新建盾構隧道縱向裂紋病害規律統計與數值分析

盧岱岳,蘇 昂,何 川,王乾屾

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室,成都 610031)

近年來，隨著我國基礎設施建設的持續發展，城市地鐵的規模、數量及復雜性均顯著增加。到2016年底，全國城市軌道交通運營里程已經達4 153 km[1]。

伴隨城市地鐵數量與里程的不斷增加，地鐵盾構隧道穿越地層愈加復雜，盾構施工過程中質量問題逐漸增多，地鐵盾構隧道的整體施工、營運情況不容樂觀。對于百年生命線的地鐵工程，管片裂損是施工中存在的最普遍的質量問題之一，管片裂損不僅會引起隧道滲水、漏漿，產生長期耐久性問題，在運營期受周圍建筑環境及車輛循環荷載作用，甚至會影響結構承載力危及結構安全，是隧道施工過程中較為棘手也是必須妥善處理的問題。

國內外學者及工程研究人員針對盾構隧道裂損病害進行了大量研究。張學文[2]基于南京地鐵調研結果，將地鐵病害分為縱向沉降、結構裂縫、滲漏水和道床剝離;葉耀東[3]基于上海地鐵1號線隧道縱向不均勻沉降監測數據，對病害產生原因進行了分析;林永國等[4]從施工、地質和外界擾動等多方面分析了影響地鐵隧道縱向變形的因素;楊雨冰等[5]基于斷裂力學的有限元方法，從單塊管片、2塊管片(含接頭)、整環襯砌結構3個層次，探討盾構隧道管片結構的破損機制；陳俊生等[6]采用足尺實驗和三維有限元模擬施工階段管片局部開裂，得出施工過程中出現的開裂和破損是由管片間相對扭轉引起的結論；竺維彬[7]對廣州、南京、法國里爾地鐵進行比較、探討、總結，分析了管片生產、施工、使用過程中的開裂原因，并提出相應對策；秦建設等[8]從盾構機與管片相互作用入手，研究了盾構機姿態與襯砌走向不協調導致管片錯臺及混凝土開裂問題，提出相應對策；劉鵬等[9]從地質原因、管片接頭剛度、雙線施工時對管片受力影響等方面，分析了管片在使用中的開裂原因，并利用數值方法分析了管片接頭剛度變化和雙線施工對管片受力的影響。

以上針對病害的研究，多采用基于數值模擬和經驗類比方法，得出影響隧道開裂的部分因素，缺少足夠的現場調研數據支撐其結論，無法系統、直觀地反映施工期盾構隧道裂損病害的統計規律。此外，帶有裂紋的管片是非連續的，但對管片裂紋的現有研究中，多將管片視作連續介質，建立數值模型，結合一些準則或分析手段[10-12]進行分析研究。

以某地鐵區間盾構隧道為依托工程，針對施工階段管片襯砌大范圍開裂、脫落等現象，對盾構管片襯砌裂損病害規律進行系統的統計分析。針對其中最嚴重的縱向裂紋病害的產生部位、分布規律、形態特征進行深入探討。采用ABAQUS中擴展有限元模塊[13]，對管片在主要千斤頂推力不均和推力過大作用下的管片裂縫產生部位、外觀形式、擴展規律、管片破壞形式進行了探討。

1 管片裂損病害調研

1.1 工程概況

該地鐵線路全長24.89 km，設21座車站，全部為地下線。沿線地貌形態大部分場地為山前沖積平原及河流沖淤積平原地貌類型，部分地段為剝蝕殘山地貌類型。隧道穿越范圍內涉及的地層復雜多變，與北京、上海等地層相對單一的城市比較起來，該地區地質條件表現在地形地貌起伏多變、地層巖性復雜多樣的特征。土質從北到南呈“硬-軟”交錯分布，全線區間穿越軟土比例占56.4%，土層性質屬于軟土比例較大的復合地層；且沿線下穿多個地表水體。

該地鐵盾構管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，厚度350 mm，幅寬1.2 m，襯砌圓環由3個標準塊、2個鄰接塊、1個封頂塊組成，其中標準塊67.5°，鄰接塊68.75°，封頂塊20°，縱向螺栓16個等角度分布，如圖1所示。管片環間由榫槽連接，環間凸榫端部高127 mm、凹槽內部高135 mm，環間榫槽連接時凸榫在凹槽中有8 mm的調整余量，同一環的塊間設置圓形剪力棒相連接，并沿管片四周設置防水膠條，如圖2所示。

圖1 襯砌圓環構造(單位：mm)

圖2 管片襯砌結構構造(單位:mm)

