1. 盾構管片混凝土裂縫的機理
盾構隧道是一項重大工程，用作支撐結構的盾構管片一般為高效能混凝土和高強混凝土，但即便如此，由於各種原因，在管片生產、隧道施工和運營過程中，管片中經常會出現微裂紋甚至可見裂紋。 近年來，許多學者聚焦於裂紋對盾構管片的一系列不利影響，系統地研究了管片裂紋的原因和機理，取得了一些有意義的研究成果。 林楠[11]和吳振志[12]認為，根據形成原因，段狀裂紋可分為兩類：變形引起的裂紋和應力引起的裂紋（包括直接應力和二次應力）。 許多學者認為，裂縫的出現與管片的加工過程密不可分，裂縫一般分為生產裂縫、施工裂縫和操作裂縫三大類。
1.1 生產過程中的裂縫
在預製廠的管片生產中，由於混凝土組成材料中的水密度最小，在振動杆工作時受到擠壓應力後，混凝土中的水分很容易移動到模具側板與管片側面之間的接縫處並停留， 當混凝土凝固和硬化時，導致表面塑性收縮和表面微裂紋的出現。再加上自重和振動力的作用，混凝土中的粗骨料會下沉，水泥漿會漂浮，這會使混凝土的均勻性變差，這也會導致裂縫的萌生和擴大[13]。 例如，廣州地鐵1號線的部分地區和新加坡地鐵的盾構區段出現了嚴重的網狀裂縫。
此外，盾構管片周圍環境條件的變化，如溫度和濕度，也會導致混凝土管片出現裂縫。 當混凝土內外表面溫差較大時，會影響水泥的水化速率，使水泥水化產生的膠結力不夠均勻，容易產生較大的溫度應力。 此時混凝土尚未定型，形成的黏結結構的連線力較小，在溫度應力作用下容易產生砂漿裂縫。 同樣，當空氣中的濕度較低時，混凝土表面水分的蒸發速率遠大於內部水分的排洩速率，導致收縮裂紋更明顯[14]。 例如，廣州地鐵2號線和新加坡地鐵的盾構區段中有一些路段存在嚴重的網格狀開裂[15]。
1.2 隧道施工過程中產生的裂縫
在運輸和安裝過程中，遮蔽段的邊緣容易受到碰撞造成的損壞和裂紋，箱形段也容易被遮蔽千斤頂的推力開裂。 在吊裝、運輸、盾構機掘進、管片裝配的整個過程中，管片的邊緣不可避免地會受到外力和機械的擠壓和碰撞，因此管片的拐角不時被破壞[16]。 另一方面，盾構管片除了作為隧道的支撐結構外，在盾構施工中還起到為行進和轉彎提供反作用力的作用，當千斤頂推力與管片成一定角度時，管片會產生額外的彎矩，導致部分部位應力集中，管片開裂[17-18]。 此外，在去環過程中遮蔽尾部的擠壓也可能導致管片錯位甚至開裂[19]。 由這些施工因素造成的襯裡損壞可能看起來很小，但在襯裡隨著時間的推移而惡化後，它可能會造成重大問題。
例如，我國廣州地鐵1號線、2號線隧道中間發現混凝土管片開裂，拱頂裂縫較為嚴重，90%裂縫分布方向與盾構推進方向極為相關。 瑞士索倫貝格天然氣隧道的盾構管片由貝卡爾特鋼纖維增強混凝土製成，開挖段的盾構尾部組裝後嚴重開裂[20-21]。 2009年，深地鐵一期第7段盾構隧道開挖過程中，在段的外弧面、拐角和圓周螺栓孔處發現混凝土裂縫。 可以看出，隧道施工過程中各種外力和力學作用對混凝土管片裂縫擴充套件的影響不容忽視。
1.3 地鐵執行過程中產生的裂縫
襯砌混凝土開裂是地鐵隧道中最常見的病害形式，在地鐵隧道執行過程中，作為地鐵隧道最重要的支撐結構，混凝土管片在荷載作用下也會萌發各種裂縫[22]。 此外，盾構管片的地下環境比較複雜，周圍環境條件（包括溫度、濕度、pH值）的變化可能導致管片承受一定的附加應力，地基變形、碳化收縮、鋼筋腐蝕膨脹等都會引起管片出現裂紋[23]。 例如，2009年，上海軌道交通11號線隧道的一段被破壞，發現盾構段被正在建設的京滬高鐵的PC樁破壞[24]。 2011年7月，杭州地鐵1號線湖濱站和龍翔橋站之間的左線隧道段被西湖大道綜合固結工程地質勘探鑽孔刺穿[25]。
