朱 旻，陳湘生，王雪濤

(1. 深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東，深圳 518060；2. 深圳大學(xué)濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東，深圳 518060)

世界上第一條盾構(gòu)法施工的隧道是英國泰晤士河水底隧道，于1843 年建成，襯砌采用的是砌塊。自此之后，盾構(gòu)法施工的隧道得到了不斷的應(yīng)用與發(fā)展，隧道襯砌也從砌磚發(fā)展到防水性能更好的鑄鐵、鋼材、鋼筋和混凝土合成襯砌。日本在1936 年成功使用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌替代了傳統(tǒng)鑄鐵管片，此后預(yù)制鋼筋混凝土管片逐漸成為應(yīng)用最為普遍的盾構(gòu)隧道襯砌形式[1]。

中國盾構(gòu)法施工技術(shù)的最早嘗試是在1957 年阜新煤礦的輸水道工程以及北京市下水道工程，而系統(tǒng)性使用盾構(gòu)法施工的第一條盾構(gòu)隧道是1962 年采用直徑為4.16 m 普通敞胸盾構(gòu)修建的上海塘橋的試驗(yàn)隧道[2]。隨后1966 年在上海建設(shè)了中國國內(nèi)第一條采用盾構(gòu)法施工的越江公路隧道—打浦路隧道，盾構(gòu)隧道外徑10 m，內(nèi)徑8.8 m，盾構(gòu)段岸上部分采用單層裝配式鋼筋混凝土管片襯砌，江中部分采用鋼管片內(nèi)澆搗整體鋼筋混凝土的復(fù)合襯砌[3]。打浦路隧道的修建為之后的越江隧道建設(shè)奠定了施工工藝基礎(chǔ)。自盾構(gòu)法引入我國以來，因其安全、快捷、防水效果好、對(duì)環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)，在我國城市地鐵隧道施工中得到廣泛的應(yīng)用。截止2020 年底，我國城市軌道交通運(yùn)營總里程約7655 km，新增運(yùn)營線路里程約1226 km，其中盾構(gòu)法已經(jīng)成為修建城市地鐵工程最主要的施工方法[4-5]。此外，在高速鐵路、西氣東輸、南水北調(diào)等國家重大工程中也有大量隧道采用盾構(gòu)法施工。隨著一批特長、超深埋、超大斷面重大隧道工程的出現(xiàn)，我國的盾構(gòu)法施工技術(shù)以及盾構(gòu)設(shè)備都有了巨大的進(jìn)步[6-7]。表1 列舉了我國已建、在建及規(guī)劃的具有代表性的盾構(gòu)隧道。

表1 中國部分代表性盾構(gòu)隧道Table 1 Some typical shield tunnels in China

在傳統(tǒng)鋼筋混凝土預(yù)制管片中，管片配筋設(shè)計(jì)常常采用裂縫寬度控制。為了滿足允許的裂縫寬度，管片鋼筋用量大大超過承載力需要。國內(nèi)外工程實(shí)踐證明，普通鋼筋混凝土管片具有可靠的力學(xué)強(qiáng)度、耐腐蝕和技術(shù)成熟等特點(diǎn)[8-12]，應(yīng)用效果良好，但在不斷使用過程中也暴露出許多問題，如：單塊管片較笨重，在運(yùn)輸、安裝施工過程中易發(fā)生混凝土破損、缺角、掉邊和開裂等問題，不但影響管片的外觀和安裝精度，也會(huì)影響管片的結(jié)構(gòu)性能。而且在隧道長期運(yùn)營過程中，鋼筋混凝土管片易受環(huán)境侵蝕，使鋼筋發(fā)生銹蝕，致使保護(hù)層剝落、破損，對(duì)隧道的安全性和耐久性產(chǎn)生不利影響。同時(shí)鋼筋骨架的加工工序繁瑣、費(fèi)時(shí)、工效低，配筋率較高，預(yù)制成本高[13 - 17]。

盾構(gòu)隧道工程受復(fù)雜的地下環(huán)境影響，隨著運(yùn)營年限的增加出現(xiàn)了越來越多的隧道病害問題，如破損、裂縫、漏水、管片錯(cuò)臺(tái)、腐蝕、不均勻沉降等[18]，嚴(yán)重影響了管片的耐久性及隧道結(jié)構(gòu)的長期性能。我國城市軌道交通設(shè)計(jì)規(guī)程明確規(guī)定了地鐵主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限是100 年[8]，如何提高管片結(jié)構(gòu)性能、抗裂性能、耐久性和管片預(yù)制的經(jīng)濟(jì)性，這些都是未來盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營中較棘手但又必須解決的問題。本文將從盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法出發(fā)，在管片結(jié)構(gòu)性能研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合盾構(gòu)隧道發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能提升技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌的未來發(fā)展方向提出一些思考及建議。

1 現(xiàn)階段中國盾構(gòu)隧道發(fā)展特點(diǎn)

隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)的明確提出，我國綜合交通基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)入了建設(shè)黃金期，特別是公路隧道和城市軌道交通隧道發(fā)展迅猛。近10 年來，我國公路隧道每年新增里程達(dá)1100 km 以上。目前，我國盾構(gòu)隧道的發(fā)展呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

1) 斷面超大：盾構(gòu)隧道斷面從原來直徑11 m～12 m 的單洞兩車道，發(fā)展到目前普遍采用直徑15 m的單洞三車道盾構(gòu)隧道或單洞上下兩層四車道盾構(gòu)隧道[19]。表2 列出了國內(nèi)已建、在建及規(guī)劃中的部分超大直徑盾構(gòu)公路隧道。

表2 中國部分已建或在建超大直徑盾構(gòu)隧道Table 2 Some shield tunnels with super-large diameters in China

盾構(gòu)隧道直徑的不斷增加不但給工程建設(shè)帶來巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也提出了新的要求。目前常規(guī)的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法適用于中小直徑隧道(D<10 m)，而隧道直徑增大時(shí)襯砌厚度的增加速率低于其直徑的增加速率、管片分塊數(shù)增加導(dǎo)致縱縫變多，大直徑(D≥10 m)及超大直徑(D>15 m)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的抗彎剛度小于中小直徑盾構(gòu)隧道。雖然目前針對(duì)超大直徑盾構(gòu)隧道管片，仍然采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法對(duì)超大直徑盾構(gòu)隧道適應(yīng)性還需進(jìn)行深入研究分析。

