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摘要 随着城市现代发展步伐的加快，大直径盾构隧道逐渐成为重要的城市地下结构，但至今沿用的相对较小直径的盾构隧道计算方法与大直径盾构随到结构的计算研究相对较为滞后。本文对大直径盾构隧道管片损伤成因及处理措施进行了有关研究，具体总结了大直径盾构隧道施工过程中混凝土管片的损伤原因及出现裂缝之后的处理措施与预防方法。
关键词：盾构隧道；管片损伤；成因；处理方法
中图分类号：U455文献标识码： A
引文：随着城市空间层次开发利用的深入，隧道在城市建设中的应用已日益广泛，高难度、大跨度的越江隧道工程正向着超大直径方向发展。但由于一些大直径的隧道处于软土层中，相对地质条件较差，故在施工过程中容易出现管片损伤，其对盾构隧道的整体防水性能具有较大的影响，并直接影响到整个隧道的安全性和耐久性。本文对大直径盾构推进过程中管片损伤类型及其原因进行了分析，并结合上海虹梅南路越江隧道的工程实例，通过对管片内力的计算，详细阐述了管片开裂、局部碎裂的原因以及预防管片开裂的措施。
1盾构隧道管片裂缝
盾构掘进施工过程中，隧道管片在盾构机千斤顶反作用力及同步注浆压力和周围土体的压力作用下，部分管片可能会出现裂缝，根据裂缝出现的部位及方向不同，可以分为如下三个大类: 边、角部局部裂缝; 隧道环向裂缝; 隧道纵向裂缝。以上三种裂缝对结构影响最为严重的是隧道的纵向裂缝，它又可分为前开裂、后开裂、全开裂三种。
( 1) 前开裂: 裂缝从管片前端开裂并向后延伸，但在管片宽度方向并不贯通。这类裂缝主要集中出现在隧道拱顶位置，且径向为贯通裂缝，故一般伴随有渗漏水出现。( 2) 后开裂: 裂缝从管片后端开裂并向前延伸，但在管片宽度方向并不贯通。此类裂缝主要出现在隧道的两腰部位及腰部偏上位置，且径向为贯通裂缝，故一般伴随有渗漏水出现。( 3) 全开裂: 从隧道内部看，裂缝在管片宽度方向贯通，这类裂缝出现的较少，且出现位置的随意性较大，有的径向贯通出现较为严重的渗漏水，有的径向没有贯通，故没有渗漏现象。
2管片损伤成因分析与应对措施
一般情况下引起管片破损的原因主要有三个方面，一是管片的设计质量; 二足管片制作过程中的施工质量; 三是现场施工造成的管片开裂或破损，现场施工造成管片开裂和局部破损主要受管片的拼装质量，如接缝面不平整，掘进推力超过设计极限值、壁后注浆不密实以及盾尾间隙过小，同时掘进方向与管片的隧道有一定的夹角，使管片之间、管片与油缸之间形成点接触或线接触，盾尾局部挤压管片产生应力集中导致管片破损。
2.1 管片开裂原因分析
盾构隧道管片为钢筋混凝土结构，其开裂主要是受力不均或受力过大所造成。盾构隧道施工过程中，管片承受着千斤顶顶力、盾尾密封刷的作用力、衬砌背后的浆液压力等多种外力的综合作用，管片的受力状态较为复杂。此外，施工中出现的很多状况与设计所考虑的并不完全一致，例如局部位置的衬砌环安装精度、一次纠偏量以及注浆压力等可能都与设计所考虑的有差别。在上述因素的相互影响下，盾构管片出现了不同的受力特征，如环向和纵向的轴压及偏心受压、剪切和扭曲等，这就造成不同性状的管片破损和裂缝。通过对现场观察了解，结合其他地铁工程中的经验，认为造成管片开裂的主要原因可能有如下几种。
2.1.1盾构机千斤顶总推力较大
