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關(guān)于地鐵預(yù)制混凝土盾構(gòu)管片裂縫產(chǎn)生原因及防治

1 盾構(gòu)管片混凝土裂縫產(chǎn)生機理

盾構(gòu)隧道是重大工程，擔當支護結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)管片一般為高性能混凝土和高強混凝土，但即便如此，由于種種原因，在管片制作、隧道施工和運營期間，管片也經(jīng)常會出現(xiàn)微裂縫甚至可見裂縫的現(xiàn)象。影響裂縫產(chǎn)生的因素很多，近年來，許多學者著眼于裂縫對盾構(gòu)管片產(chǎn)生的一系列不良影響，對管片出現(xiàn)裂縫的原因和機理進行了系統(tǒng)性研究，并取得了一些有意義的研究成果。林楠[11]、伍振志[12]等認為根據(jù)形成原因，管片裂縫可分為2類：變形引起的裂縫、由應(yīng)力（包括直接應(yīng)力和次應(yīng)力）引起的裂縫。很多學者則認為裂縫的出現(xiàn)與管片的工作進程密不可分，一般將裂縫分為3類：生產(chǎn)裂縫、施工裂縫及運營裂縫。

1.1 生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的裂縫

在預(yù)制工廠生產(chǎn)管片時，由于在混凝土組成材料中水的密度最小，受到振搗棒工作時的擠壓應(yīng)力作用后，混凝土中的水分容易往模具側(cè)板和管片側(cè)面結(jié)合處移動并停留，造成混凝土凝結(jié)硬化時表面產(chǎn)生塑性收縮，出現(xiàn)表面微裂紋。再加上自重和振搗力的作用，混凝土中粗骨料下沉，水泥漿體上浮，混凝土均勻性會變差，也會導(dǎo)致裂縫的萌生和擴展[13]。例如，廣州地鐵1號線部分路段和新加坡地鐵的某個盾構(gòu)區(qū)段出現(xiàn)了嚴重的網(wǎng)格裂縫。

另外，盾構(gòu)管片周圍環(huán)境條件（如溫度和濕度）的改變也會造成混凝土管片出現(xiàn)裂縫。當混凝土內(nèi)部和外表面存在較大的溫度差異時，會影響到水泥的水化速度，使水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)力不夠均勻，易出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力。而此時的混凝土尚未終凝，形成的凝聚結(jié)構(gòu)連接力較小，在溫度應(yīng)力的作用下，易產(chǎn)生砂漿裂縫。同理，當空氣中濕度較小時，混凝土表面水的蒸發(fā)速度遠大于內(nèi)部水的泌出速度，從而出現(xiàn)較明顯的收縮裂縫[14]。如廣州地鐵2號線和新加坡地鐵某盾構(gòu)區(qū)間有個別管片就出現(xiàn)了嚴重的網(wǎng)格狀開裂[15]。

1.2 隧道施工過程中產(chǎn)生的裂縫

在運輸和安裝過程中，盾構(gòu)管片的邊緣易受到碰撞導(dǎo)致破損和裂縫，在盾構(gòu)千斤頂推力的作用下，箱型管片也很容易被頂裂。管片襯砌為預(yù)制構(gòu)件，在吊裝、運輸、盾構(gòu)機掘進再到管片拼裝的整個過程中，管片邊緣不可避免的會受到外力和機械的擠壓和碰撞作用，因此管片的邊角破損現(xiàn)象時有發(fā)生[16]。另一方面，盾構(gòu)管片除了作為隧道的支護結(jié)構(gòu)，同時還發(fā)揮著為盾構(gòu)施工中的行進、轉(zhuǎn)彎提供反力的作用，當千斤頂推力與管片之間成一定角度時，管片會出現(xiàn)附加彎矩，造成某些部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，引起管片開裂[17-18]。另外，脫環(huán)過程中盾尾的擠壓也可能造成管片錯臺，甚至開裂[19]。這些施工因素引起的襯砌損傷看似微小，但在襯砌出現(xiàn)經(jīng)年劣化后則可能引發(fā)重大問題。

如我國廣州地鐵1號線、2號線在某區(qū)間隧道中部發(fā)現(xiàn)了混凝土管片的開裂，位于拱頂?shù)拈_裂則比較嚴重，且90%的裂縫分布方向與盾構(gòu)推進方向極其相關(guān)。瑞士Sorenberg內(nèi)燃氣隧道盾構(gòu)管片用Bekaert鋼纖維混凝土制作，開始掘進地段的管片拼裝出盾尾后開裂較嚴重[20-21]。2009年深圳地鐵一期工程7標段華-崗區(qū)間盾構(gòu)隧道在掘進過程中，在管片的外弧面、邊角和環(huán)向螺栓孔處均發(fā)現(xiàn)了混凝土破裂問題。由此可見，隧道在施工過程中各種外力和機械作用對混凝土管片裂縫擴展的影響是不可忽視的。