2) 建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜：隨著我國地下空間開發(fā)程度不斷提高，盾構(gòu)隧道的建設(shè)和運(yùn)營環(huán)境越來越復(fù)雜。新建盾構(gòu)隧道近距離下穿(上跨)既有隧道、跨江越海隧道、基坑近接既有盾構(gòu)隧道施工等情況越來越常見。例如在深圳地區(qū)，截止到2019 年新建隧道近接既有建構(gòu)筑物施工案例就達(dá)到100 多例。表3 列舉了一些超近距離既有隧道的工程實(shí)例，表4 則列舉了我國一些典型的盾構(gòu)法施工的水下隧道。

表3 超近距離既有隧道工程實(shí)例Table 3 Examples of construction with small distance of existing tunnels

表4 中國典型水下盾構(gòu)公路隧道[19]Table 4 Some typical underwater shield highway tunnels in China

隨著我國城市交通的大力發(fā)展，城市交通網(wǎng)絡(luò)不斷密集，近接施工已成為隧道工程的新常態(tài)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)近接施工的影響及控制進(jìn)行了大量的研究，也取得了顯著成果，但研究多集中于近接工程施工過程中的變形問題， 對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)性能的影響因素及影響程度方面的研究還較少。

2 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論與方法

2.1 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)計(jì)算理論

隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算理論是跟隨著地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展過程而逐漸發(fā)展起來的。地下結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的發(fā)展可大致分為七個(gè)階段：剛性結(jié)構(gòu)階段、彈性結(jié)構(gòu)階段、假定抗力階段、彈性地基梁階段、連續(xù)介質(zhì)階段、數(shù)值方法階段、極限和優(yōu)化設(shè)計(jì)階段[20-21]。最初的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算理論直到19 世紀(jì)才逐漸形成。早期的地下結(jié)構(gòu)因?yàn)榻ㄖ牧系木壒?，一般被視為剛性結(jié)構(gòu)；隨著混凝土和鋼筋混凝土在地下工程中的廣泛應(yīng)用，開始考慮材料的彈性變形。此后，隨著對(duì)地下結(jié)構(gòu)和巖土介質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深入，圍巖與襯砌共同變形的理論取代了仿照地面結(jié)構(gòu)的理論。盾構(gòu)隧道管片由于接頭的存在， 被視為一種半剛性半柔性的結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外對(duì)隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的研究主要集中在如何確定作用在隧道結(jié)構(gòu)上的外部荷載、結(jié)構(gòu)與地層之間作用以及襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型三個(gè)方面上[22-28]。從土與結(jié)構(gòu)相互作用的角度，國內(nèi)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)分析理論主要分為荷載結(jié)構(gòu)模型和地層結(jié)構(gòu)模型[29-30]，國外則主要分為基床模型與連續(xù)介質(zhì)模型[31]。荷載結(jié)構(gòu)法將地層對(duì)結(jié)構(gòu)的作用認(rèn)定為外部荷載，通過該外部荷載來計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形；地層結(jié)構(gòu)法則認(rèn)為襯砌與地層為同時(shí)受力變形、相互影響相互作用的整體，并通過連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理對(duì)襯砌和周邊地層進(jìn)行計(jì)算[29-30]；基床模型用給定的荷載來表示作用在結(jié)構(gòu)上的地層壓力，用Winkler 地基模量來模擬地層抵抗變形的被動(dòng)反作用；連續(xù)介質(zhì)模型認(rèn)為襯砌與地層協(xié)調(diào)變形，構(gòu)成受力整體，并用接觸單元來描述兩者的交界面。從設(shè)計(jì)理念上，這兩種分類是類似的，荷載結(jié)構(gòu)模型與基床模型相似，而地層結(jié)構(gòu)模型則與連續(xù)介質(zhì)模型類似。

荷載結(jié)構(gòu)模型因其計(jì)算方法簡單，受力概念明確，且具有清楚的安全系數(shù)評(píng)價(jià)方法，在我國得到了廣泛的采用，特別是在城市地鐵隧道和鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中均推薦使用[32]。但是隧道結(jié)構(gòu)外部荷載確定的合理性對(duì)計(jì)算結(jié)果有著重要的影響，很多時(shí)候還需要依靠經(jīng)驗(yàn)類比。而從理論上講，地層結(jié)構(gòu)模型將地層和襯砌視為共同受力的統(tǒng)一體，力學(xué)機(jī)制更為合理，但是由于現(xiàn)代隧道工程條件越來越復(fù)雜，很多情況下都需做大量簡化，才能得到近似解。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值分析計(jì)算方法取得長足進(jìn)步，但受巖土本構(gòu)關(guān)系的復(fù)雜性、計(jì)算參數(shù)的模糊性及其結(jié)果難以驗(yàn)證等因素的限制，數(shù)值仿真結(jié)果只能作為隧道盾構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的定性參考。

2.2 盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

成立于1974 年的國際隧道協(xié)會(huì)(ITA)[33]總結(jié)了各會(huì)員國采用的地下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，將盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法歸納為以下5 種：

1)基床法(Bedded frame model method)

此方法認(rèn)為地層荷載是作用在管片上的主動(dòng)荷載，采用數(shù)值方法或均布的Winkler 地基彈簧來模擬地層對(duì)結(jié)構(gòu)變形的抗力(如圖1 所示)。根據(jù)彈簧的分布特征，又可分為全周彈簧法和部分圓周彈簧法。日本的慣用計(jì)算法也可歸為基床法，認(rèn)為水平方向的地層抗力作用在襯砌水平直徑上下各45°中心角的范圍內(nèi)，并假定其以水平直徑處為頂點(diǎn)，呈三角形分布(如圖2 所示)，其中：K為地基反力系數(shù)，可根據(jù)地層體積進(jìn)行取值；δ 為襯砌的水平位移。

圖1 基床法模型Fig. 1 Model for Bedded frame method

圖2 日本修正慣用法Fig. 2 Japanese revised customary calculation method

2)有限元法(FEM method)

有限元法是以連續(xù)介質(zhì)理論為基礎(chǔ)的，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而被廣泛采用。有限元法不僅可以計(jì)算隧道襯砌的內(nèi)力，還可以計(jì)算隧道襯砌周圍地層的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)，以及隧道施工對(duì)鄰近結(jié)構(gòu)的影響。有限元法能夠真實(shí)再現(xiàn)襯砌結(jié)構(gòu)與地層的相互作用行為，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a)可以對(duì)地層特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，如綜合考慮土體初始應(yīng)力狀態(tài)、土體參數(shù)(如容重、彈性模量和泊松比等)、隧道斷面的形狀和尺寸以及施工方法(包括施工步驟)；

b)可以對(duì)決定襯砌承載性能的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，如襯砌結(jié)構(gòu)(管片數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式和接縫類型)、壁后注漿及其效率，以及地層荷載；

c)可以對(duì)決定松弛程度的因素進(jìn)行評(píng)價(jià)，如地層體條件、施工方法(如盾構(gòu)法的類型)、注漿方法等，包括盾尾空隙的大小。

