沈俊 晏莉

【摘? 要】隨著城市不斷發(fā)展，地鐵已成為城市交通的重要組成部分。各大城市已建成的地鐵工程表明，地鐵區(qū)間隧道的管片裂縫是目前地鐵工程中的常見病害，盾構中管片裂縫容易導致地下水滲漏，甚至為地鐵的安全運營和設備正常使用造成重大安全隱患。本文通過對于管片裂縫進行相關文獻的參考查閱，對城市地鐵區(qū)間隧道管片裂縫形成原因及處理措施進行總結與歸納。針對管片的不同時期，分為生產階段和使用階段產生裂縫原因分析，再結合相關管片裂縫案例，給出了預防與補救措施。在盾構隧道施工如何預防和處理裂縫方面，以及最小程度的規(guī)避它的危害提供參考經驗，對盾構隧道病害的減少具有重大意義，并對現(xiàn)今管片裂縫研究空白處進行展望。

【關鍵詞】管片裂縫;裂縫形成原因;裂縫預防;裂縫處理

引言

近年來城市盾構隧道的蓬勃發(fā)展，盾構隧道病害問題日益嚴重。經研究結果表明，管片裂縫變形是盾構隧道病害的根源，其可能引發(fā)盾構斷面橢圓變形、管片的壓潰與錯臺以及盾構隧道的滲漏水問題等。而引起管片裂縫的原因并不是單一因素[4-9]，所以對于管片裂縫進行相關研究十分重要。

國內外針對管片裂縫做了許多相關研究：韓士釗[10]針對盾構掘進過程中管片開裂類型及其原因進行了探討，依托工程實例對開裂具體原因和應對措施進行了詳細闡述;葉耀東通過理論分析研究了上海某地鐵管片錯臺、裂縫等病害的原因，并提出了相應的工程措施;張則忠將管片錯臺時間分為管片安裝前、施工過程中、施工完成后三類，并分析了各類錯臺產生的原因及預防措施;張建剛[13]盾構隧道在千斤頂推進時引發(fā)的管片裂縫現(xiàn)象，通過管片組合體加載模型對管片應力分布和傳遞方式進行了研究，得出了裂縫的開展主要原因，并給出了相應工程措施。隨著盾構隧道的增多，對于管片裂縫的研究內容也與日俱增，但是鮮有人對于眾多研究案例案發(fā)進行及時更新總結和歸納。

本文對于近年來管片裂縫案例研究進行文獻的相關調研，對其形成原因和裂縫補救措施進行總結和歸納，在盾構隧道施工如何預防和處理裂縫方面，以及最小程度的規(guī)避它的危害提供參考經驗，對盾構隧道病害的減少具有重大意義。

1.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫類型

在盾構隧道中，管片是盾構的承載體，接縫與螺栓共同構成其邊界條件。管片裂縫一般分為微觀裂縫和宏觀裂縫，微觀裂縫是管片本身具有的，在結構中分布不連續(xù)、不規(guī)則，通常寬度小于0.05毫米，肉眼是無法看到的。而宏觀裂縫是由微觀裂縫發(fā)展而來的，通常大于0.05毫米，如圖1所示。盾構推進的過程中，由于盾構推進是個動態(tài)過程，管片的受力不均勻且不斷變化，當管片受力不均勻程度超過一定的限度時，管片就會產生裂縫或碎裂。而宏觀裂縫又分為非貫穿裂縫、拼接面裂縫和貫穿裂縫。非貫穿裂縫深度較淺，一般裂縫寬度不超過0.1毫米，修補后不會對管片的使用造成影響。拼接面裂縫是存在于管片拼裝面的非貫穿裂縫。貫穿裂縫是切斷管片結構的大裂縫，有貫穿裂縫的管片在隧道使用中會影響地鐵隧道的使用壽命，甚至造成安全事故。

2.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫形成原因

2.1生產過程中管片產生的裂縫

（1）原材料方面

混凝土原材料質量不達標是導致管片裂縫出現(xiàn)的原因之一。影響混凝土原材料質量的原因主要有：一是砂礫粒徑.砂礫粒徑過小，就必須在施工過程中摻入更多的水和水泥，從而導致鋼筋出現(xiàn)腐蝕，久而久之導致混泥土出現(xiàn)裂縫;二是水泥比例，現(xiàn)在很多地鐵工程由干混凝土使用量大，大都使用商品混凝土.而如果商品混凝土;中的水泥含量過多.就會導致混凝士硬化收縮變形，當超過混凝土的抗拉極限進而導致管片上混凝土裂縫的出現(xiàn)

