盾构隧道结构健康与安全的影响因素分析

赵样平，宋金良

(1.广州市第三市政工程有限公司，广东广州510060;2.广州大学土木工程学院，广东广州510006)

随着经济的发展，由于交通运输的需要，大量的地铁及客运专线都在规划中或投入建设当中。为了不影响地面环境，地铁和客运专线的开挖方式基本采用暗挖法施工，而盾构开挖就是其中比较常见的一种开挖方式。盾构隧道是由衬砌和围岩共同承受外界的一些载荷。盾构隧道由设计到施工到投入运营的过程中衬砌结构的健康与安全受到很多因素的影响，而目前关于这方面的研究还不太全面。本文从设计、施工、材料、环境、外力等方面综合分析了其对隧道衬砌结构健康与安全的影响。

1 设计方面的影响因素

盾构隧道为了满足列车的正常运行和旅客的安全心理需要，衬砌应该可以承受围岩压力和其它外力(如地震力、围岩上部行车荷载等)，使之不产生过大变形或者裂缝。而衬砌是由管片拼装而成，研究表明:管片设计的厚度、拼装方式等对盾构隧道受力和变形会产生影响。

(1)通缝拼装由于具有施工容易、施工效率高的优点而为很多施工单位所青睐;错缝方式的结构优越性使得大多数盾构隧道工程均倾向于这一方式。通缝和错缝之间的区别从本质上讲是一个管片环整体刚度上的差异。错缝的存在，使得管片环之间的螺栓可以发挥纵向加强作用，使得管片间接头处的薄弱部位得到加强从而增加了管片环整体的刚度［1］～［4］。

(2)管片厚度是盾构法隧道设计中的一项重要参数，其取值大小不仅影响隧道的造价，而且还直接影响着隧道受力及使用性能。新干线1∶30比例的衬砌模型，试验荷载位移曲线表明，拱部厚度不同时，其承载力的变化是很大的。在同样位移条件下，如满足设计厚度的承载力为1，则衬砌厚度为设计厚度的3/4时，其承载力为0.4;衬砌厚度为设计厚度的1/2时，仅为1/12［5］。但当取用薄的管片厚度，对隧道衬砌结构的防水要求会更加严格，对隧道结构耐久性也有不利的影响。管片也不是越厚越好，一是厚度对工程造价产生影响，二是厚度会对管片接头产生一定的作用，所以管片厚度的选择要综合考虑比较得出最优的厚度。

从上面分析中可以知道，通缝在施工上较错缝有优势，错缝在结构受力上较通缝有优势;管片厚度对隧道受力和隧道防水会产生一定的影响。隧道在结构检查中要加强管片厚度监测，如发现管片厚度存在变化，需进行安全评估并在必要时采取一定的处理措施。

2 施工方面的影响因素

施工方面诸如衬砌或管片外空洞、管片拼装质量、防水作业质量等都会对隧道结构产生一定的影响。本文主要考虑管片外空洞对隧道结构的影响。我们知道，空洞的存在会造成盾构偏压，无支护的空洞经年累月有可能会松弛，剥落从而冲击衬砌。空洞对结构承载力的影响主要从空洞尺寸、形状和有无回填及回填物类别等方面来考虑。

2.1 空洞尺寸对衬砌内力的影响

空洞的存在，使衬砌承载力降低。如新干线1∶30比例的衬砌模型试验结果表明［5］:同样厚度的衬砌背后有空洞，其承载力在同样位移(U=2 mm)的条件下，有空洞时降低到无空洞的1/3以下。承载力的大小和空洞的尺寸关系还需做更多研究(新干线1∶30比例的衬砌模型试验结果表明［5］，比较背后60°和120°空洞范围，背后空洞越大，最终承载力越低，但差异不大，两者相差12%左右;而文献［6］研究表明对于竖直应力作用为主的地应力场，产生病害时对应的竖直荷载高低排序为，无缺陷时最高，小范围空洞次之，大范围空洞再次之，中等空洞最低)。

2.2 空洞的几何形状对衬砌内力的影响

对比衬砌背后有矩形与弧形空洞，研究发现，矩形与弧形空洞对应力重分布的影响基本相同，说明空洞的几何形状对衬砌围岩压力重分布影响不明显［7］。

2.3 空洞有无回填和回填材料对衬砌内力的影响

新干线1∶30比例的衬砌模型试验结果(荷载位移曲线)表明:背后空洞范围60°时，有无回填与用硬质材料，软质材料回填相比，如果用硬质材料回填时的承载力为1，则用软质材料回填时的承载力为0.8，而不回填的仅为0.1左右［5］。