3)彈性公式法

彈性公式法是一種不需要計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力的簡便方法。但是該方法不能評(píng)價(jià)由于地層變化帶來的荷載不均勻變化、偏心荷載、靜水壓力、模擬地基抗力的彈簧彈力以及使用鉸鏈或旋轉(zhuǎn)彈簧來模擬接頭的影響。在這種方法中，水壓應(yīng)以豎向均布荷載和水平均布荷載的組合來評(píng)價(jià)。地基土水平反力應(yīng)簡化為三角形變化荷載。

4) Schulze 和Duddeck[34]法

Schulze 和 Duddeck[34]于1974 年提出的計(jì)算方法采用彈簧模擬地層與結(jié)構(gòu)相互作用，考慮到拱頂90°區(qū)域內(nèi)的受拉彈簧會(huì)引起荷載的減小，因此忽略了該區(qū)域的彈簧。該方法可同時(shí)考慮徑向和切向的土層作用。此方法在國內(nèi)使用較少。

5) Muir Wood 法

Muir Wood 法[35-36]在歐洲應(yīng)用較為廣泛，而國內(nèi)使用較少。該方法在Morgan[26]的基礎(chǔ)上假設(shè)了可考慮地層剪切應(yīng)力，但忽略剪切應(yīng)力所產(chǎn)生的部分徑向變形的橢圓變形模型。該模型還考慮了地層開挖處部分應(yīng)力釋放以及由于接頭導(dǎo)致的襯砌剛度降低，Muir Wood 建議考慮50%的初始地層應(yīng)力。

而在我國常用的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有以下5 種[37]：

1)慣用法

此方法是日本一般采用的設(shè)計(jì)方法。該方法不考慮因?yàn)楣芷宇^的存在使剛度降低，而是將其視為剛度均勻的圓環(huán)。計(jì)算時(shí)假定土體隨管片的變形而產(chǎn)生地基反力，然后求解彈性方程。采用慣用法進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的案例表明該方法計(jì)算出的管片環(huán)變形量偏小，這會(huì)導(dǎo)致在軟弱地層條件下計(jì)算出的管片截面內(nèi)力過小，而在良好地層條件下計(jì)算出的內(nèi)力又過大。

2)修正慣用法

此方法將隧道接頭抗彎剛度的降低簡化為管環(huán)整體彎曲剛度的降低，并引入兩個(gè)參數(shù)—圓環(huán)剛度折減系數(shù)即剛度有效率 η和管片彎矩傳遞系數(shù)ξ，來考慮管片接縫造成的剛度降低和接縫拼裝的影響。

3)多鉸圓環(huán)解析法

這是一種把接頭作為鉸接結(jié)構(gòu)的解析方法，完全忽略接頭的抗彎能力，管片可等效為多段曲梁。多鉸接環(huán)本身是不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，須在圍巖的約束下才能保持穩(wěn)定，計(jì)算結(jié)果極大取決于圍巖抗力和荷載的形式，因此對(duì)作用在管片環(huán)上的荷載分布以及圍巖地基抗力的評(píng)價(jià)極為重要。這種算法是以隧道周圍圍巖普遍具有抗力為前提，所以適用性有限。

4)彈性鉸環(huán)法

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)是由多塊預(yù)制的管片拼裝而成，管片與管片之間的接頭有多種形式，必要時(shí)加以螺栓連接。管片接頭處的剛度不可能與預(yù)制鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)剛度相同。在理論上，認(rèn)為管片接頭是能承擔(dān)部分彎矩的彈性鉸，該彈性鉸既非剛接，也非完全鉸接，能夠承擔(dān)的彎矩大小與接頭剛度有關(guān)。計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)將管片環(huán)視為在管片接頭處設(shè)置有彈性鉸的結(jié)構(gòu)，接頭剛度一般結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定。

5)梁-彈簧模型解析法

此方法將管片結(jié)構(gòu)簡化為直梁或曲梁，管片接頭用旋轉(zhuǎn)彈簧模擬，環(huán)間接頭用剪切彈簧模擬，通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算截面內(nèi)力。此方法可計(jì)算在管片在通縫或錯(cuò)縫拼裝下的截面力，并能直接求出環(huán)間剪力。此外，當(dāng)管片接頭的旋轉(zhuǎn)彈簧剛度為0 時(shí)，模型與多鉸環(huán)相同；如果無窮大，則與均質(zhì)環(huán)相同。

除了以上5 種方法外，近些年國內(nèi)許多學(xué)者通過對(duì)管片設(shè)計(jì)的研究，提出了一些具有創(chuàng)新性的模型，彌補(bǔ)了簡單模型的不足[38]。具體包括：

1)三維殼-彈簧模型

三維殼-彈簧模型一般由一個(gè)整環(huán)和兩個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)組成，以中間整環(huán)為研究目標(biāo)，兩個(gè)半環(huán)作為錯(cuò)縫拼裝的受力結(jié)構(gòu)，也作為中間整環(huán)的邊界條件。采用彈簧模擬徑向和切向地層抗力，管片接頭采用扭轉(zhuǎn)彈簧模擬，密布設(shè)置在管片接頭斷面的所有節(jié)點(diǎn)上。該彈簧能夠完成輸入彎矩、軸力和轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的非線性參數(shù)[39-42]。與經(jīng)典的梁-彈簧模型相比，其結(jié)構(gòu)形式和荷載模式基本一致，主要突破是分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力沿環(huán)寬方向的分布。

2)荷載-結(jié)構(gòu)模式的殼-彈簧-接觸模型

該模型考慮了管片接縫處的擠壓作用、管片與螺栓接頭之間的咬合作用、地層對(duì)管片徑向與切向抗力作用、環(huán)向接頭的正負(fù)抗彎剛度差異以及封頂塊的插入角等因素，采用殼體、彈簧和接觸單元分析盾構(gòu)隧道管片襯砌的內(nèi)力三維分布狀態(tài)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)梁-彈簧模型在隧道縱向計(jì)算中的不足，同時(shí)考慮縱向變形時(shí)環(huán)縫處螺栓受拉和防水材料受壓的力學(xué)機(jī)理，為縱向變形分析提供了條件[43]。

3)地層-結(jié)構(gòu)模型的殼-彈簧-接觸模型

地層-結(jié)構(gòu)模型的實(shí)質(zhì)是考慮在原始應(yīng)力場開挖后的洞應(yīng)力釋放效應(yīng)以及圍巖與結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)地層壓力的作用。此模型從計(jì)算好的自重應(yīng)力場中提取隧道洞周等效節(jié)點(diǎn)力，并考慮應(yīng)力釋放對(duì)節(jié)點(diǎn)力進(jìn)行折減，然后施加在洞周實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)上，通過接觸單元傳遞到隧道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)圍巖與結(jié)構(gòu)共同承載，分析過程與平面有限元法進(jìn)行地層-結(jié)構(gòu)模型類似[44]。

