管片受到注漿壓力和盾殼的擠壓，使得整環(huán)管片發(fā)生錯動，導(dǎo)致管片錯臺。如果出現(xiàn)了拱頂脫落，管片環(huán)之間的縱向解除面積減小，局部應(yīng)力增大，縱向接頭的剛度降低，使得隧道變形增大。

圖2 盾構(gòu)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(nèi)弧面角部出現(xiàn)的裂縫，主要形式為三角形裂縫，如圖3所示。出現(xiàn)這類裂縫的原因與管片生產(chǎn)過程中的自身缺陷有很大關(guān)系；在運輸、吊裝過程中也可能會發(fā)生碰撞，從而加劇缺陷處的應(yīng)力集中程度，造成裂縫進一步擴大。這類裂縫對隧道結(jié)構(gòu)整體的承載力和耐久性影響不大。

圖3 盾構(gòu)管片邊角部裂縫

2 盾構(gòu)管片產(chǎn)生裂損的原因

明確裂損形成的原因，對于裂損的預(yù)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(gòu)施工期間因盾構(gòu)殼體的擠壓導(dǎo)致管片破損的現(xiàn)象，通過施加塑性損傷，建立了在盾構(gòu)尾部的擠壓作用、土壓力和注漿壓力作用下的盾構(gòu)隧道三維有限元模型。分析了盾構(gòu)殼體的不同擠壓位置和偏轉(zhuǎn)角的影響，結(jié)果表明，隨著擠壓位置越接近環(huán)向接縫，盾構(gòu)殼體擠壓區(qū)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(zhuǎn)角的增加而逐漸增加。

根據(jù)日本現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范[3]，驗算千斤頂對管片側(cè)面的推力作用時，計算混凝土的局部壓應(yīng)力，通常取10mm 千斤頂作用偏心距，而實際施工過程中千斤頂?shù)钠木嗫偸谴笥?0mm。在施工過程中，因為盾構(gòu)機需要調(diào)整姿態(tài)或者轉(zhuǎn)彎，千斤頂普遍存在推力偏心狀態(tài)，會導(dǎo)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(nèi)部的應(yīng)力集中程度。

盧岱岳[4]考慮了盾構(gòu)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(cè)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(xiàn)象。盾構(gòu)隧道管片襯砌受力表現(xiàn)為三維應(yīng)力狀態(tài)，局部容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)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?；趯嶒灲Y(jié)果和現(xiàn)場測量結(jié)果，得出的結(jié)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(gòu)管片產(chǎn)生裂損的階段有三個[6]，分別為管片施工之前產(chǎn)生的裂損、盾構(gòu)施工過程中造成的裂損和盾構(gòu)隧道使用過程中產(chǎn)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(chǎn)生裂損的原因

管片施工之前造成的裂損包含兩個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)是管片脫模以后的養(yǎng)護階段，因養(yǎng)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(huán)節(jié)是運輸、吊卸及拼裝過程中產(chǎn)生的裂縫，主要原因包括轉(zhuǎn)運方案不合理、吊卸過程不規(guī)范以及拼裝施工不細致等。管片制作時應(yīng)根據(jù)所在城市的氣候、材料成分以及施工要求等合理調(diào)整配合比，完善管片制作工藝，尤其需要注重是振搗和養(yǎng)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(chǎn)生裂損的原因

施工過程中作用在盾構(gòu)管片上的作用力主要包括千斤頂?shù)耐屏?、注漿壓力和管片舉重臂操作的作用力[7]。千斤頂?shù)耐屏υ诘貙訌?fù)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(dǎo)致注漿壓力過大。盾構(gòu)機在曲線段上施工時，盾殼可能會因為轉(zhuǎn)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(dǎo)致管片出現(xiàn)破損，其中千斤頂施工荷載對管片結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)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(gòu)掘進時，要根據(jù)開挖面土體的摩擦力大小以及巖石的軟硬程度來調(diào)整千斤頂推力，在硬巖區(qū)域千斤頂?shù)耐屏︼@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?shù)耐屏υ龃??；蛘咴诠て诰o張需要加快進度時，盾構(gòu)機穿越粘土地層時，形成了泥餅，都會引起推力增大。根據(jù)相關(guān)研究[8]，當千斤頂推力大于30000kN時，距離千斤頂最近的6環(huán)管片的后側(cè)邊角部會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)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(gòu)機在曲線段施工時，或者在調(diào)整姿態(tài)的時候，作用在管片側(cè)面的每一組千斤頂推力可能都不一樣。管片襯砌結(jié)構(gòu)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?shù)耐屏?。千斤頂推力差可能會?dǎo)致兩種情況，分別為連續(xù)多環(huán)管片橫向受彎或者單塊管片非均勻受壓。當管片中的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，管片會出現(xiàn)裂縫。如果在生產(chǎn)過程中管片質(zhì)量不過關(guān)，或者因為裝卸運輸導(dǎo)致開裂，這些初始缺陷會將會提高管片的應(yīng)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(dǎo)致管片環(huán)之間出現(xiàn)錯臺，管片出現(xiàn)裂損。

2.2.4 千斤頂撐靴偏心

當隧道管片環(huán)的軸心與盾構(gòu)機的軸線不重合的時候，導(dǎo)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(chǎn)生局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，會造成管片產(chǎn)生裂損。

2.3 盾構(gòu)隧道使用時管片產(chǎn)生裂損的原因

盾構(gòu)隧道使用過程中產(chǎn)生裂損的可能原因包括隧道內(nèi)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(dǎo)致隧道周圍土壓力和水壓力突然改變等。發(fā)現(xiàn)隧道產(chǎn)生裂損現(xiàn)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(gòu)管片裂縫的發(fā)展，也可以直接加固盾構(gòu)管片。

3 盾構(gòu)管片產(chǎn)生裂損的后果

盾構(gòu)管片產(chǎn)生裂損會影響結(jié)構(gòu)的耐久性?？諝饣蛘吆懈g性化合物的地下水通過裂損部位滲入管片內(nèi)部，導(dǎo)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(jié)構(gòu)內(nèi)部，導(dǎo)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(huán)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(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬，對一實際工程案例因水涌引起的盾構(gòu)隧道襯砌破壞進行了案例研究。事故發(fā)生在兩條隧道之間的通道中，由于鉆孔導(dǎo)致突水。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，研究了分段襯砌破壞的機理和穩(wěn)定效果，為在類似工程條件下進行施工的盾構(gòu)掘進提供了參考。

4 結(jié)束語

綜上所述，盾構(gòu)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(chǎn)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?？諝饣蛘吆懈g性化合物的地下水通過裂損部位滲入管片內(nèi)部，導(dǎo)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(jié)構(gòu)的耐久性。