由上述文献可以看出空洞的存在对隧道的结构受力会产生一定的影响，影响的大小视具体情况有所不同。在实际地层中不可避免的存在某些空洞(如岩溶地区等)，或者由于施工超挖，注浆量又不足导致衬砌后空洞。空洞的存在虽然可能对结构暂时没有损害，但是从长远来看是不利的，诸如水土流失导致空洞范围扩大，空洞上方土体剥落冲击衬砌等。所以在隧道施工或养护阶段要注意检查是否衬砌背后存在空洞，一经发现，采取背后注浆方式除去空洞。

3 材料方面的影响因素

盾构隧道材料诸如钢筋、混凝土的性能影响衬砌的整体性能。其中混凝土的裂缝问题在隧道建设中有着重要的地位，处理不当将引起混凝土保护层剥落及钢筋锈蚀，使钢筋混凝土强度和刚度削弱降低，影响结构的耐久性甚至会影响结构的正常使用。

3.1 混凝土收缩裂缝

由于水分蒸发和浆体收缩产生的混凝土裂缝基本上是收缩应力大于混凝土的抗拉强度而引起。包括:塑性收缩裂缝、水化反应收缩裂缝、表面温差收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自身干缩裂缝等。特点是裂缝主要出现在混凝土硬化阶段，裂缝的形成、出现与发展是在较长时间内完成的。产生原因是混凝土坍落度、水泥细度、砂率过大，粉剂含量高，骨料用量少且粒径较小;大体积混凝土水泥水化热导致混凝土内部温度较高，当混凝土的表面温度与气温相差过大时会产生温差收缩裂缝。

3.2 钢筋腐蚀

一般情况下，混凝土孔溶液的pH在12～13，属于高碱性环境，埋置在混凝土中的钢筋表面发生电化学反应并形成一层致密的金属氧化物和氢氧化物的晶体薄膜，其厚度约为(30～60)×10－10m左右，非常有效地阻止了钢筋腐蚀的发生。正是这层钝化膜的存在，使得混凝土中钢筋并不会像放置在潮湿空气中或水中那样容易腐蚀。然而一旦混凝土中的高碱性的钝化环境遭到破坏，即在混凝土中的pH值降低到11时，钢筋的钝化膜就会破裂脱落，其裸露部分很快就会被氧化出现铁锈，钢筋即开始被腐蚀。导致这种情况发生的原因主要有两个:混凝土碳酸化(混凝土中性化)和氯离子侵蚀。

3.3 活性骨料引起的碱－骨料反应

所谓碱－骨料反应是指具有碱活性的粗骨料和水泥或混凝土中的碱起作用，造成混凝土开裂、强度和弹性模量下降、耐久性降低的工程质量问题。原因是当水泥碱含量较高时(超过0.6%)，同时又使用具有碱活性的粗骨料，水泥中碱性氧化物水解后形成的氢氧化钠、氢氧化钾与骨料中的活性氧化硅等起化学反应，生成不断吸水、膨胀、复杂的碱－硅酸凝胶体，在粗骨料界面上明显膨胀，碱－硅酸凝胶体的碱骨料反应发展缓慢，造成早已凝结硬化的水泥石结构破坏、混凝土开裂、物理力学性能劣化、耐久性降低等问题。

4 环境方面影响因素［8］

影响隧道健康与安全的主要环境场合有:CO2对混凝土的碳化作用;地区冬夏温湿度交替;氯化物和各种化学腐蚀环境;杂散电流对钢筋的电腐蚀和意外因素作用等。

(1)混凝土碳化，混凝土碳化使Ca(OH)2减少及混凝土含碱量(碱度)和pH值降低，从而导致混凝土受碳化腐蚀;同时，CO2入渗混凝土保护层后，使钢筋表面钝化膜剥蚀而锈烂。此外，碳化使混凝土收缩，在混凝土表面产生拉应力而出现收缩微裂纹，降低了混凝土的抗渗能力，而钢筋锈胀进一步使混凝土保护层剥落。