作用于管片上的力是造成管片开裂的最基本因素，其中盾构推进过程中总推力过大是致使管片开裂的最直接原因。盾构机在粘土层中施工时，因土体自身的特性，进入刀盘后的土仓后，土体积压形成“泥饼”，盾构机继续推进，“泥饼”增多造成土仓内土压变大，刀盘的扭矩增加，进而增大盾构机的总推力。当总推力过大时，管片的环面受到的压力和剪切力相应增大，尤其在隧道的平曲线和竖曲线段的施工中，盾构机为了满足结构的曲线要求，一侧的千斤顶推力加大，整个管片环面受到的推力大小不一致。推力较大是出现纵向前裂缝及后裂缝的重要因素之一。
2.1.2管片环面不平整
造成管片环面不平整的原因主要有: 管片制作精度误差、管片纠偏时贴片不平整、盾构机推进时各区的千斤顶推力大小不等，管片之间的环缝压缩量不一致等。因管片环面不平整，盾构机千斤顶作用于管片上将产生较大的劈裂力矩造成管片开裂，这种状态是引起管片出现纵向前裂缝的常见原因之一。
图1管片环面不平整引起的开裂示意图
2.1.3千斤顶撑靴损坏或重心偏位
盾构机通过千斤顶作用于管片上向前掘进，在千斤顶与管片接触处设置撑靴以减少接触面局部压应力，撑靴和管片之间具有较厚的特种橡胶垫层，该橡胶垫可起到缓冲作用，即便管片受力面不十分平整也不会产生应力集中。当盾构机千斤顶撑靴损坏后，管片侧面局部应力增大，造成边、角部出现裂缝，甚至发生掉块现象。此外，在实际施工中，由于撑靴活络头损环或撑靴位置偏心，均可引起千斤顶的中心没有作用在管片环的中心上，造成管片处于偏心受压状态，如图 2，最终引起管片出现纵向的前裂缝或后裂缝。
图2千斤顶撑靴引起的管片偏心受压
2.1.4盾构机姿態控制与线路曲线段不匹配
在盾构掘进施工过程中，通常逐环测量盾构姿态和管片姿态，根据测量资料及时调整各项推进参数。盾构机的姿态与线路理论方向出现偏差时，特别是在转弯、竖曲线段和纠偏量大时，管片外弧与盾尾内壁间的距离沿环向分布不均匀，造成一侧间距很小，而另一侧间距较大，产生“卡壳”现象( 即管片碰到盾尾上) 。这时，盾尾密封刷甚至盾壳就会挤压管片，使管片出现扭转变形。
2.1.5二次注浆压力过大
当地层损失较大或地表有建筑物需要控制地面沉降时，一般需要进行二次注浆。与多点同步注浆不同，二次注浆一般是在一环内通过每块管片的中心依次注浆，因此在注浆压力的作用下，衬砌环中被注浆管片中部的局部弯矩较大。当操作失误使得注浆压力过大时，会引起管片受弯开裂，出现纵向全裂缝，严重时可能出现螺栓破坏、管片断裂、局部压重漏水的事故。
2.2预防管片开裂的具体措施
盾构掘进施工中，造成管片开裂的原因往往不是单一存在的，而是几种因素集中在一起综合作用的结果。因此，防止发生管片开裂的措施要综合考虑，针对上述原因，需从以下几个方面采取措施:
( 1) 盾构机在砂层或粘土层掘进时，应在土仓内注入泥浆或泡沫剂，改良土体的特性，防止土体在土仓内积“泥饼”，减小推进扭矩和总推力，同时防止推进速度过快。( 2) 严格管片制作时的质量控制，减少管片的制作精度误差。在施工过程中保证贴片位置的准确性，盾构掘进完成后，检查上一环管片的环面平整度。( 3) 检查千斤顶撑靴，出现损坏的及时更换。( 4) 盾构掘进时严格控制盾构机的姿态，特别在曲线段，盾构机应缓慢掘进，控制盾构机的每环纠偏量，防止盾构机轴线与隧道管片的轴线间的夹角过大和管片四周盾尾间隙不均匀。
3 结论及建议
