地铁混凝土盾构管片裂缝防治技术研究进展

引言随着我国城市交通建设的大力发展，地铁工程已成为许多大中型城市基础建设的重要组成部分。盾构法具有自动化施工技术先进、对地面交通无影响、无气候限制等优点，已成为城市地铁隧道和大直径地下设施的主要施工方法[1]。盾构隧道是一项具有100年设计基准期的重大工程，对地铁支护结构在安全性、适用性和耐久性方面也提出了较高的要求[2-3]。钢筋混凝土管片是地铁盾构隧道中的主要支护结构，由于其始终埋于土层中，服役环境复杂，耐久性影响环境十分恶劣，经常出现渗漏水、衬砌混凝土开裂、钢筋锈蚀等病害[4]。很多因素都会对盾构隧道的质量产生影响，但在这些因素中，裂缝对管片质量的影响最大，是盾构隧道管片病害中最突出的问题[5]。在运输过程中，盾构管片的边缘易受到碰撞作用引起破损，安装过程中就会出现裂缝，再加上盾构千斤顶推力的作用，管片又很容易被顶裂。后期服役过程中，管片受到机车行驶产生的振动后，原有裂缝体系又会继续扩展[6]。开裂不仅会降低混凝土管片的强度和稳定性，更破坏了支护结构的完整性和抗渗透性，显著降低支护结构的承载能力。由于地下环境中的腐蚀介质较一般大气环境更为复杂，当裂缝体系达到一定规模后，环境中腐蚀性介质会加速侵入混凝土，导致盾构管片性能加速劣化，耐久性显著降低[7]，危及地铁正常运行。大多数混凝土耐久性劣化因裂缝而起，盾构管片也不例外。从某种意义上讲，关闭了混凝土裂缝即是将腐蚀介质挡在了门外，因此抗裂成为提高盾构管片适用性和耐久性以及保证盾构隧道安全性的关键手段。但是实际上，根据很多学者对混凝土的开裂机理分析和工程实践的研究成果可以发现，使混凝土完全避免出现裂缝是难以实现的[8]。混凝土裂缝及渗漏水等不仅决定着管片的外观优劣，更给地铁结构的安全性带来严重影响[9]。对开裂问题的研究可以追溯到上世纪三四十年代[10]，最近几十年随着地铁工程的大量新建，盾构管片的耐久性问题也越发受到技术人员和学者们的关注，管片的裂缝问题引起了更广泛的重视。针对盾构管片在制作、施工、服役中的裂缝防治问题，国内外学者开展了一系列探索性研究，并得出了诸多有意义的结论。本文从裂缝产生机理、抗裂性试验及裂缝控制与治理等方面梳理了近年来盾构管片混凝土裂缝的试验和理论研究成果，探讨了地铁盾构管片裂缝修补与防治研究中存在的问题，旨在为后续研究提供借鉴与参考。1、盾构管片混凝土裂缝产生机理

盾构隧道是重大工程，担当支护结构的盾构管片一般为高性能混凝土和高强混凝土，但即便如此，由于种种原因，在管片制作、隧道施工和运营期间，管片也经常会出现微裂缝甚至可见裂缝的现象。影响裂缝产生的因素很多，近年来，许多学者着眼于裂缝对盾构管片产生的一系列不良影响，对管片出现裂缝的原因和机理进行了系统性研究，并取得了一些有意义的研究成果。林楠[11]、伍振志[12]等认为根据形成原因，管片裂缝可分为2类：变形引起的裂缝、由应力（包括直接应力和次应力）引起的裂缝。很多学者则认为裂缝的出现与管片的工作进程密不可分，一般将裂缝分为3类：生产裂缝、施工裂缝及运营裂缝。