（2）管片養(yǎng)護不當

盾構施工項目中難免會在現(xiàn)場進行管片的存放的情況，這時如果管片的養(yǎng)護不當，也會導致管片裂縫的出現(xiàn)。相關文獻據(jù)調查，管片裂縫區(qū)段都是在冬季，且隧道已全部貫通的情況下施作二次襯砌的。在二次襯砌施工過程中沒有采取有效的低溫混凝土養(yǎng)護措施，從而養(yǎng)護時溫差太大導致裂縫。

（3）泵送混凝土灌筑工藝不規(guī)范

管片表面的“起砂”現(xiàn)象說明混凝土在灌筑過程中存在泌水和離析現(xiàn)象。還有管片澆搗不密實，會產生毛細孔隙或蜂窩狀孔洞，在一點外力下發(fā)展為裂縫以及塌落度把控不嚴格導致混泥土中游離水蒸發(fā)后引起的體積收縮導致的裂縫。

2.2盾構機在掘進過程中管片產生的裂縫

（1）地基因素

地基方面的原因生要是盾構施工中地基出現(xiàn)不均勻的沉降或水平位移等變形而導致。地基產生變化，混凝土結構預應力增大，一旦超過混凝土的抗拉極限，就會導致混凝土裂縫的出現(xiàn)。而導致地基變形的原因是多方面的，主要可分為外界因素和認為因素所導致.外界因素主要是指外界環(huán)境的變化.例如施工過程中地段與地段的地質條件不同、土質壓縮性過快來不及過渡、結構荷載差異大、對混凝土強度要求驟然增大等;人為因素主要是指由于人為方面的因素導致的，例如，地質勘查工作未做好、地質情況分析不透徹、提供的地質參考數(shù)據(jù)有誤、混凝土材料把關不嚴、工藝技術不精湛、施工現(xiàn)場監(jiān)理不到位、設計缺陷等。

（2）荷載因素

荷載是施工中導致管片出現(xiàn)裂縫的主要因素之一。這是由于混凝土的承載能力是有限的，一旦混凝土上荷載量超過其承載能力，就會導致混凝土裂縫的出現(xiàn)。同樣，因荷載導致混凝土的裂縫的原因是多方面的：一是混凝土自身質量不達標，自身承載能力不高，難以達到地鐵施工用混凝土強度的需要;二是混凝土成型尚未完成、未達工程強度要求時，由于受到額外的壓力不堪負重而導致混凝土裂縫的出現(xiàn); 三是混凝土承載強度未達標時受到外力的擠壓或撞擊、施工器械放置不當?shù)葘е禄炷磷冃?、進而異致管片裂縫的出現(xiàn)。

（3）環(huán)境因素

環(huán)境因素也是裂縫形成的重要因素。裂縫段特殊的工程環(huán)境（砂卵石地層，地面動載作用等）和特殊的降水方式容易引起地層松動，從而誘發(fā)較大的地層壓力;：較長時間的降水作業(yè)，特別是因降水引起的砂層流失使地層始終處于一種動態(tài)的變化過程中，從而使初期支護遲遲不能穩(wěn)定，以致二次襯砌的施作時機始終不能滿足規(guī)范要求;由于二次襯砌混凝土原因，使混凝土結構自身存在品質缺陷，從而在一定程度上降低了二次襯砌的承載能力;

由于區(qū)間隧道二次襯砌施工的特殊性，使得二次襯砌結構的實際工作狀態(tài)（如拱部存在空隙等）與設計計算模式存在較大的差異。在某些特殊工程環(huán)境下，且當混凝土管片自身又存在某些缺陷時，容易產生混凝土結構的受力裂縫。

（4）施工因素

施工方面的原因主要是盾構隧道施工方面需著重注意的因素。當區(qū)間隧道線路曲線半徑較小時，盾構機姿態(tài)控制難度較大，導致盾構機時長姿態(tài)不理想，糾偏時可能造成了盾尾擠壓管片的現(xiàn)象，在曲線段施工時為了控制盾構機轉向，各區(qū)千斤頂推力不等，造成各個分塊的受力大小不勻，管片容易出現(xiàn)裂縫且管片整個環(huán)面不平整。除了施工掘進時，管片平壯師也是控制方面重要因素，每環(huán)管片拼裝封頂塊時，因橡膠密封條錯位并凸出管片環(huán)面，造成管片環(huán)面不平整，在較大推力作用下容易引起管片沿環(huán)寬方面開裂。