1.2 管片裂損規律統計

本文以某地鐵盾構隧道為依托工程，對施工階段出現的管片襯砌結構裂損進行了系統的現場調研，并對管片縱向裂損分布規律進行了分析。本次調研，共發現管片裂損443處，管片拱頂脫落數量最多，共203處，占裂損總數的45.82%；縱向裂紋略少于拱頂脫落，共183處，占裂損總數的41.31%；邊角部裂紋最少，共57處，占裂損部位總數的12.87%，管片分布比例如圖3所示、裂損形態如圖4所示。

圖3 裂損分布

在所有裂損形態中，縱向裂紋與拱頂脫落占比最高，是施工期影響管片質量問題的最主要的兩個因素。調研發現，拱頂脫落與環間錯臺有關。該地鐵盾構管片為帶凹凸榫管片，凹榫一側未設置鋼筋，當環間出現錯臺，管片凹榫受到凸榫擠壓和剪切作用，發生拱頂脫落病害。因此，對于拱頂脫落，可以通過調整管片凹凸榫參數，減少甚至避免該病害發生。但無法通過結構優化，避免縱向裂紋病害的發生，使其成為影響盾構隧道質量和耐久性最主要因素。

1.3 縱向裂紋特征分析

管片襯砌開裂是盾構隧道病害中最常見的一種損傷形式，如圖4所示，該裂損形式占總裂損量的41.31%。常見的縱向裂紋為一條或者多條間隔10～30 cm互相平行的裂紋。在調研中共出現兩類裂紋，按其走向可分為前裂紋和后裂紋。前裂紋始于盾構掘進方向的管片前緣，緊鄰管片凸榫所在處，并沿縱向向后進行擴展，如圖5所示。后裂紋始于盾構掘進方向的管片后緣，緊鄰管片凹槽所在處，并沿縱向向前擴展，如圖6所示。

圖4 裂損形態

圖5 縱向前裂紋

圖6 縱向后裂紋

表1為縱向裂紋統計結果，可以看出，前裂紋數量明顯高于后裂，前裂紋共計136處，占縱向裂紋總數的74.32%，后裂紋共計47處，占縱向裂紋總數的25.68%。以該地鐵工程某區間上行線305環L1管片為例，其開裂照片如圖5所示，裂紋位于管片掘進方向前緣，裂紋長度為47 cm。

1.3.1 縱向裂紋分布規律統計分析

圖7 縱向裂紋開裂狀態分布比例

從表1可以看出，絕大多數前裂紋發生在拱腰位置，占比達到72.79%。大部分后裂紋發生在拱腰和拱底位置，占比分別達到44.68%和48.94%，極少數的前裂紋和后裂紋發生在拱頂位置。前后裂紋均未出現在封頂塊(F)中，前裂紋在鄰接塊(L1)中分布比例最高，占比達到30.88%，后裂紋在鄰接塊(L2)中分布比例最高，占比達到30.88%。從裂紋的分布特征來看，大部分縱向裂紋的初始開裂位置多靠近相鄰環管片的縱向接縫處，且裂紋沿環向多位于手孔兩側，較少出現裂紋穿越手孔的現象，兩種裂縫均表現出明顯的區域集中性。

表1 縱向裂紋統計結果

1.3.2 縱向裂紋形態特征統計分析

分別采用專用的裂紋長度、深度、寬度測試儀，對區間隧道裂紋的長度、深度、寬度進行測量，表2為縱向裂紋形態特征統計結果，圖7為縱向裂紋寬度、深度、長度的分布圖。

表2 縱向裂紋形態特征統計結果

裂紋長度統計結果表明，兩類裂紋長度存在較為明顯差異：在平均長度上，前裂紋為521.29 mm，超過后裂紋7.9%；在最大長度方面，這種差距更為顯著，前裂紋長度的最大值已達到1 100 mm，遠大于后裂紋，前裂紋已近似縱向貫穿管片幅寬(1 200 mm)；兩類裂紋的最小值差異較小。

由圖7(a)可知，前裂紋長度的集中分布在[500，600)范圍內，而后裂紋則主要集中在[300，400)。這說明對于兩類裂紋的致裂因素而言，在管片初始開裂時，其引起管片混凝土受拉進入塑性階段進而開裂的效果相近，當裂紋進一步擴展時，前裂紋的致裂效應更為顯著。后裂紋長度的標準差及變異系數值更大，這表明后裂紋長度值沿隧道縱向的離散程度更高。在地層多樣性變化時，后裂紋對盾構施工精度及管片拼裝質量的敏感性更強。

裂紋寬度及深度是結構長期耐久性及安全性的宏觀反應，其中裂紋寬度更是評價結構穩定性的關鍵指標。圖7中兩類裂紋寬度和深度的統計規律與裂紋長度的統計規律均保持一致，即在量值以及集中分布范圍等方面，前裂紋均要明顯高于后裂紋。