4)縱向變形附加應(yīng)力的殼-彈簧-接觸模型

基于有限元法構(gòu)建縱向殼-彈簧-接觸模型，采用強(qiáng)制位移法對(duì)盾構(gòu)隧道發(fā)生縱向變形后的三維結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力和變形進(jìn)行分析。沿用盾構(gòu)隧道橫向內(nèi)力分析的殼-彈簧-接觸模型思路，使用殼單元、抗壓彈簧單元、剪切彈簧單元、扭轉(zhuǎn)彈簧單元和接觸單元建立起隧道縱向殼-彈簧-接觸模型[45]。

3 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能研究現(xiàn)狀

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)所處環(huán)境復(fù)雜，隨著使用年限的增加，會(huì)由于材料、結(jié)構(gòu)性能衰退的影響產(chǎn)生管片開裂破損，嚴(yán)重時(shí)還可能危及隧道運(yùn)營的安全，因此，開展盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能研究十分必要。盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能主要包括力學(xué)性能和耐久性兩方面，其中力學(xué)性能主要指其抗裂性能和承載能力，而耐久性則是指隧道結(jié)構(gòu)在規(guī)定期限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力。

3.1 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

地層中盾構(gòu)隧道處于三維受力狀態(tài)，目前國內(nèi)外盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)主要采用橫向設(shè)計(jì)，縱向設(shè)計(jì)理論尚未廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)隧道是由眾多結(jié)構(gòu)單元—管片和管片間的接觸面組成的整體結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)是一個(gè)隨著時(shí)空變化的復(fù)雜問題。有限元法和試驗(yàn)法是研究管片結(jié)構(gòu)在地層中受力變形響應(yīng)的兩種重要手段。

1)有限元法研究

Hudaba[46]采用2D 和3D 有限元模型，研究了均質(zhì)環(huán)和通縫環(huán)在地層荷載作用下的響應(yīng)，模型采用彈簧模擬土與結(jié)構(gòu)的相互作用，計(jì)算結(jié)果表明：2D 模型的位移明顯要大于3D 模型的位移，而內(nèi)力則相對(duì)接近。Blom 等[47]利用ANSYS 對(duì)荷蘭Green Heart Tunnel 進(jìn)行了3D 建模，認(rèn)為前人模型中的部分假定不適合荷蘭軟土工況，強(qiáng)調(diào)了隧道拼裝方式、接頭墊層材料性質(zhì)以及漿液硬化過程等因素對(duì)有限元模擬結(jié)果的影響。Galli 等[48]通過建立有限元模型，對(duì)分別采用三維實(shí)體和二維平面單元的盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，探討了管片剛度對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)的影響大小。陳俊生等[49]借助有限元三維計(jì)算模型，對(duì)相對(duì)彎曲以及相對(duì)扭轉(zhuǎn)作用下管片的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明：管片間的相對(duì)扭轉(zhuǎn)是施工過程中管片襯砌結(jié)構(gòu)裂損的直接原因。M?ller 和Vermeer[50]采用有限元對(duì)Steinhaldenfeld 隧道和Heinenoord 隧道進(jìn)行了模擬，主要研究了本構(gòu)模型、施工過程和注漿壓力對(duì)襯砌內(nèi)力和地層變形的影響。采用的土體本構(gòu)主要包括HS(Hardening soil model)、HSS(Hardening soil small-strain model)模型、摩爾-庫侖模型等，襯砌則由殼單元模擬，研究發(fā)現(xiàn)不同土體本構(gòu)模型對(duì)地層變形影響顯著，但對(duì)襯砌內(nèi)力則影響很小。周帥等[51]建立三維數(shù)值模型，分析了管片襯砌剝落、材料劣化、附加荷載等因素對(duì)隧道結(jié)構(gòu)承載性能的影響。楊雨冰等[52]采用基于斷裂力學(xué)的數(shù)值分析方法，從管片構(gòu)件到管環(huán)結(jié)構(gòu)等不同層次，對(duì)盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的裂損機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析。Zhao 等[53]分別采用了常用的解析方法和數(shù)值方法，對(duì)淺埋和深埋隧道襯砌內(nèi)力及變形進(jìn)行了計(jì)算分析。在數(shù)值模擬中，土體與結(jié)構(gòu)的相互采用了更符合實(shí)際工程情況的內(nèi)置接觸單元模擬，并且討論了不同本構(gòu)模型以及接觸單元材料參數(shù)折減對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。解析方法與數(shù)值方法的結(jié)果對(duì)比表明：即使假定土體為彈性材料，基床模型也能合理地預(yù)測(cè)深、淺埋隧道襯砌地受力特性，而數(shù)值模擬中，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形分析的準(zhǔn)確度受土體本構(gòu)參數(shù)和施工簡化方式影響較大。此外二維數(shù)值方法和解析方法因無法很好地反映工作面支護(hù)壓力、注漿和拱效應(yīng)，因此其結(jié)果與三維數(shù)值模擬結(jié)果不一致。

有限元方法能夠較好處理地層與結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系，但土體本構(gòu)參數(shù)、接觸模型的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果影響很大；而管片結(jié)構(gòu)數(shù)值模型方面，如何引進(jìn)更精細(xì)化的結(jié)構(gòu)建模方法又不導(dǎo)致計(jì)算量劇增是值得關(guān)注的問題。