1.3 地鐵運營期間產(chǎn)生的裂縫

襯砌混凝土開裂是地鐵隧道中最為常見的病害形式，在地鐵隧道運營期間，作為地鐵隧道最重要的支護結(jié)構(gòu)，混凝土管片在荷載作用下也會萌生各種裂縫[22]。另外，盾構(gòu)管片服役的地下環(huán)境比較復(fù)雜，周圍環(huán)境條件（包括溫度、濕度、酸堿度）改變可能會使管片承受一定的附加應(yīng)力，加上基礎(chǔ)變形、碳化收縮和鋼筋銹蝕膨脹等均會使管片出現(xiàn)裂縫[23]。如2009年上海市軌道交通11號線某區(qū)間隧道出現(xiàn)了破損現(xiàn)象，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是盾構(gòu)管片被臨近施工的京滬高鐵PC樁所擊穿[24]。2011年7月，杭州地鐵1號線湖濱站-龍翔橋站區(qū)間左線隧道管片被西湖大道綜合整理項目地質(zhì)勘查鉆孔打穿[25]。

針對地鐵運營期間盾構(gòu)管片出現(xiàn)的裂損問題，相關(guān)人員采用現(xiàn)場實測和理論分析的方法對管片開裂現(xiàn)象進行了研究。楊旭等[26]對運營中的南京地鐵盾構(gòu)隧道斷面實測值進行了曲線擬合，對隧道斷面各管片的應(yīng)力狀態(tài)進行了判斷，解釋了隧道管片出現(xiàn)裂縫的內(nèi)在原因，為盾構(gòu)隧道的運營維護提供了依據(jù)。針對西安地鐵某區(qū)間隧道涌水事故對管片的危害，賴金星等[27]的研究表明，由于涌水會造成管片受力不均，應(yīng)力集中導(dǎo)致管片裂縫萌生且發(fā)展迅速。羅勇[28]基于斷裂力學對隧道管片結(jié)構(gòu)的開裂機理和控制方法進行了研究。董飛[29]根據(jù)北京地鐵隧道病害檢測結(jié)果，分析了運營時間對隧道開裂狀態(tài)的影響。結(jié)果表明，引起盾構(gòu)隧道病害的源頭在于管片接縫的變形，并改變了盾構(gòu)斷面的形態(tài)，導(dǎo)致管片被壓潰，并引起隧道出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

由上可見，與對管片制作和施工期間裂縫的關(guān)注度相比，目前對運營過程中管片裂縫規(guī)律的研究相對較少，已有的研究多集中于對裂縫的現(xiàn)場檢測與理論分析相結(jié)合，尚缺乏由于多種附加荷載引起的管片裂縫的研究。因此，對在隧道運營期間出現(xiàn)的盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)損傷問題的研究必須提上日程，并給予更多關(guān)注。

2 盾構(gòu)管片裂縫控制技術(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工控制

研究表明，雖然目前的技術(shù)暫時無法做到使混凝土不出現(xiàn)裂縫，但在一定程度上可以對裂縫進行控制[30-31]。由于引起盾構(gòu)管片開裂的因素錯綜復(fù)雜，因此對管片混凝土裂縫控制問題的研究始終是隧道工程中的熱點和難點。基于此，國內(nèi)外根據(jù)混凝土使用環(huán)境的不同，對相應(yīng)的最大允許裂縫寬度出臺了相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，并試圖通過調(diào)控原材料、精準設(shè)計和安全施工這3個方面達到在一定程度上抑制混凝土開裂的目的[32]。在此方面，王新剛分析了管片裂縫產(chǎn)生的原因，將管片裂縫分為收縮裂縫、溫度裂縫和不均勻沉降裂縫，并有針對性地提出了裂縫控制的措施與方法。張翯提出應(yīng)加強對管片生產(chǎn)和隧道施工中各個環(huán)節(jié)的管理，選擇合適的原材料，確保管片成型質(zhì)量，注意混凝土養(yǎng)護時間；嚴格控制管片在工廠內(nèi)的倒運和堆放；根據(jù)掘進情況適時調(diào)整盾構(gòu)機姿態(tài)，注意管片拼裝順序，加強質(zhì)量控制，避免管片錯臺現(xiàn)象。