一般情况下，在软土层中较容易出现密集有规律裂缝和拱顶纵向裂缝。不同的环缝位置受力情况不同，环缝位置在隧道断面受力较大的地方时，由于橡胶止水带凸起，造成角部应力集中，从而产生管片角部碎裂。根据对多处施工现场观察及分析，管片裂缝产生主要原因如下:( 1) 盾构机推力较大: 出现裂缝地段恰好刚进入粉土及粉细砂地层，在此之前主要处于淤泥质粉质粘土地层。盾构扭矩及推力增大没有引起操作人员的足够重视，仍然快速推进，使得出现管片开裂的几率增大。( 2) 曲线施工的影响: 盾构机姿态控制难度大，导致盾构机姿态不理想，纠偏时可能造成了盾尾挤压管片的现象; 在曲线段施工时为了控制盾构机转向，各区千斤顶推力不等，造成各个分块管片的受力大小不均，管片整个环面不平整。( 3) 管片拼装时应注意纵缝的位置，尽量避免纵缝出现在整环受力最大的位置。( 4) 封顶块密封条凸出: 每环管片在封顶块拼装时，因橡胶密封条错位并凸出管片环面，造成管片环面不平整，在较大推力作用下引起管片沿环宽方向开裂。
根据以上的原因分析，为防止管片继续出现裂缝，建议施工中可采取如下应对措施:
( 1) 盾构掘进时，适当降低推进速度，加强盾构机姿态的控制。( 2) 加强隧道管片的纠偏量，保证千斤顶与管片断面的垂直度，减小对管片的向外弯矩。( 3) 管片拼装时，控制拼装质量，保证最后一块管片( 封顶块) 的拼装空间，同时在封顶块两侧密封条及与其对应的邻接块密封条上涂抹润滑剂，减少摩阻力，防止止水带凸出环面。( 4) 管片拼装完成后检查管片的环面平整度并采用传力衬垫找平。( 5) 从现场观察看，管片裂缝主要出现在邻接块，应尽快检查管片封顶块与邻接块的制作精度;千斤顶撑靴与管片端面是否垂直、中心是否重合。
参考文献：
［1］胡如军，朱伟．盾构隧道管片的设计计算方法［M］．河海大学学报，2001，29( 增) : 182-185．
［2］韩士钊．盾构隧道管片裂缝产生原因分析及处理措施［J］．辽宁:西部探矿工程，2010．
［3］日本土木学会．朱伟，译．隧道标准规范( 盾构篇) 及解说［M］．北京:中国建筑工业出版社，2001．
［4］项兆池，楼如岳，傅德明．最新泥水盾构技术［M］．上海:上海隧道工程股份有限公司，2001
［5］日本土木学会．盾构隧道管片设计［M］．官林星译．北京:中国建筑工业出版社，2013．
关键词：盾构隧道；管片损伤；成因；处理方法
中图分类号：U455文献标识码： A
引文：随着城市空间层次开发利用的深入，隧道在城市建设中的应用已日益广泛，高难度、大跨度的越江隧道工程正向着超大直径方向发展。但由于一些大直径的隧道处于软土层中，相对地质条件较差，故在施工过程中容易出现管片损伤，其对盾构隧道的整体防水性能具有较大的影响，并直接影响到整个隧道的安全性和耐久性。本文对大直径盾构推进过程中管片损伤类型及其原因进行了分析，并结合上海虹梅南路越江隧道的工程实例，通过对管片内力的计算，详细阐述了管片开裂、局部碎裂的原因以及预防管片开裂的措施。
1盾构隧道管片裂缝
盾构掘进施工过程中，隧道管片在盾构机千斤顶反作用力及同步注浆压力和周围土体的压力作用下，部分管片可能会出现裂缝，根据裂缝出现的部位及方向不同，可以分为如下三个大类: 边、角部局部裂缝; 隧道环向裂缝; 隧道纵向裂缝。以上三种裂缝对结构影响最为严重的是隧道的纵向裂缝，它又可分为前开裂、后开裂、全开裂三种。
( 1) 前开裂: 裂缝从管片前端开裂并向后延伸，但在管片宽度方向并不贯通。这类裂缝主要集中出现在隧道拱顶位置，且径向为贯通裂缝，故一般伴随有渗漏水出现。( 2) 后开裂: 裂缝从管片后端开裂并向前延伸，但在管片宽度方向并不贯通。此类裂缝主要出现在隧道的两腰部位及腰部偏上位置，且径向为贯通裂缝，故一般伴随有渗漏水出现。( 3) 全开裂: 从隧道内部看，裂缝在管片宽度方向贯通，这类裂缝出现的较少，且出现位置的随意性较大，有的径向贯通出现较为严重的渗漏水，有的径向没有贯通，故没有渗漏现象。