2)試驗(yàn)研究

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)研究主要包括縮尺模型試驗(yàn)、整環(huán)足尺模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測(cè)試試驗(yàn)?？s尺模型試驗(yàn)是通過一定的幾何和物理力學(xué)參數(shù)相似比例，對(duì)原型結(jié)構(gòu)按照相似定律縮小后開展模型實(shí)驗(yàn)。由于其良好的經(jīng)濟(jì)性及有效性，縮尺模型試驗(yàn)已成為研究隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的重要方法。何川等[54-58]依托多個(gè)盾構(gòu)隧道工程開展不同幾何與容重相似比下的管片力學(xué)特性模型試驗(yàn)。通過在管片表面縱向割槽的方式考慮管片接頭效應(yīng)；研發(fā)非均勻水壓加載裝置模擬隧道外部水壓對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)作用。借助隧道-地層-水壓復(fù)合試驗(yàn)系統(tǒng)，開展了不同拼裝方式、變水壓與恒定水壓、層狀復(fù)合地層、水土分算與水土合算、高水壓大斷面等多種因素影響下管片襯砌結(jié)構(gòu)橫向力學(xué)特性模型試驗(yàn)，并研究了不同因素作用下盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特性。王士民等[59-62]基于盾構(gòu)隧道-地層-水壓復(fù)合加載系統(tǒng)，采用 1∶20 幾何相似比以及 1∶1 容重相似比，考慮不同拼裝方式、封頂塊位置、空洞等影響因素，開展了盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)漸進(jìn)性破壞失穩(wěn)相似模型試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，將盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)過程分為初始彈性階段、局部損傷階段、宏觀破壞階段、整體失穩(wěn)等四個(gè)階段，并對(duì)各階段管片襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特性進(jìn)行了深入分析。足尺管片試驗(yàn)是針對(duì)實(shí)際管片尺寸開展的1∶1 等幾何尺寸試驗(yàn)，雖然試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，但是能夠更好反映結(jié)構(gòu)真實(shí)受力性能。柳獻(xiàn)等[63-66]采用千斤頂集中加載的方式，通過整環(huán)足尺試驗(yàn)研究了超載和卸載工況下襯砌的變形和受力機(jī)理，并得出結(jié)構(gòu)的極限承載力。試驗(yàn)結(jié)果表明：接頭是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)的屈服始于接頭。襯砌的變形分為彈性階段、塑性階段和破壞階段。Huang等[67]分別采用單環(huán)足尺模型和三環(huán)足尺模型，研究了上海某市政隧道在不同隧道內(nèi)水頭工況下的響應(yīng)問題。模型采用兩套千斤頂加載系統(tǒng)，一套模擬襯砌受到的地層荷載，一套模擬隧道內(nèi)水頭變化，研究表明：隨著隧道內(nèi)水頭的增大，襯砌的彎矩幾乎保持不變而軸力不斷減小，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體變形和接頭變形的持續(xù)增大。

模型試驗(yàn)雖然能夠真實(shí)、全面、直觀、準(zhǔn)確地反映支護(hù)體系(管片結(jié)構(gòu))的力學(xué)特性，但是加載方式仍不能完全反映實(shí)際狀態(tài)，因此，對(duì)于加載裝置及加載方式改進(jìn)和加載精度的提高，將有助于進(jìn)一步減小試驗(yàn)中的誤差，接近真實(shí)工況[68]。

現(xiàn)場測(cè)試試驗(yàn)是對(duì)施工期及運(yùn)營期隧道襯砌的受力狀況、隧道外部圍巖體水土荷載及其穩(wěn)定性進(jìn)行現(xiàn)場原位跟蹤監(jiān)測(cè)，是對(duì)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能最有效、最直接的研究手段。陳偉等[69]通過對(duì)廣州地鐵盾構(gòu)隧道管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力、隧道變形及其外部土壓等進(jìn)行現(xiàn)場檢測(cè)，分析了管片襯砌在盾構(gòu)施工各階段的受力特征。研究結(jié)果表明：壁后注漿壓力是影響管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的主要因素。謝紅強(qiáng)等[70]針對(duì)當(dāng)時(shí)最大的越長江巖質(zhì)盾構(gòu)隧道工程，對(duì)盾構(gòu)隧道主體結(jié)構(gòu)所承受的水壓力進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，分析了高水頭作用下施工期盾構(gòu)隧道外水壓的分布及變化規(guī)律。楊廣武等[71]對(duì)北京地鐵 5 號(hào)線某區(qū)間隧道中不同水文地質(zhì)條件的試驗(yàn)斷面進(jìn)行管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的跟蹤測(cè)試，結(jié)果表明：不同地層條件下管片軸力差異較大，而彎矩受地層條件影響較小。此外，方勇等[72]、梁禹等[73]、張恒等[74]和李雪等[75]分別對(duì)各種水文地質(zhì)條件下不同直徑的盾構(gòu)隧道進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤測(cè)試，得到了相應(yīng)的管片襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力及外部水土荷載的長期變化規(guī)律。

目前現(xiàn)場試驗(yàn)研究面臨的主要問題是：① 監(jiān)測(cè)主要集中在施工期，無法全面揭示管片結(jié)構(gòu)長期性能演化規(guī)律；② 隧道運(yùn)營期缺乏針對(duì)侵蝕環(huán)境和水土荷載耦合作用下管片結(jié)構(gòu)性能演化的長期監(jiān)測(cè)研究；③ 由于負(fù)責(zé)部門不同，施工期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)營期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)沒有互通，盾構(gòu)隧道全生命周期結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測(cè)任重道遠(yuǎn)。

3.2 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究

國內(nèi)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究一直非常重視，針對(duì)各種影響因素下的耐久性研究取得了大量的成果[76-78]。日本土木學(xué)會(huì)混凝土委員會(huì)于1989 年制定了《混凝土結(jié)構(gòu)物耐久性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(試行)》[79]并于1995 年頒布了修訂版，而歐洲混凝土結(jié)構(gòu)委員會(huì)在1992 年也頒布了《耐久性混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》[80]。雖然我國在1989 年頒布了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，但是該規(guī)范除了一些保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的構(gòu)造措施之外，只在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中控制了一些對(duì)耐久性并不起決定性作用的設(shè)計(jì)參數(shù)，直到2008 年才正式頒布了《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[81-82]。

盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性研究可以借鑒其他混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性研究成果，但是盾構(gòu)隧道作為地下結(jié)構(gòu)，巖土賦存條件復(fù)雜、周邊環(huán)境敏感，影響其耐久性的因素更多、更復(fù)雜，相關(guān)研究主要集中在侵蝕環(huán)境(如硫酸鹽侵蝕、氯離子擴(kuò)散、碳化、地鐵雜散電流等)和水土荷載作用下管片襯砌材料與結(jié)構(gòu)的耐久性退化過程。孫鈞[8]針對(duì)上海崇明長江隧道，探討了管片結(jié)構(gòu)腐蝕機(jī)理、影響耐久性的主要因素、管片接頭螺栓和防水材料的耐久性，并提出了一種盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)方法。雷明鋒等[83]基于荷載作用下管片混凝土內(nèi)部孔隙率的變化特征，提出荷載作用下氯離子擴(kuò)散理論分析模型，得到了荷載作用對(duì)氯離子擴(kuò)散系數(shù)的影響方程。Han 等[84]研究了不同級(jí)別靜力及循環(huán)荷載作用下地鐵隧道混凝土管片碳化性能，并探究了荷載作用下混凝土微觀變化。趙鐵軍等[85]以膠州灣海底隧道為例，建立了綜合考慮氯離子擴(kuò)散、混凝土碳化和彎曲荷載影響的服役壽命預(yù)測(cè)模型。周曉軍[86]和趙宇輝等[87]分別針對(duì)城市軌道交通地鐵隧道中特有的雜散電流對(duì)鋼筋材料和混凝土強(qiáng)度的影響，展開了理論和試驗(yàn)研究，揭示了雜散電流分布對(duì)地鐵管片襯砌結(jié)構(gòu)混凝土耐久性的影響機(jī)理和規(guī)律。