3.地鐵區(qū)間隧道管片裂縫措施

3.1管片裂縫的預防

3.1.1前期管片制造過程

（1）原材料的選擇

經過對比，同一產地的原材料配置的混凝土和易性會比不同一產地的好;在高溫天氣應選取產熱量低的水泥產品，在添加劑使用上，對早強劑或塑化劑等各種添加劑，也選取產熱量低的，降低混凝土產生熱量;在低溫天氣選應選取產熱量高水泥產品，在添加劑使用上，對早強劑或塑化劑等各種添加劑，應選取產熱量高的，控制混凝土溫度的提高;采用細度適當?shù)乃啵翰挥眉毝葮O細的水泥，以減少早期水化熱。

（2）混凝土中摻入一定數(shù)量的粉煤灰

由于粉煤灰呈球狀起潤滑作用，不僅能代替部分水泥，還能改善混凝土的工作性，降低混凝土中的水泥水化熱量，減少了裂紋。加強振搗，保證混凝土的密實性;同時地鐵較多使用防水混凝土，也須防止因過震引起混凝土離析

（3）嚴格控制水灰比

水灰比小，混凝土的流動性小，但是粘聚性和保水性增加，使硬化后的混凝土的強度、耐久性提高，干縮減小。但是水灰比過小，則不能保證混凝土的密實成型，會使混凝土的強度和耐久性下降?？刂扑冶龋m當?shù)臏p少水的用量，可以有效的提升抗?jié)B性，并且避免混凝土泌水干縮現(xiàn)象。

（4）坍落度的控制

坍落度大，骨料沉降速度快，阻礙水泥砂漿繼續(xù)沉降，形成外部泌水，這些多余的游離水逐漸蒸發(fā)，在混凝土中形成毛孔細道，導致縫隙出現(xiàn)，要根據(jù)施工季節(jié)控制坍落度在60mm 左右，保持其均勻性，可以確保混凝土均勻的凝固，減少裂縫產生的幾率，避免混凝土因含水量過大造成干縮裂縫。

（5）管片的振搗收光

振搗時應避免搗振不均勻產生的質量問題，可采取分層布料的形式，循序漸進，一次成型。采用搗振臺按設定時間進行搗振，切勿過振或者漏振，保證管片的均勻性。振搗完成，收水壓光后盡快用塑膜蓋覆嚴密，防止脫落及露角，以防管片外弧面混凝土過度蒸發(fā)和熱量散失。管片外弧面出現(xiàn)裂往往是最后一次收面時間結束太早，而覆蓋塑膜時間又太晚造成的，或者當最后一次收面收得太晚，管片表層失水，外弧面硬化速度大于內弧面時會造成龜裂現(xiàn)象。

（6）養(yǎng)護

經過試驗管片初期養(yǎng)護，主要是要防止溫度變化過快，所以只有盡可能的克服和減少溫差現(xiàn)象，就可杜絕或減少管片的溫差裂紋。具體做法是：在收光抹面區(qū)設置預蒸養(yǎng)區(qū)，在蒸養(yǎng)房里設定升溫、恒溫和降溫區(qū)，使管片進過每個區(qū)域溫差不超過 10℃，升溫降溫梯度不超過 10℃每小時。 管片出蒸養(yǎng)房或者脫模時避免風吹，冬季應及時覆蓋防止表面溫度下降太快形成裂紋。脫模后，最好采用浸水養(yǎng)護或者涂刷養(yǎng)護劑的方式，浸水養(yǎng)護時管片與水的溫差不能超過 20℃，防止管片出現(xiàn)收縮裂紋，在水中養(yǎng)護時間一般不少于一周，養(yǎng)護水應氫氧化鈣溶液。若采用噴淋養(yǎng)護，噴淋水流不均勻，在局部更易造成裂紋和水紋。嚴格控制混凝土養(yǎng)生質量，澆水養(yǎng)護時間應適當延長，尤其注意早期養(yǎng)護，有條件的情況下，也可噴灑養(yǎng)護劑、減水劑等，可以有效地防止干縮裂縫和塑性裂縫的出現(xiàn)