1.1生产过程中产生的裂缝在预制工厂生产管片时，由于在混凝土组成材料中水的密度最小，受到振捣棒工作时的挤压应力作用后，混凝土中的水分容易往模具侧板和管片侧面结合处移动并停留，造成混凝土凝结硬化时表面产生塑性收缩，出现表面微裂纹。再加上自重和振捣力的作用，混凝土中粗骨料下沉，水泥浆体上浮，混凝土均匀性会变差，也会导致裂缝的萌生和扩展[13]。例如，广州地铁1号线部分路段和新加坡地铁的某个盾构区段出现了严重的网格裂缝。另外，盾构管片周围环境条件（如温度和湿度）的改变也会造成混凝土管片出现裂缝。当混凝土内部和外表面存在较大的温度差异时，会影响到水泥的水化速度，使水泥水化产生的胶结力不够均匀，易出现较大的温度应力。而此时的混凝土尚未终凝，形成的凝聚结构连接力较小，在温度应力的作用下，易产生砂浆裂缝。同理，当空气中湿度较小时，混凝土表面水的蒸发速度远大于内部水的泌出速度，从而出现较明显的收缩裂缝[14]。如广州地铁2号线和新加坡地铁某盾构区间有个别管片就出现了严重的网格状开裂[15]。

1.2隧道施工过程中产生的裂缝在运输和安装过程中，盾构管片的边缘易受到碰撞导致破损和裂缝，在盾构千斤顶推力的作用下，箱型管片也很容易被顶裂。管片衬砌为预制构件，在吊装、运输、盾构机掘进再到管片拼装的整个过程中，管片边缘不可避免的会受到外力和机械的挤压和碰撞作用，因此管片的边角破损现象时有发生[16]。另一方面，盾构管片除了作为隧道的支护结构，同时还发挥着为盾构施工中的行进、转弯提供反力的作用，当千斤顶推力与管片之间成一定角度时，管片会出现附加弯矩，造成某些部位出现应力集中现象，引起管片开裂[17-18]。另外，脱环过程中盾尾的挤压也可能造成管片错台，甚至开裂[19]。这些施工因素引起的衬砌损伤看似微小，但在衬砌出现经年劣化后则可能引发重大问题。如我国广州地铁1号线、2号线在某区间隧道中部发现了混凝土管片的开裂，位于拱顶的开裂则比较严重，且90%的裂缝分布方向与盾构推进方向极其相关。瑞士Sorenberg内燃气隧道盾构管片用Bekaert钢纤维混凝土制作，开始掘进地段的管片拼装出盾尾后开裂较严重[20-21]。2009年深圳地铁一期工程7标段华-岗区间盾构隧道在掘进过程中，在管片的外弧面、边角和环向螺栓孔处均发现了混凝土破裂问题。由此可见，隧道在施工过程中各种外力和机械作用对混凝土管片裂缝扩展的影响是不可忽视的。

1.3地铁运营期间产生的裂缝衬砌混凝土开裂是地铁隧道中最为常见的病害形式，在地铁隧道运营期间，作为地铁隧道最重要的支护结构，混凝土管片在荷载作用下也会萌生各种裂缝[22]。另外，盾构管片服役的地下环境比较复杂，周围环境条件（包括温度、湿度、酸碱度）改变可能会使管片承受一定的附加应力，加上基础变形、碳化收缩和钢筋锈蚀膨胀等均会使管片出现裂缝[23]。如2009年上海市轨道交通11号线某区间隧道出现了破损现象，经调查发现是盾构管片被临近施工的京沪高铁PC桩所击穿[24]。2011年7月，杭州地铁1号线湖滨站-龙翔桥站区间左线隧道管片被西湖大道综合整理项目地质勘查钻孔打穿[25]。针对地铁运营期间盾构管片出现的裂损问题，相关人员采用现场实测和理论分析的方法对管片开裂现象进行了研究。杨旭等[26]对运营中的南京地铁盾构隧道断面实测值进行了曲线拟合，对隧道断面各管片的应力状态进行了判断，解释了隧道管片出现裂缝的内在原因，为盾构隧道的运营维护提供了依据。针对西安地铁某区间隧道涌水事故对管片的危害，赖金星等[27]的研究表明，由于涌水会造成管片受力不均，应力集中导致管片裂缝萌生且发展迅速。罗勇[28]基于断裂力学对隧道管片结构的开裂机理和控制方法进行了研究。董飞[29]根据北京地铁隧道病害检测结果，分析了运营时间对隧道开裂状态的影响。结果表明，引起盾构隧道病害的源头在于管片接缝的变形，并改变了盾构断面的形态，导致管片被压溃，并引起隧道出现渗漏水现象。由上可见，与对管片制作和施工期间裂缝的关注度相比，目前对运营过程中管片裂缝规律的研究相对较少，已有的研究多集中于对裂缝的现场检测与理论分析相结合，尚缺乏由于多种附加荷载引起的管片裂缝的研究。因此，对在隧道运营期间出现的盾构管片结构损伤问题的研究必须提上日程，并给予更多关注。2、盾构管片裂缝控制技术