目前，國內(nèi)外對(duì)盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)耐久性的研究都是在零水壓狀態(tài)下進(jìn)行的，未能考慮水壓力的影響[1]，并且主要針對(duì)單因素作用下的耐久性研究，對(duì)于多因素耦合作用下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)耐久性演變機(jī)理的研究還較少。試驗(yàn)手段多是依賴室內(nèi)試驗(yàn)，與實(shí)際情況尚有一定的差異，因此還需要進(jìn)行更為細(xì)致深入的研究。

3.3 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)研究

隧道在建成進(jìn)入服役期后，其結(jié)構(gòu)性能處于一個(gè)不斷變化的動(dòng)態(tài)過程，在多方面環(huán)境因素耦合作用下，混凝土保護(hù)層碳化、開裂，管片鋼筋、接頭螺栓銹蝕等一系列問題會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承載力不斷降低、變形及開裂問題愈發(fā)顯著，結(jié)構(gòu)的安全性和適用性不斷下降。目前我國仍然處于一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，可以預(yù)見在將來的幾十年甚至更長的時(shí)間內(nèi)，隧道襯砌的評(píng)估、維修和養(yǎng)護(hù)會(huì)成為隧道工程的重中之重。

國內(nèi)外對(duì)隧道結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的研究主要集中在隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)和評(píng)估方法兩方面。歐美國家較早就建立了完整的隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)體系，美國聯(lián)邦公路署和聯(lián)邦交通部分別建立了公路和鐵路隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及性能評(píng)估方法[88-89]。德國與日本也建立了相應(yīng)的檢測(cè)和評(píng)估規(guī)范[90-91]。國際隧道協(xié)會(huì)《盾構(gòu)隧道襯砌設(shè)計(jì)指南》[33]中建議對(duì)隧道覆土層最厚/最薄斷面、地下水位最高/最低斷面等八種關(guān)鍵斷面進(jìn)行長期檢測(cè)。而我國目前并沒有統(tǒng)一的隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估方法規(guī)范，只有《鐵路隧道襯砌質(zhì)量無損檢測(cè)規(guī)程》[92]明確給出了地質(zhì)雷達(dá)和聲波法質(zhì)量檢測(cè)的技術(shù)要求。張學(xué)華等[93]介紹了南京地鐵運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)工作思路、檢測(cè)內(nèi)容、檢測(cè)手段和檢測(cè)方法。姚旭朋等[94]分析了影響隧道結(jié)構(gòu)性能的因素及結(jié)構(gòu)性能退化發(fā)展特點(diǎn)，將隧道損壞原因總結(jié)為材料退化、滲漏和霜凍破壞等方面，提出基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的差異化維修策略以及前瞻性維修的思想。袁勇等[95]以運(yùn)營36 年的打浦路隧道為背景，分析了結(jié)構(gòu)損傷因素，將隧道檢測(cè)分為全隧道整體檢測(cè)和圓形隧道段檢測(cè)，制定了詳細(xì)的檢測(cè)內(nèi)容。隨著一些先進(jìn)的感知技術(shù)的日益成熟，三維激光掃描技術(shù)、光纖傳感技術(shù)、圖像識(shí)別等方法都被應(yīng)用于隧道檢測(cè)中，也為隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估提供了豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[6]。

隧道結(jié)構(gòu)評(píng)估方法研究分為定性和定量兩種。我國《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[96]和《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》[97]分別給出了鐵路隧道和公路隧道健康狀態(tài)的定性評(píng)價(jià)方法。吳江濱[98]對(duì)隧道襯砌厚度變化及襯砌后接觸條件變化對(duì)襯砌應(yīng)力狀態(tài)的影響進(jìn)行了初步研究，并相應(yīng)提出了一套根據(jù)現(xiàn)場檢測(cè)結(jié)果來確定隧道襯砌狀態(tài)的評(píng)估體系。羅鑫[99]構(gòu)建了公路隧道健康狀態(tài)診斷指標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)了公路隧道健康狀態(tài)的定量評(píng)價(jià)。劉濤[100]基于優(yōu)化反演分析，提出了隧道結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別方法，并通過隧道襯砌結(jié)構(gòu)耐久性退化模型對(duì)隧道剩余壽命與服役性能進(jìn)行解析評(píng)價(jià)。胥犇等[101]通過層次分析法、乘積標(biāo)度法確定了隸屬函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)營盾構(gòu)隧道健康狀態(tài)的定量評(píng)估。

目前，對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的研究主要集中在評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定性和定量方法上，尚缺乏多因素耦合作用下隧道結(jié)構(gòu)性能評(píng)估模型。因此，需要對(duì)復(fù)雜荷載環(huán)境與侵蝕環(huán)境耦合作用下影響隧道結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標(biāo)及閾值進(jìn)行研究，并推動(dòng)智能化、信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，為運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)性能定量評(píng)估與可預(yù)測(cè)性維修養(yǎng)護(hù)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

4 盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能提升技術(shù)

4.1 高性能材料

預(yù)制管片作為隧道主要的襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件，必須滿足在生產(chǎn)、堆放、運(yùn)輸、拼裝、頂推和使用過程中不同荷載下的抗壓、抗變形、抗?jié)B防漏等要求?；炷磷鳛橐环N脆性材料，基本上沒有抗拉性能，在運(yùn)輸和拼裝過程中容易出現(xiàn)開裂破損，會(huì)影響使用；同時(shí)管片裂縫會(huì)使其抗?jié)B、耐腐蝕等耐久性能降低。因此，如何控制盾構(gòu)管片的裂縫發(fā)展成為了目前在盾構(gòu)隧道工程中一個(gè)亟待解決的問題。