3.1.2管片運輸與存放過程

（1）嚴格按設計和現(xiàn)場揭露地質對現(xiàn)場地基基礎進行處理，控制施工放線高程，減小不均勻沉降對控制混凝土裂縫是關鍵和極其重要的。

（2）嚴格控制管片脫模強度，一般在 20Mpa 方可脫模，要加強吊運工人的培訓，確保管片起吊時，吊點在管片的重心位置，使管片在吊運過程中有足夠的穩(wěn)定性，在管片上采用防護膠墊，防止管片碰撞造成裂紋及掉角。

3.1.3盾構施工控制過程

（1）優(yōu)化盾構施工參數(shù)，同時采取必要的措施，通過刀盤向土體加入泡沫劑、膨潤土等渣土改良劑，能夠有效地減少扭矩和盾構總推力，從而減少管片受力，避免管片裂縫的產生。

（2）盾構掘進時，在施工允許條件下適當降低掘進速度，同時加強對于盾構機姿態(tài)的控制。

（3）加強盾構隧道管片的糾偏量，保證千斤頂與管片斷面的垂直度，減少對管片的向外彎矩。

（4）管片拼裝時，控制拼裝質量，保證最后一塊管片（封頂塊的拼裝空間），同時在封頂塊兩側密封條及其對應的鄰接塊密封條上涂抹潤滑劑，減少阻力，防止密封條凸出環(huán)面。

3.2管片裂縫的處理

裂縫的預防，即使采取了一系列的控制措施，但也并不能確保裂縫不出現(xiàn)，當出現(xiàn)裂縫時，可以用修補材料，對裂縫進行修補，修補材料具有凝固快、強度高等特點，修補之后能滿足管片的強度要求。嚴格按設計和現(xiàn)場揭露地質對現(xiàn)場地基基礎進行處理，控制施工放線高程，減小不均勻沉降對控制混凝土裂縫是關鍵和極其重要的。

（1）涂抹法：主要是在管片表面涂抹材料，這種管片裂縫的修補方式適用于管片較為淺層的淺細的裂縫，這種裂縫，漿材難以被灌入，而且深度還未達到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫尚未引起漏水。是固定的不活動不伸縮的;

（2）表面貼補法：對于大面積的管片裂縫甚至已經引起漏水而不能確定漏水位置的裂縫，具有較好的修補效果;

（3）填充法：比較適用于用灌漿的方式很難達到理想修補效果的管片裂縫，以及較小規(guī)模的裂縫可采用填充處理法;

（4）結構補強法：主要適用由干荷載引起的裂縫，裂縫長時間得不到有效處理導致的管片耐久性降低等原因造成的裂縫可采用這一方法。

4.總結與展望

本文對于城市地鐵盾構中的管片裂縫案例研究成果進行參考和分析總結，得到主要結論如下：

（1）本文通過對于城市地鐵盾構中管片裂縫的分類、常見成因以及現(xiàn)有的預防與補救措施進行總結，但是由于目前對于管片裂縫的分類相關學者沒有一個明確固定的分類標準，所以本文采取的是從一個宏觀和微觀角度對于管片裂縫分類進行統(tǒng)述，今后對于管片裂縫進行詳細分類，亦或對于管片裂縫進行危險定級可繼續(xù)進行相關研究與探討。

（2）管片裂縫的產生主要分為三個階段：管片生產、管片運輸、管片施工。隨著管片生產制作工藝的不斷發(fā)展，管片生產過程中產生的裂縫概率不斷降低，但管片生產過程仍然是管片裂縫產生的重要環(huán)節(jié)。隨著盾構隧道的發(fā)展與普及，越來越多的盾構施工中管片裂縫的產生各不相同，目前施工中管片產生裂縫的主要原因分為：地基、荷載、環(huán)境和控制四大因素。

（3）針對管片裂縫產生的原因，本文提出了相應方案，主要包括預防和補救措施。預防主要是對于管片生產與運輸中嚴格把關，施工控制中，提升施工工藝，精準控制施工精確度;而對于管片已產生的裂縫，采用涂抹法、表面補貼法、填充法和結構補強法進行處理。對于今后產生的新型管片裂縫可繼續(xù)深入研究不同補救措施。

參考文獻

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