與以上研究類似，彭波[33]、Bentz[34]、高鐘偉[35]等認為必須從優(yōu)選原材料入手，加強配合比優(yōu)化設(shè)計，從而在源頭上降低混凝土開裂風險。研究認為采用水化熱低的水泥可以有效降低裂縫出現(xiàn)的概率，適當加入粉煤灰和礦渣等活性礦物摻合料可使早期水化熱大幅降低，進而達到減少裂縫的目的。也有一些學者[36-38]認為可以從完善結(jié)構(gòu)設(shè)計和提高施工技術(shù)的角度入手，從合理設(shè)置后澆帶、適當降低入模溫度及對混凝土進行保溫養(yǎng)護等方面降低混凝土開裂。R.I.Gilbert[39]研究了混凝土早期冷卻收縮約束裂縫的控制方法，從實際鋼筋混凝土構(gòu)件約束程度的角度，給出了控制早期開裂所需配筋量的合理程序。

2.2 原材料控制

資料表明，很多混凝土的開裂發(fā)生在非常早的齡期[40]，而且屬于變形變化引起的非結(jié)構(gòu)性裂縫占到80%左右[41-42]。針對混凝土出現(xiàn)的早期開裂問題，Lee[43]、巴恒靜[44]等通過抗裂性試驗，將混凝土中摻入硅灰、粉煤灰、礦渣粉后的早期開裂性能與基準混凝土進行了比較，研究結(jié)果表明，礦物摻合料顆粒與水泥顆粒的良好匹配可改善新拌混凝土的工作性，提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實度，進而降低開裂風險。楊楊[45]等利用溫度-應(yīng)力試驗機研究了粉煤灰摻量對混凝土早期抗裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為40%時，其早期裂紋數(shù)量最少。有學者則通過在混凝土中添加纖維材料限制其收縮裂縫的發(fā)展，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合纖維能有效減少收縮裂縫[46]。有些學者發(fā)現(xiàn)摻入外加劑也可以提高混凝土早期抗裂性[47]。

針對混凝土中出現(xiàn)的溫度裂縫，王鐵夢[48]對多年工程實踐中出現(xiàn)的混凝土開裂現(xiàn)象進行了總結(jié)，并提出了一套解決溫度應(yīng)力的方法—“抗”“放”結(jié)合法，此方法已被應(yīng)用于國內(nèi)很多大型工程。Ming Li[49]的研究認為混凝土水化產(chǎn)生的峰值溫度與周圍環(huán)境的溫差是導(dǎo)致管片混凝土主體結(jié)構(gòu)早期開裂的關(guān)鍵因素，自收縮會增加裂縫的風險。Jianda Xin[50]通過試驗研究了溫度歷史和約束程度對早期混凝土開裂行為的影響，結(jié)果表明在不同的溫度歷史條件下，混凝土的開裂電位大小存在顯著差異。He Zhu[51]的研究表明由溫度和/或收縮引起的約束裂紋的破壞行為不同于直接拉伸破壞，當約束拉應(yīng)力超過直接拉應(yīng)力的76%時，混凝土將發(fā)生開裂。

混凝土是典型的脆性材料，許多學者嘗試將纖維摻入混凝土管片中以提高其韌性，與此同時混凝土抗裂性也得到了大幅改善。西方國家對纖維混凝土技術(shù)的理論和實踐研究開展較早，并在地鐵工程中廣泛應(yīng)用了纖維混凝土管片[52]。我國北京地鐵10號線已嘗試應(yīng)用混雜纖維混凝土管片技術(shù)，上海M6地鐵線建設(shè)了50m的鋼纖維混凝土管片試驗段[53-54]。徐源[55]研究了玄武巖纖維高性能地鐵管片性能的影響，結(jié)果表明玄武巖纖維摻入混凝土中后，對抗拉和抗折強度影響不大，但顯著地提高了水泥混凝土的抗沖擊韌性，進而提高了管片抗裂性。

由此可見，國內(nèi)外眾多學者從裂縫產(chǎn)生的原因入手，基于盾構(gòu)管片所受荷載情況和服役狀態(tài)，從多方面對裂縫控制技術(shù)進行了探索。

3 盾構(gòu)管片裂縫治理技術(shù)

3.1 裂縫修補技術(shù)