國內(nèi)外對(duì)可用于預(yù)制管片的高性能材料的研究主要集中在(鋼)纖維混凝土、自密實(shí)混凝土、自愈合混凝土等。自從自密實(shí)混凝土和自愈合混凝土在20 世紀(jì)80 年代、90 年代出現(xiàn)后[102-103]，就吸引了大量學(xué)者的關(guān)注，但發(fā)展到現(xiàn)在，相關(guān)的理論研究仍然不夠充分，同時(shí)制作工藝要求較高，經(jīng)濟(jì)性較差，因此在工程實(shí)際中應(yīng)用較少。而鋼纖維混凝土(SFRC)是20 世紀(jì)70 年代發(fā)展起來的，通過在普通混凝土內(nèi)摻入一定量亂向分布的短鋼纖維，使之形成可澆筑、可噴射成型的一種新型復(fù)合建筑材料。鋼纖維混凝土管片可改善普通混凝土管片脆性等缺點(diǎn)，提高混凝土管片的抗裂性能，具有良好的應(yīng)用前景。國外較早就開展了鋼纖維混凝土盾構(gòu)管片相關(guān)的研究與實(shí)踐工作，將鋼纖維作為管片結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料，取得了許多成功經(jīng)驗(yàn)，表5 列出了鋼纖維混凝土管片在國外的工程應(yīng)用情況。

表5 國外鋼纖維混凝土管片應(yīng)用情況Table 5 Abroad examples of tunnels with steel fiber reinforced segments

我國開展鋼纖維管片研究雖然較晚，但也取得了不少成果。相關(guān)研究成果表明：鋼纖維混凝土管片具有強(qiáng)度高和耐久性好等特點(diǎn)，與普通鋼筋混凝土管片相比，其抗拉、抗彎強(qiáng)度及耐磨、耐沖擊、耐腐蝕、耐疲勞性、韌性和抗裂、抗爆等性能都得到提高，特別是裂后的抗拉強(qiáng)度顯著提高[104-108](圖3)。雖然我國對(duì)纖維混凝土管片的研究成果顯著，但是在實(shí)踐方面仍然處于初步階段，表6 所列為我國鋼纖維混凝土管片的應(yīng)用情況。

表6 國內(nèi)鋼纖維混凝土管片應(yīng)用情況Table 6 Examples of tunnels with steel fiber reinforced segments in China

圖3 鋼纖維混凝土抗拉性能與普通混凝土對(duì)比Fig. 3 Comparison of tensile propertied between SFRC and ordinary concrete

雖然鋼纖維混凝土管片在制作加工、技術(shù)性能、經(jīng)濟(jì)效益等各方面比一般鋼筋混凝土管片具有優(yōu)勢(shì)，而且低碳環(huán)保，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰與碳中和方面具有重要的社會(huì)效益，但受限于目前尚無針對(duì)盾構(gòu)隧道鋼纖維混凝土管片的專門設(shè)計(jì)規(guī)范，極大限制了其大范圍推廣應(yīng)用，因此需加快對(duì)盾構(gòu)隧道鋼纖維管片設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法及技術(shù)體系的研究。

4.2 新型接頭

盾構(gòu)隧道管片接頭是襯砌結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，不僅對(duì)管片間的連接性能影響較大，更在很大程度上控制著盾構(gòu)隧道襯砌整體結(jié)構(gòu)的承載能力及變形。因此在盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)中，接頭結(jié)構(gòu)形式的選擇與應(yīng)用必須慎重處理。管片接頭結(jié)構(gòu)按其連接方式可分為螺栓連接、其他方式連接和無螺栓及其他方式連接三種。其中，螺栓連接又可分為直螺栓連接、斜螺栓連接、彎螺栓連接和混合螺栓連接等方式；其他方式連接包括錨式連接、鉸連接、插銷式連接等方式；無螺栓及其他方式連接主要指沒有螺栓和其他單獨(dú)接頭結(jié)構(gòu)、僅靠管片接頭截面處的構(gòu)造形式實(shí)現(xiàn)傳遞力和變形的連接方式，如榫槽式連接，這些都是在傳統(tǒng)管片中經(jīng)常使用的接頭形式。傳統(tǒng)接頭在使用中一般都需要進(jìn)行大量的人工作業(yè)，如螺栓擰緊、復(fù)緊作業(yè)和銷栓插入作業(yè)等。

新型接頭的研發(fā)工作主要集中于新的接頭結(jié)構(gòu)形式和新材料的使用兩個(gè)方面。在結(jié)構(gòu)形式上，作為環(huán)間接頭使用的可抵御大變形接頭和錨式接頭都延續(xù)了榫接頭具備的操作簡單、便于自動(dòng)化施工等優(yōu)點(diǎn)[109]。

可抵御大變形接頭是對(duì)插銷式接頭的改進(jìn)，主要作為環(huán)間接頭使用，其工作原理與插銷式接頭類似，但可以確保接頭拼裝完成后的緊固作用，因此力學(xué)性能比插銷式接頭更好，無需結(jié)合其他提供緊固力的接頭即可單獨(dú)使用?？傻钟笞冃谓宇^很好的延續(xù)了部分傳統(tǒng)接頭小型化的特點(diǎn)，降低了接頭板區(qū)域管片的配筋量和配筋難度。但是，可抵御大變形接頭對(duì)管片和接頭本身的加工制作精度要求較高，細(xì)微的尺寸誤差即可導(dǎo)致接頭的失效。在拼裝過程中如果誤差過大，相鄰管片接頭板處的接頭無法實(shí)現(xiàn)對(duì)接，因此對(duì)拼裝精度的要求更高。可抵御大變形接頭適用于高度自動(dòng)化施工，即使單獨(dú)使用也能較好的保證緊固效果，對(duì)提高施工效率具有重要的意義。

錨式接頭主要用于鋼管片等金屬制襯砌管片及復(fù)合管片襯砌的環(huán)間接頭，以傳遞管片間的剪切作用并具備較好的抗拉能力。錨式接頭延續(xù)了部分傳統(tǒng)接頭小型化的結(jié)構(gòu)特性，可以簡化鋼筋混凝土管片襯砌接頭板附近的配筋設(shè)計(jì)。在施工過程中，錨式接頭對(duì)管環(huán)拼裝精度的要求較高，尺寸誤差過大將導(dǎo)致套桿難以準(zhǔn)確的壓入套環(huán)之中，最后拼裝失敗。在保證拼裝精度的同時(shí)，錨式接頭無需與其他提供緊固力的接頭結(jié)合使用便可以具備較好的緊固效果，因此該接頭的緊固作業(yè)環(huán)節(jié)比較容易。其高效的拼裝特性有利于盾構(gòu)施工自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。

在新材料方面，通過將新型材料用于接頭的制作，使接頭結(jié)構(gòu)原有的力學(xué)性能得到提升。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Fiber reinforced polymer，以下簡稱FRP)接頭在結(jié)構(gòu)形式和使用材料兩方面均有創(chuàng)新。FRP-Key 接頭的工作原理與榫接頭類似，主要作用為傳遞管片之間的剪力作用，既可以用作環(huán)間接頭也可以用作管片接頭。由于使用了性能優(yōu)良的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，相比傳統(tǒng)的榫接頭 FRP 接頭具有更強(qiáng)的抗剪能力。FRP-Key 接頭并不具備錨式接頭和可抵御大變形接頭的緊固能力，無法提供抗拉作用，必須結(jié)合其他具有緊固效果的螺栓使用，通常與斜螺栓一起作為組合接頭應(yīng)用于盾構(gòu)工程中。