施工期，管片結構產生縱向裂紋，不僅會引起盾構隧道防水體系的失效，還會導致管片結構受力性能大幅度降低。通過調研分析發現縱向裂紋在隧道管片病害中所占比例最高，而兩類縱向裂紋中，前裂紋不論在長度、深度還是寬度上，其存在數量更多、波及范圍更廣、病害程度更深，其對盾構隧道結構承載能力的影響更為顯著，是威脅隧道結構安全性及耐久性的最主要因素。

2 數值模擬

2.1 模擬工況

如圖8所示，研究目標管片位于管片環右上部，共受到5對千斤頂推力作用，其中A區、B區作用千斤頂數量分別為3對、2對。

圖8 目標管片選取

當盾構穿越軟硬互層地層時，需要增大B、C、D區油缸壓力。根據本工程實際施工數據，盾構在均勻地層掘進施工時，管片受到的千斤頂推力為10 MPa左右，當盾構機過渡到軟硬互層地層后，需要調整油缸壓力，增加B區千斤頂推力，從而實現對盾構機姿態的控制。在模擬計算時，對目標管片各靴板分別施加10 MPa千斤頂推力，隨后逐漸增加目標管片B分區千斤頂推力，直至目標管片開裂破損。

當盾構施工穿越過大地應力、圍巖變形過快等不佳地質條件，以及因刀盤過度磨損造成開挖直徑減小或是需要停機更換刀具等情況時，都可能引起盾體受困，通常采用加大油缸壓力，增大千斤頂推力的方式使盾構機脫困。本工程實際施工脫困過程中，一般在25 MPa以上。本節模擬計算時目標管片所有千斤頂荷載均同步增大至大于25 MPa。

根據現場施工不良荷載(千斤頂推力過大和千斤頂推力不均)，基于擴展有限元原理，建立ABAQUS模型模擬縱向裂紋擴展情況，以探明裂紋發展規律和最終破壞特征。

2.2 數值模型

本工程盾構管片采用“1+2+3”的分塊方式，即1個封頂塊，2個鄰接塊和3個標準塊。本文選取其中1個標準塊建立擴展有限元三維實體精細化模型。管片外徑6.2 m，內徑5.5 m，寬1.2 m，厚0.35 m。標準管片上有縱向手孔4個，環向手孔6個。

管片徑向側面在加載過程中，由于管片徑向側面在加載過程中可能會與相鄰管片多次擠壓及分離，管片側面與相鄰管片側面之間接觸不是簡單的鉸接或者固定端約束。在管片兩側建立兩個基座[14]，用于準確模擬這種復雜的邊界條件。頂面不加約束，底面采用固定約束，其余側面均約束節點的法向位移。

建立好的模型網格如圖9所示。

圖9 管片網格

2.3 材料參數

ABAQUS中混凝土塑性損傷模型所需參數[15]：管片混凝土彈性模量2.648×104MPa，泊松比為0.167，剪脹角為15°，偏心率為0.1，雙軸與單軸壓縮強度比值為1.16，屈服常數為0.666 7。管片混凝土的壓縮和拉伸特性見表3?；炷林g的摩擦系數是0.3～0.4，為了反映普遍情況，本文中取平均值0.35?；炷僚c鋼板間的摩擦系數因鋼板的粗糙度不同變化較大，本文中兩者之間的摩擦系數亦取0.35。

表3 混凝土壓縮拉伸特性

2.4 數值模擬結果2.4.1 管片裂紋形態分布

圖10為目標管片在盾構穿越軟硬互層地層施工推力不均時的裂紋分布形態，管片中部產生了單條縱向裂紋，且其開裂路徑沿徑向貫穿管片。如圖10(c)所示，初始開裂位置在端面上位于千斤頂不同分區的邊界處，此處管片局部應力集中程度較高。此外，由于內弧面手孔對管片結構存在一定的削弱作用，提高了管片結構內弧面的應力集中程度，導致裂紋始發于管片結構內弧面。如圖10(d)所示，最大剪應力所在位置與裂紋初始位置相一致，表明在非均勻千斤頂推力作用下，管片結構受到剪切作用而開裂，且隨著A、B分區千斤頂推力差值的增大，管片結構所受剪切作用越發明顯，最終在管片頂面形成了自內弧面至外弧面的貫穿裂紋。此類裂紋與圖5所示縱向前裂紋較為相似，說明千斤頂推力不均與縱向裂紋存在一定的關系。