2管片损伤成因分析与应对措施
一般情况下引起管片破损的原因主要有三个方面，一是管片的设计质量; 二足管片制作过程中的施工质量; 三是现场施工造成的管片开裂或破损，现场施工造成管片开裂和局部破损主要受管片的拼装质量，如接缝面不平整，掘进推力超过设计极限值、壁后注浆不密实以及盾尾间隙过小，同时掘进方向与管片的隧道有一定的夹角，使管片之间、管片与油缸之间形成点接触或线接触，盾尾局部挤压管片产生应力集中导致管片破损。
2.1 管片开裂原因分析
盾构隧道管片为钢筋混凝土结构，其开裂主要是受力不均或受力过大所造成。盾构隧道施工过程中，管片承受着千斤顶顶力、盾尾密封刷的作用力、衬砌背后的浆液压力等多种外力的综合作用，管片的受力状态较为复杂。此外，施工中出现的很多状况与设计所考虑的并不完全一致，例如局部位置的衬砌环安装精度、一次纠偏量以及注浆压力等可能都与设计所考虑的有差别。在上述因素的相互影响下，盾构管片出现了不同的受力特征，如环向和纵向的轴压及偏心受压、剪切和扭曲等，这就造成不同性状的管片破损和裂缝。通过对现场观察了解，结合其他地铁工程中的经验，认为造成管片开裂的主要原因可能有如下几种。
2.1.1盾构机千斤顶总推力较大
作用于管片上的力是造成管片开裂的最基本因素，其中盾构推进过程中总推力过大是致使管片开裂的最直接原因。盾构机在粘土层中施工时，因土体自身的特性，进入刀盘后的土仓后，土体积压形成“泥饼”，盾构机继续推进，“泥饼”增多造成土仓内土压变大，刀盘的扭矩增加，进而增大盾构机的总推力。当总推力过大时，管片的环面受到的压力和剪切力相应增大，尤其在隧道的平曲线和竖曲线段的施工中，盾构机为了满足结构的曲线要求，一侧的千斤顶推力加大，整个管片环面受到的推力大小不一致。推力较大是出现纵向前裂缝及后裂缝的重要因素之一。
2.1.2管片环面不平整
造成管片环面不平整的原因主要有: 管片制作精度误差、管片纠偏时贴片不平整、盾构机推进时各区的千斤顶推力大小不等，管片之间的环缝压缩量不一致等。因管片环面不平整，盾构机千斤顶作用于管片上将产生较大的劈裂力矩造成管片开裂，这种状态是引起管片出现纵向前裂缝的常见原因之一。
图1管片环面不平整引起的开裂示意图
2.1.3千斤顶撑靴损坏或重心偏位
盾构机通过千斤顶作用于管片上向前掘进，在千斤顶与管片接触处设置撑靴以减少接触面局部压应力，撑靴和管片之间具有较厚的特种橡胶垫层，该橡胶垫可起到缓冲作用，即便管片受力面不十分平整也不会产生应力集中。当盾构机千斤顶撑靴损坏后，管片侧面局部应力增大，造成边、角部出现裂缝，甚至发生掉块现象。此外，在实际施工中，由于撑靴活络头损环或撑靴位置偏心，均可引起千斤顶的中心没有作用在管片环的中心上，造成管片处于偏心受压状态，如图 2，最终引起管片出现纵向的前裂缝或后裂缝。
图2千斤顶撑靴引起的管片偏心受压
2.1.4盾构机姿態控制与线路曲线段不匹配
在盾构掘进施工过程中，通常逐环测量盾构姿态和管片姿态，根据测量资料及时调整各项推进参数。盾构机的姿态与线路理论方向出现偏差时，特别是在转弯、竖曲线段和纠偏量大时，管片外弧与盾尾内壁间的距离沿环向分布不均匀，造成一侧间距很小，而另一侧间距较大，产生“卡壳”现象( 即管片碰到盾尾上) 。这时，盾尾密封刷甚至盾壳就会挤压管片，使管片出现扭转变形。
2.1.5二次注浆压力过大