(2)高寒地区混凝土冻融，南方夏季温湿度交替循环变化使混凝土开裂而剥落。

(3)电气化地铁中杂散电流对钢筋的电腐蚀。

(4)混凝土道面磨蚀、江中管片因受土层内的砂及地下水流长时期冲刷，使其表面性能劣化。

(5)近年来一些地区的雨中酸度加大、频率增大，酸雨使地下水质受污染，进而引起管片结构腐蚀。

(6)侵蚀性环境中的有害化学离子入渗混凝土的腐蚀作用。工程环境和地下水中的酸、盐介质(C1－和SO42－积聚)以及含硫酸、氯盐的腐蚀性地下水入渗混凝土，与水泥水化物Ca(OH)2反应，使碱度降低，混凝土强度下降;酸性介质入渗，则使酸根离子被吸附到钢筋钝化膜表面而产生破损，从而导致钢筋锈蚀、铁锈体积膨胀，使混凝土保护层胀裂和剥落。

(7)意外因素作用，以隧道内火灾最为常见。火灾对隧道管片的不利影响主要体现在三个方面:一是混凝土爆裂:高强混凝土具有较高的密实度，孔隙率低。隧道一旦发生火灾，混凝土内自由水及化学水蒸发通道不畅，不能及时地逸出，从而产生过高蒸汽分压，导致混凝土爆裂，进而暴露钢筋使钢筋处于不利环境;二是强度下降:高温状态下的混凝土管片的强度将迅速下降。难以抵抗周边荷载;三是微观损伤:火灾中，管片混凝土材料微观结构遭到破坏，内部形成相当多的隐蔽裂缝。

5 外力方面的影响因素

外力方面诸如:列车运行、航道疏浚、隧道邻近施工等都会影响隧道的受力和变形。在隧道外部环境发生改变时，隧道结构也相应的会作出反应，认真分析这些反应是必要的。现分别就外力方面的因素作简要讨论。

5.1 列车运行的影响

列车运行速度对衬砌的影响不大。列车在振动荷载作用下［9］、［10］，轨底、拱顶的最大竖向位移分别为 5 mm、3 mm，边墙的最大水平位移为1 mm。虽然上述研究结论基于的模型不是盾构隧道，但我们可以类比得出高速铁路隧道列车振动响应对盾构隧道衬砌影响是不大的。值得注意的是，上面论文分析的条件是隧道衬砌本身状态良好，假如由于其它原因，隧道已经存在裂缝，甚至错台。那列车运行的影响是值得我们注意的。

5.2 航道疏浚的影响

隧道纵向稳定性影响因素众多，文献［12］结合国内外还不多见的航道疏浚因子对已有隧道的影响做了分析研究。所研究的海底隧道位于第四系地层，隧道盾构段纵断面自然水深为8～14 m，未来航道的规划水深将达到23 m，人工航道开挖的深度为 9 ～ 15 m。数值模拟结果表明［11］、［12］:航道疏浚对隧道纵向产生较大的差异沉降，航道疏浚区域与沉降趋势一致，最大差异沉降达231.5 mm。这么大的差异对隧道衬砌接头是不利的，会影响隧道内轨道和管道的安全。

5.3 隧道邻近施工

隧道邻近施工包括叠交隧道近距离穿越、上方超载等。关于叠交隧道近距离穿越这方面，已有文献基本是围绕隧道净距、地层损失率等因素作用下既有隧道的反应的研究;上方超载则主要从超载作用位置、隧道埋深等方面考虑［13］～［15］，一般来说，地铁隧道埋的越深，荷载中心距离隧道轴线越远，上方超载对隧道的影响会有减小的趋势。

5.3.1 叠交隧道近距离穿越的影响分析

双线隧道间的相互作用受许多因素的影响，地基土层性质、隧道间的相对位置和净间距的影响尤其重大，地铁双线隧道工程建设中应该重视这些因素的影响。

西藏南路越江隧道需要从M8线周家渡站—西藏南路站区间隧道下穿越，数值分析表明［16］:西藏南路越江隧道施工引起M8线的变形和受力随着地层损失率的增加而增大。

新老隧道之间的净间距对老隧道位移也存在影响，不论新隧道位于老隧道的上方还是下方，由新隧道盾构推进引起老隧道衬砌的位移随着隧道间净间距的增加而不断减小。隧道间净间距小时，老隧道的位移比较大，当净间距大于一定距离后，新隧道盾构施工引起老隧道衬砌的位移很小［17］。