圖10 目標管片在推力不均時的裂紋分布

圖11為管片在盾構機推力過大時的裂紋分布情況，初始裂紋產生在管片內弧面邊緣，管片中部開始出現1條縱向前裂紋?？v向裂紋慢慢發展成為多條縱向裂紋，進而發展成區域破壞。從圖11(d)可以看出，管片頂面中部最大剪應力并未發生在初始裂紋位置處，這表明推力過大與推力不均破壞模式不同。推力過大情況下，管片因最大主應力超過材料極限強度而開裂，然后裂紋擴展到凸榫底部并沿凸榫邊緣分別向管片端部以及外弧面擴展，多條裂紋交叉，形成區域壓潰破壞。

與推力不均工況相比，過大千斤頂推力作用下管片裂紋分布形態范圍更廣，應力集中程度更高，管片出現大范圍壓潰現象，表明千斤頂推力過大條件下，引起管片開裂破損的主要原因是千斤頂荷載的大小，進一步說明在盾構掘進過程中，千斤頂推力在盾構推進過程中以反力形式作用于管片上，在施工中對管片局部影響最大。

圖11 管片在推力過大時的裂紋及應力分布云圖

2.4.2 管片裂紋擴展規律

圖12為目標管片在推力不均時目標管片裂紋長度隨管片壓縮變形而變化的曲線，其中管片的壓縮變形量指千斤頂作用下管片幅寬的變化量。從圖中可以看出，裂紋總長度為720 mm，裂紋長度變化呈現較為明顯的臺階式遞增特征。分析其原因，混凝土材料作為典型的脆性材料，當系統中存儲的彈性應變能能夠滿足(大于或等于)材料開裂形成新表面所需的表面能時，裂紋失穩開始擴展，系統釋放的彈性應變能就是裂紋擴展的原動力，因此裂紋擴展是一個能量積累-釋放的往復過程，在圖中表現為明顯的階梯性。

圖12 推力不均裂紋長度隨管片壓縮變形而變化曲線

圖13為千斤頂推力過大時目標管片裂紋長度隨管片壓縮變形而變化的曲線，從圖中可以看出，裂紋總長度為4 032 mm，裂紋長度變化呈現出先緩慢增長，在管片壓縮量為0.15 mm時，管片裂紋急劇發展，裂紋長度急劇增長，此時，管片壓縮量基本保持不變。然后，管片壓縮量保持不變，裂紋長度不變，但是裂紋深度和寬度在不斷增大，最后達到壓潰破壞。

以千斤頂推力過大為例，裂紋發展如圖14所示：千斤頂加載初期，結構應力集中程度較低，管片未出現裂紋。當管片壓縮變形達到0.037 2 mm時，管片中間手孔上方出現“八”字形裂紋，如圖14(a)所示。接著“八”字形裂紋合并形成“小”字形裂紋，同時在其旁邊衍生出1條平行裂紋，如圖14(b)所示。此后，裂紋一端向內弧面手孔方向發展，另外一端沿徑向朝管片外弧面擴展，如圖14(c)所示。當管片壓縮變形達到0.153 1 mm時，如圖14(d)所示手孔附近出現首條裂紋，隨后裂紋貫穿手孔(圖14(e))。頂面裂紋出現在螺栓孔周圍，隨后裂紋擴展至管片外弧面，與管片邊緣呈45°夾角，如圖14(f)所示。外弧面裂紋發展較為迅速，很快形成相互交叉的大范圍網狀裂紋，直至管片最終壓潰破壞。

圖13 推力過大裂紋長度隨管片壓縮變形而變化曲線

圖14 推力過大管片裂紋擴展變化過程

3 結論

以某地鐵盾構隧道施工為工程背景，對隧道管片襯砌裂損進行系統的現場調研與統計分析，并建立擴展有限元數值模型，對千斤頂推力不均和推力過大作用下的管片裂縫產生部位、外觀形式、擴展規律、管片破壞形式進行探討，得出以下結論。

(1)施工階段盾構管片裂損形式可歸結為縱向裂紋、拱頂脫落、邊角部裂損3類。縱向裂紋是施工期影響管片質量問題的最主要因素。

(2)縱向裂紋在隧道管片病害中占比達到41.31%，縱向裂紋可分為前裂紋和后裂紋，前裂紋與后裂紋相比，其數量更多、波及范圍更廣、病害程度更深，對盾構隧道結構承載力與耐久性的影響更為顯著。

(3)數值模擬結果顯示，推力不均和推力過大是縱向裂紋產生的兩個主要因素，分別表現出剪切破壞與區域壓潰破壞，推力過大在施工階段對管片局部影響最大。

(4)裂紋擴展是能量積累-釋放的往復過程，裂紋長度變化呈現較為明顯的臺階式遞增特征。