当地层损失较大或地表有建筑物需要控制地面沉降时，一般需要进行二次注浆。与多点同步注浆不同，二次注浆一般是在一环内通过每块管片的中心依次注浆，因此在注浆压力的作用下，衬砌环中被注浆管片中部的局部弯矩较大。当操作失误使得注浆压力过大时，会引起管片受弯开裂，出现纵向全裂缝，严重时可能出现螺栓破坏、管片断裂、局部压重漏水的事故。
2.2预防管片开裂的具体措施
盾构掘进施工中，造成管片开裂的原因往往不是单一存在的，而是几种因素集中在一起综合作用的结果。因此，防止发生管片开裂的措施要综合考虑，针对上述原因，需从以下几个方面采取措施:
( 1) 盾构机在砂层或粘土层掘进时，应在土仓内注入泥浆或泡沫剂，改良土体的特性，防止土体在土仓内积“泥饼”，减小推进扭矩和总推力，同时防止推进速度过快。( 2) 严格管片制作时的质量控制，减少管片的制作精度误差。在施工过程中保证贴片位置的准确性，盾构掘进完成后，检查上一环管片的环面平整度。( 3) 检查千斤顶撑靴，出现损坏的及时更换。( 4) 盾构掘进时严格控制盾构机的姿态，特别在曲线段，盾构机应缓慢掘进，控制盾构机的每环纠偏量，防止盾构机轴线与隧道管片的轴线间的夹角过大和管片四周盾尾间隙不均匀。
3 结论及建议
一般情况下，在软土层中较容易出现密集有规律裂缝和拱顶纵向裂缝。不同的环缝位置受力情况不同，环缝位置在隧道断面受力较大的地方时，由于橡胶止水带凸起，造成角部应力集中，从而产生管片角部碎裂。根据对多处施工现场观察及分析，管片裂缝产生主要原因如下:( 1) 盾构机推力较大: 出现裂缝地段恰好刚进入粉土及粉细砂地层，在此之前主要处于淤泥质粉质粘土地层。盾构扭矩及推力增大没有引起操作人员的足够重视，仍然快速推进，使得出现管片开裂的几率增大。( 2) 曲线施工的影响: 盾构机姿态控制难度大，导致盾构机姿态不理想，纠偏时可能造成了盾尾挤压管片的现象; 在曲线段施工时为了控制盾构机转向，各区千斤顶推力不等，造成各个分块管片的受力大小不均，管片整个环面不平整。( 3) 管片拼装时应注意纵缝的位置，尽量避免纵缝出现在整环受力最大的位置。( 4) 封顶块密封条凸出: 每环管片在封顶块拼装时，因橡胶密封条错位并凸出管片环面，造成管片环面不平整，在较大推力作用下引起管片沿环宽方向开裂。
根据以上的原因分析，为防止管片继续出现裂缝，建议施工中可采取如下应对措施:
( 1) 盾构掘进时，适当降低推进速度，加强盾构机姿态的控制。( 2) 加强隧道管片的纠偏量，保证千斤顶与管片断面的垂直度，减小对管片的向外弯矩。( 3) 管片拼装时，控制拼装质量，保证最后一块管片( 封顶块) 的拼装空间，同时在封顶块两侧密封条及与其对应的邻接块密封条上涂抹润滑剂，减少摩阻力，防止止水带凸出环面。( 4) 管片拼装完成后检查管片的环面平整度并采用传力衬垫找平。( 5) 从现场观察看，管片裂缝主要出现在邻接块，应尽快检查管片封顶块与邻接块的制作精度;千斤顶撑靴与管片端面是否垂直、中心是否重合。
参考文献：
［1］胡如军，朱伟．盾构隧道管片的设计计算方法［M］．河海大学学报，2001，29( 增) : 182-185．
［2］韩士钊．盾构隧道管片裂缝产生原因分析及处理措施［J］．辽宁:西部探矿工程，2010．
［3］日本土木学会．朱伟，译．隧道标准规范( 盾构篇) 及解说［M］．北京:中国建筑工业出版社，2001．
［4］项兆池，楼如岳，傅德明．最新泥水盾构技术［M］．上海:上海隧道工程股份有限公司，2001
［5］日本土木学会．盾构隧道管片设计［M］．官林星译．北京:中国建筑工业出版社，2013．