2.1结构设计和施工控制研究表明，虽然目前的技术暂时无法做到使混凝土不出现裂缝，但在一定程度上可以对裂缝进行控制[30-31]。由于引起盾构管片开裂的因素错综复杂，因此对管片混凝土裂缝控制问题的研究始终是隧道工程中的热点和难点。基于此，国内外根据混凝土使用环境的不同，对相应的最大允许裂缝宽度出台了相应的设计规范，并试图通过调控原材料、精准设计和安全施工这3个方面达到在一定程度上抑制混凝土开裂的目的[32]。在此方面，王新刚分析了管片裂缝产生的原因，将管片裂缝分为收缩裂缝、温度裂缝和不均匀沉降裂缝，并有针对性地提出了裂缝控制的措施与方法。张翯提出应加强对管片生产和隧道施工中各个环节的管理，选择合适的原材料，确保管片成型质量，注意混凝土养护时间；严格控制管片在工厂内的倒运和堆放；根据掘进情况适时调整盾构机姿态，注意管片拼装顺序，加强质量控制，避免管片错台现象。与以上研究类似，彭波[33]、Bentz[34]、高钟伟[35]等认为必须从优选原材料入手，加强配合比优化设计，从而在源头上降低混凝土开裂风险。研究认为采用水化热低的水泥可以有效降低裂缝出现的概率，适当加入粉煤灰和矿渣等活性矿物掺合料可使早期水化热大幅降低，进而达到减少裂缝的目的。也有一些学者[36-38]认为可以从完善结构设计和提高施工技术的角度入手，从合理设置后浇带、适当降低入模温度及对混凝土进行保温养护等方面降低混凝土开裂。R.I.Gilbert[39]研究了混凝土早期冷却收缩约束裂缝的控制方法，从实际钢筋混凝土构件约束程度的角度，给出了控制早期开裂所需配筋量的合理程序。

2.2原材料控制资料表明，很多混凝土的开裂发生在非常早的龄期[40]，而且属于变形变化引起的非结构性裂缝占到80%左右[41-42]。针对混凝土出现的早期开裂问题，Lee[43]、巴恒静[44]等通过抗裂性试验，将混凝土中掺入硅灰、粉煤灰、矿渣粉后的早期开裂性能与基准混凝土进行了比较，研究结果表明，矿物掺合料颗粒与水泥颗粒的良好匹配可改善新拌混凝土的工作性，提高混凝土结构的密实度，进而降低开裂风险。杨杨[45]等利用温度-应力试验机研究了粉煤灰掺量对混凝土早期抗裂性能的影响，发现粉煤灰掺量为40%时，其早期裂纹数量最少。有学者则通过在混凝土中添加纤维材料限制其收缩裂缝的发展，结果发现混合纤维能有效减少收缩裂缝[46]。有些学者发现掺入外加剂也可以提高混凝土早期抗裂性[47]。针对混凝土中出现的温度裂缝，王铁梦[48]对多年工程实践中出现的混凝土开裂现象进行了总结，并提出了一套解决温度应力的方法—“抗”“放”结合法，此方法已被应用于国内很多大型工程。MingLi[49]的研究认为混凝土水化产生的峰值温度与周围环境的温差是导致管片混凝土主体结构早期开裂的关键因素，自收缩会增加裂缝的风险。JiandaXin[50]通过试验研究了温度历史和约束程度对早期混凝土开裂行为的影响，结果表明在不同的温度历史条件下，混凝土的开裂电位大小存在显著差异。HeZhu[51]的研究表明由温度和/或收缩引起的约束裂纹的破坏行为不同于直接拉伸破坏，当约束拉应力超过直接拉应力的76%时，混凝土将发生开裂。