5.3.2 上方超载影响

上海打浦路越江隧道［18］2号井以东第7O环衬砌管片因地面堆载而发生沉降的实测资料充分说明了这一点，第7O环隧道周边土方覆土厚15 m，地表为一约30 m×50 m的洼地，自1970年隧道通车后，投入运行的16年中进行了四次土方填筑和混凝土层铺筑的工程，每次地表单位面积的荷载增量约为10～20 kPa，四次总共约70 kPa，实测显示四次加荷后总沉降增量达110 mm，出现严重的纵向不均匀沉降。

通过上面的文献可以看到航道疏浚和隧道上方堆载主要产生差异沉降，分别达到231.5 mm和110 mm。差异沉降会使衬砌内力产生重新分布和降低列车运行舒适度，我们对其影响应该重点考虑;而叠交隧道施工则需要综合考虑间距、地层损失率等的影响。在实际工程中，如果隧道外部条件要发生变化，我们在外部条件变化的同时加强隧道衬砌的位移、应力等监测，一旦发现问题，及时采取必要的措施如对隧道周边岩层进行加固处理。

6 隧道下卧土层固结特性不同

现有研究表明，土层不同时，和土层对应的次固结特性会存在区别。隧道线路一般较长，就有可能导致隧道因为沿纵向土性分布不均匀而产生差异沉降。

上海打浦路越江隧道在江中段及浦东段的隧道，当其下卧层为粘质粉土或粉砂与淤泥质粘土互层(接近砂性土)的土层时，在长期运营的16年中，沉降量只有40～50 mm，平均沉降速率只有0.008 mm/d。而在软弱粘性土中的盾构隧道，在长期运营中则产生较大的不均匀沉降。上海打浦路越江隧道1号井以东约120 m一段隧道下卧土层为松软的淤泥质粉质粘土，在长期运营的 13年中，沉降量大于100 mm［18］。

由上述实测结果可以看出，由于在软弱粘性土中易发生较大的不均匀沉降，而现实生活中又不可避免地把隧道建在软土上(由于地质构造导致软弱夹层的存在等)。所以在隧道勘察过程中，要重点勘察存在软弱土层的区域，在设计中应该避开软土区域，如果由于线型的需要无法避开的话，应对软土做适当处理后再修建隧道。对由于在勘察阶段没有发现下卧土层存在软土，而是由于在隧道开挖阶段中发现存在大量软土层的现象，施工单位应该马上停工，并应把这一现象报告给设计单位，设计单位在视具体情况做具体处理后，施工单位方可继续开挖。

7 隧道下卧土层水土流失造成的破坏性纵向变形

当衬砌周围为粉砂土或砂质粉土，且受到动水压力作用时，则土体就会由衬砌的裂缝流人隧道。在重力流的排水隧道中，水流就不断把漏入隧道的水土带走，使隧道周围，特别是下卧土层的水土不断流失，直至隧道产生破坏性的变形。施工阶段初次衬砌漏水裂缝和隧道在后期纵向变形中产生的漏泥水的裂缝，这就可能导致这种破坏形的纵向变形。

8 结论

针对我国关于隧道结构影响因素研究都是基于某单一影响因子的现状，论文从设计、施工、环境、外力等方面比较全面的概括了盾构隧道结构健康与安全影响因素。具体结论如下。

(1)衬砌厚度对结构承载力有较大的影响，在隧道结构安全检测中要加强衬砌厚度检测;

(2)空洞的位置、尺寸、空洞有无回填及回填物属性对衬砌受力有一定的影响，空洞形状对衬砌受力影响不大;

(3)混凝土收缩裂缝、碱－骨料反应和防水材料失效等材料方面的因素会对结构的耐久性、承载力和防水效果产生影响;

(4)外力方面如航道疏浚、邻近施工等对隧道有一定的影响。航道疏浚表现为差异沉降，邻近管道、隧道施工需要考虑隧道间净间距、地层释放率等因素对隧道的影响，地面超载则需要从超载作用位置与老隧道之间的间距、超载大小等方面综合考虑;

(5)隧道在长期运营中由于下卧地层不同、隧道所处地层水位变化等在很长时间内可能会增加不均匀沉降。

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