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。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。

内容来源：混凝土与水泥制品集成服务商

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