盡管國內(nèi)外學者根據(jù)管片裂縫產(chǎn)生的原因提出了多種控制開裂的方法，但由于材料、澆筑、施工等多方面不可控因素，盾構(gòu)管片的開裂現(xiàn)象仍是愈演愈烈。因此，各大城市的軌道交通、地鐵建設(shè)對混凝土裂縫修補材料有了迫切需求。為提升混凝土管片服役壽命，國內(nèi)外研究人員對混凝土裂縫修復(fù)材料進行了研發(fā)，其中化學灌漿技術(shù)受到廣大學者和技術(shù)研究人員的青睞。化學灌漿是利用化學灌漿泵等壓力設(shè)備，將一定的化學物質(zhì)配制成真溶液，注入地層或裂隙中，使其擴散、凝結(jié)或凝固的一種混凝土修補技術(shù)[56]。

在管片裂縫修補方面，黃惠民[57]根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)、裂縫及滲漏水情況研究了化學灌漿材料，認為聚氨酯樹脂具有良好的水活性和滲透力，能抵抗地下各種水的腐蝕；環(huán)氧樹脂比混凝土自身有更高的強度，具有很好的粘合力。葉嬌鳳[58]對修補材料的配合比進行了優(yōu)化，王建輝等[59]采用聚氨酯材料對盾構(gòu)管片進行了修補，結(jié)果表明經(jīng)修補后的管片抗?jié)B性較基體要好，但抗壓和抗拉強度有明顯的降低。

3.2 管片加固技術(shù)

針對已發(fā)生的管片破損，石太偉[60]基于某地鐵盾構(gòu)隧道破損工程實例，對隧道破損機理進行了分析，在此基礎(chǔ)上開展了管片加固設(shè)計工作。研究分析了該地鐵盾構(gòu)隧道病害產(chǎn)生的主要原因，并提出盾構(gòu)隧道加固設(shè)計應(yīng)遵循“先急后緩，里外兼修”的原則，執(zhí)行剛度、耐久性修復(fù)標準，并滿足后期運營結(jié)構(gòu)安全性及耐久性要求。劉庭金[61]對上海地鐵某區(qū)間盾構(gòu)管片襯砌實施了粘鋼加固方案，利用有限元軟件對粘鋼加固盾構(gòu)隧道襯砌的承載性能和破壞機理進行了分析。以此為基礎(chǔ)，對廣州地鐵盾構(gòu)管片加固效果進行了模擬與評價，研究認為粘鋼加固可顯著提高盾構(gòu)管片的承載力。

由以上可見，針對混凝土管片裂縫修補的研究較多，但目前研究中尚存在一個普遍問題，即開裂的地鐵盾構(gòu)管片經(jīng)修補或加固后，其在復(fù)雜的地下服役環(huán)境中是否存在耐久性劣化，其劣化規(guī)律如何，對此方面的研究仍比較少。地鐵管片長期處于地下潮濕環(huán)境中，而經(jīng)裂縫修復(fù)后的管片耐久性優(yōu)劣直接決定著隧道的安全，對此方面應(yīng)給予更多關(guān)注。

結(jié) 語

由于服役環(huán)境的復(fù)雜性，地鐵盾構(gòu)管片產(chǎn)生的裂縫問題已吸引大量科研工作者對其進行了多方面研究和探索，也取得了一些有意義的研究成果。目前的研究多集中在裂縫產(chǎn)生機理分析、裂縫控制及修補技術(shù)等方面，但還存在一些不足，具體有以下幾個方面：

（1）基于混凝土材料的復(fù)雜性，在工程中混凝土的裂縫是不可避免的。盡管盾構(gòu)管片均埋置于土下，但不同區(qū)域的環(huán)境作用不盡相同，管片不同部位所受荷載作用更是存在較大差異。因此，需針對具體工程條件對管片裂縫進行具體分析，使提出的防治措施更具針對性和系統(tǒng)性。

（2）混凝土配合比設(shè)計是確保管片混凝土抗裂性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于混凝土材料自身的復(fù)雜性，加上不同學者的關(guān)注點和研究目標存在差異，目前學術(shù)界對管片裂縫成因、發(fā)展及對結(jié)構(gòu)的影響的研究深度并不均一。對抗裂機理的相關(guān)研究目前主要通過試驗分析，遠未上升到理論層面。

（3）目前有關(guān)盾構(gòu)管片裂縫修復(fù)技術(shù)的研究仍處于基于現(xiàn)場檢測與系統(tǒng)綜合評價相結(jié)合的定性評判階段，對修補后的管片耐久性能關(guān)注較少。因此，裂縫修補狀態(tài)下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能及其健康狀態(tài)的定量評估方面還需開展大量的工作。

（責任編輯：何雯麗）