关于地铁预制混凝土盾构管片裂缝产生原因及防治

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。

 

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。

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。Ming Li ^[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。Jianda Xin ^[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。He Zhu ^[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。

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。

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较多，但目前研究中尚存在一个普遍问题，即开裂的地铁盾构管片经修补或加固后，其在复杂的地下服役环境中是否存在耐久性劣化，其劣化规律如何，对此方面的研究仍比较少。地铁管片长期处于地下潮湿环境中，而经裂缝修复后的管片耐久性优劣直接决定着隧道的安全，对此方面应给予更多关注。

由于服役环境的复杂性，地铁盾构管片产生的裂缝问题已吸引大量科研工作者对其进行了多方面研究和探索，也取得了一些有意义的研究成果。目前的研究多集中在裂缝产生机理分析、裂缝控制及修补技术等方面，但还存在一些不足，具体有以下几个方面：

（1）基于混凝土材料的复杂性，在工程中混凝土的裂缝是不可避免的。尽管盾构管片均埋置于土下，但不同区域的环境作用不尽相同，管片不同部位所受荷载作用更是存在较大差异。因此，需针对具体工程条件对管片裂缝进行具体分析，使提出的防治措施更具针对性和系统性。

（2）混凝土配合比设计是确保管片混凝土抗裂性的关键环节，由于混凝土材料自身的复杂性，加上不同学者的关注点和研究目标存在差异，目前学术界对管片裂缝成因、发展及对结构的影响的研究深度并不均一。对抗裂机理的相关研究目前主要通过试验分析，远未上升到理论层面。

（3）目前有关盾构管片裂缝修复技术的研究仍处于基于现场检测与系统综合评价相结合的定性评判阶段，对修补后的管片耐久性能关注较少。因此，裂缝修补状态下盾构隧道结构性能及其健康状态的定量评估方面还需开展大量的工作 。