混凝土是典型的脆性材料，许多学者尝试将纤维掺入混凝土管片中以提高其韧性，与此同时混凝土抗裂性也得到了大幅改善。西方国家对纤维混凝土技术的理论和实践研究开展较早，并在地铁工程中广泛应用了纤维混凝土管片[52]。我国北京地铁10号线已尝试应用混杂纤维混凝土管片技术，上海M6地铁线建设了50m的钢纤维混凝土管片试验段[53-54]。徐源[55]研究了玄武岩纤维高性能地铁管片性能的影响，结果表明玄武岩纤维掺入混凝土中后，对抗拉和抗折强度影响不大，但显著地提高了水泥混凝土的抗冲击韧性，进而提高了管片抗裂性。由此可见，国内外众多学者从裂缝产生的原因入手，基于盾构管片所受荷载情况和服役状态，从多方面对裂缝控制技术进行了探索。3、盾构管片裂缝治理技术

3.1裂缝修补技术尽管国内外学者根据管片裂缝产生的原因提出了多种控制开裂的方法，但由于材料、浇筑、施工等多方面不可控因素，盾构管片的开裂现象仍是愈演愈烈。因此，各大城市的轨道交通、地铁建设对混凝土裂缝修补材料有了迫切需求。为提升混凝土管片服役寿命，国内外研究人员对混凝土裂缝修复材料进行了研发，其中化学灌浆技术受到广大学者和技术研究人员的青睐。化学灌浆是利用化学灌浆泵等压力设备，将一定的化学物质配制成真溶液，注入地层或裂隙中，使其扩散、凝结或凝固的一种混凝土修补技术[56]。在管片裂缝修补方面，黄惠民[57]根据隧道结构、裂缝及渗漏水情况研究了化学灌浆材料，认为聚氨酯树脂具有良好的水活性和渗透力，能抵抗地下各种水的腐蚀；环氧树脂比混凝土自身有更高的强度，具有很好的粘合力。叶娇凤[58]对修补材料的配合比进行了优化，王建辉等[59]采用聚氨酯材料对盾构管片进行了修补，结果表明经修补后的管片抗渗性较基体要好，但抗压和抗拉强度有明显的降低。

3.2管片加固技术针对已发生的管片破损，石太伟[60]基于某地铁盾构隧道破损工程实例，对隧道破损机理进行了分析，在此基础上开展了管片加固设计工作。研究分析了该地铁盾构隧道病害产生的主要原因，并提出盾构隧道加固设计应遵循“先急后缓，里外兼修”的原则，执行刚度、耐久性修复标准，并满足后期运营结构安全性及耐久性要求。刘庭金[61]对上海地铁某区间盾构管片衬砌实施了粘钢加固方案，利用有限元软件对粘钢加固盾构隧道衬砌的承载性能和破坏机理进行了分析。以此为基础，对广州地铁盾构管片加固效果进行了模拟与评价，研究认为粘钢加固可显著提高盾构管片的承载力。由以上可见，针对混凝土管片裂缝修补的研究