4.3 新建造技術(shù)

盾構(gòu)隧道襯砌分為裝配式襯砌和混凝土現(xiàn)澆襯砌兩大類，由于使用預(yù)制管片作為襯砌結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，包括造價(jià)低廉、制作方便、使用高精度鋼模就能保證其尺寸精度，無須逐塊加工；能夠較早進(jìn)入受力工作狀態(tài)；襯砌拼裝速度快、施工易于機(jī)械化等，因此目前世界上修建盾構(gòu)隧道時(shí)使用最多的是預(yù)制鋼筋混凝土管片。但隨著盾構(gòu)隧道建設(shè)環(huán)境的日益復(fù)雜，預(yù)制鋼筋混凝土管片的不足之處日益明顯，如盾構(gòu)管片模塊化的設(shè)計(jì)制作在面對(duì)長距離隧道有可能出現(xiàn)管片大范圍的安全系數(shù)過大，而相對(duì)危險(xiǎn)的地方卻沒有得到加強(qiáng)；超大直徑隧道使得管片厚度增大，不利于運(yùn)輸和拼裝，管片分塊數(shù)目增加，對(duì)襯砌防水不利等等問題。

面對(duì)裝配式襯砌的這些問題，20 世紀(jì)80 年代德國和日本研制了用鋼纖維混凝土現(xiàn)澆隧道襯砌代替裝配式襯砌，即以現(xiàn)澆內(nèi)襯代替裝配式襯砌，并借助千斤頂?shù)臄D壓作用使其與周圍地層緊密接觸。近期，國內(nèi)中交天和機(jī)械設(shè)備公司通過自主研發(fā)，首次將壓注混凝土工法與TBM 掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新融合，并服務(wù)于實(shí)際工程(圖4)。壓注工法在TBM 掘進(jìn)時(shí)通過擠壓混凝土襯砌，并以一定的壓力持續(xù)地灌注混凝土，實(shí)現(xiàn)邊掘進(jìn)施工邊同步壓注混凝土，這種方法灌注的混凝土襯砌不會(huì)在模板和圍巖之間出現(xiàn)尾部空隙，起到及時(shí)支護(hù)圍巖的作用[110-111]。與預(yù)制混凝土管片襯砌相比，壓注混凝土襯砌具有施工安全、經(jīng)濟(jì)高效、防滲效果好、混凝土強(qiáng)度易于達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求、自動(dòng)化程度高、施工強(qiáng)度低、環(huán)境污染小等優(yōu)勢(shì)。因此，壓注混凝土襯砌可以作為盾構(gòu)隧道襯砌未來的一個(gè)重點(diǎn)發(fā)展方向。

圖4 TBM 壓注混凝土工法示意圖Fig. 4 Diagram of TBM pressure injection concrete construction

5 結(jié)論與展望

盾構(gòu)法施工技術(shù)自進(jìn)入我國以來，在工程實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用，隨之而來的隧道襯砌結(jié)構(gòu)長期性能問題也不斷涌現(xiàn)，造成極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。在交通強(qiáng)國戰(zhàn)略影響下，特長、超大、超深、高密度的隧道工程也越來越多，這對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐久性都提出了更高的要求?；趯?duì)國內(nèi)外盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和方法、隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性、隧道結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)相關(guān)研究的廣泛調(diào)研和分析評(píng)述，本文得出以下的結(jié)論：

(1)目前常用的盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法基于荷載-結(jié)構(gòu)模型或地層-結(jié)構(gòu)模型，采用簡化結(jié)構(gòu)模型用于內(nèi)力計(jì)算。長期的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在中小直徑隧道(D<10 m)適用性良好。近年來超大直徑盾構(gòu)隧道的廣泛應(yīng)用對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法也提出了新的要求。由于隧道直徑變大引起管片結(jié)構(gòu)的抗彎剛度的整體降低，導(dǎo)致傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不能完全適用，因此有必要加強(qiáng)對(duì)材料-結(jié)構(gòu)一體化的新型隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的研究工作。

(2)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究相對(duì)成熟，有限元方法在處理結(jié)構(gòu)和地層相互作用方面較為完備，但分析結(jié)果受地層本構(gòu)關(guān)系、接觸面作用方式影響較大；試驗(yàn)?zāi)軌蛘鎸?shí)反映管片結(jié)構(gòu)力學(xué)特性演變規(guī)律，但作用在管片上的真實(shí)荷載難以確定，且無法進(jìn)行全生命周期的可靠監(jiān)測(cè)。結(jié)構(gòu)耐久性方面，單因素作用下的混凝土管片耐久性研究成果豐富，但對(duì)于多因素耦合作用下盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)耐久性演變機(jī)理的研究尚顯不足。因此，未來盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和耐久性研究的關(guān)鍵，在于綜合采用多種技術(shù)手段，全面研究荷載、腐蝕環(huán)境等多因素耦合作用下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能的演變機(jī)制。

(3)目前對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)的研究主要集中在評(píng)估隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的定性和定量方法上，尚缺乏多因素耦合作用下隧道結(jié)構(gòu)性能評(píng)估模型。因此，需要對(duì)復(fù)雜荷載環(huán)境與侵蝕環(huán)境耦合作用下影響隧道結(jié)構(gòu)性能的關(guān)鍵指標(biāo)及閾值進(jìn)行研究，并推動(dòng)智能感知技術(shù)在隧道管片中的應(yīng)用，為運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)性能定量評(píng)估與可預(yù)測(cè)性維修養(yǎng)護(hù)提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。

(4)針對(duì)傳統(tǒng)鋼筋混凝土拼裝式管片的局限性，結(jié)合盾構(gòu)隧道當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)，并總結(jié)盾構(gòu)法在中國應(yīng)用的工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)隧道未來應(yīng)從高性能材料、新型接頭、新建造方式等方面進(jìn)行創(chuàng)新和突破。其中，采用(鋼)纖維混凝土材料在制作加工和技術(shù)性能方面具有優(yōu)勢(shì)，而且低碳環(huán)保，有助于推動(dòng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的國家戰(zhàn)略；可抵御大變形接頭、錨式接頭等新型接頭形式，以及FRP 等新型接頭材料的應(yīng)用可提升管片接頭的施工效率和力學(xué)性能；壓注混凝土襯砌在提升盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能、提高施工自動(dòng)化程度方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，是盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向。