針對地鐵執行中盾構管片的開裂問題，相關人員採用現場測量和理論分析，研究了管片的開裂現象。 楊旭等[26]擬合了南京地鐵盾構隧道段執行中的實測值，判斷了隧道段各段的應力狀態，解釋了隧道段出現裂縫的內部原因，為盾構隧道的執行維護提供了依據。 針對習地鐵某段突水事故的危害性，賴金星等[27]的研究表明，突水引起的段間應力不均勻和應力集中導致了段的萌芽和快速發展。 羅勇[28]基於斷裂力學，研究了隧道管片結構的開裂機理和控制方法。 董飛[29]根據北京地鐵隧道病害檢測結果，分析了執行時間對隧道開裂狀態的影響。 結果表明：盾構隧道病害的根源在於管片節縫的變形，改變了盾構管片的形狀，導致管片坍塌，隧道內出現漏水現象;
從以上可以看出，相較於管片生產施工過程中對裂紋的關注，對作業過程中管片裂紋規律的研究相對較少，現有的研究大多集中在裂紋的現場檢測和理論分析相結合，對多重附加載荷引起的管片裂紋的研究還較少。 因此，必須將隧道作業過程中發生的盾構管片結構損傷問題的研究提上議事日程，並給予更多的重視。
2、遮蔽管片的裂紋控制技術
2.1 結構設計與施工控制
研究表明，雖然目前的技術不能暫時防止混凝土裂縫，但裂縫可以在一定程度上得到控制[30-31]。 由於盾構管片開裂的複雜因素，管片內混凝土裂縫的控制研究一直是隧道工程的熱點和難點。 基於此，根據混凝土使用環境的不同，國內外出台了相應的最大允許裂縫寬度設計規範，並試圖通過調節原材料、精準設計、安全施工三個方面在一定程度上抑制混凝土開裂[32]。 對此，王新剛分析了管片裂紋產生的原因，將管片裂紋分為收縮裂紋、溫裂紋和不均勻沉降裂紋，並提出了有針對性的裂紋控制措施和方法。 張輝提出，要加強管片生產和隧道施工各環節的管理，選用合適的原材料，保證管片成型質量，注意混凝土養護時間; 嚴格控制工廠內段的裝料和堆垛; 根據隧道情況及時調整盾構機姿態，注意管片裝配順序，加強質量控制，避免管片錯位現象。
與上述研究類似，彭波[33]、Bentz[34]和高忠偉[35]認為，有必要從原材料的最優選擇入手，加強配合比以優化設計，從而從源頭上降低混凝土開裂的風險。 認為，使用水化熱低的水泥可以有效降低裂縫的概率，適當新增粉煤灰、礦渣等活性礦物外加劑可以大大降低前期水化熱，從而達到減少裂縫的目的。 有學者[36-38]認為，可以從改進結構設計、改進施工工藝等角度出發，從合理設定後澆帶、適當降低成型溫度、保溫養護混凝土等方面減少混凝土開裂。 r.i.Gilbert[39]研究了混凝土中早期冷卻收縮約束裂縫的控制方法，並從鋼筋混凝土構件的實際約束程度的角度給出了控制早期開裂所需鋼筋量的合理程式。
2.2 原材料控制
資料顯示，許多混凝土裂縫在很早的時候就出現了[40]，變形變化引起的非結構性裂縫約佔80%[41-42]。 針對混凝土早期開裂的問題，Lee[43]和Ba Hengjing[44]通過抗裂試驗比較了摻入矽粉、粉煤灰和礦渣粉的混凝土與基準混凝土的早期開裂效能，研究結果表明，礦物外加劑顆粒與水泥顆粒的良好匹配可以提高新混凝土的施工效能， 提高混凝土結構的緻密性，進而降低開裂風險。Yang等[45]利用溫度應力試驗機研究了粉煤灰含量對混凝土抗裂早期的影響，發現當粉煤灰含量為40%時，早期裂縫數量最少。 有學者通過在混凝土中加入纖維材料來限制收縮裂縫的發展，發現混合纖維可以有效減少收縮裂縫[46]。 有學者發現，外加劑的摻入還可以提高混凝土的早期抗裂性[47]。
針對目前混凝土的溫度裂縫，王鐵萌[48]總結了多年工程實踐中的混凝土開裂現象，提出了一套解決溫度應力的方法——“阻力”和“釋放”的組合方法，該方法已應用於國內許多大型工程。 根據Ming Li[49]的說法，混凝土水化產生的峰值溫度與周圍環境的溫差是導致分段式混凝土主體結構早期開裂的關鍵因素，自收縮會增加開裂的風險。 妍達辛[50]通過實驗研究了溫度歷史和約束程度對早期混凝土開裂行為的影響，結果表明，不同溫度歷史條件下混凝土的開裂潛力存在顯著差異。 何珠[51]已經證明，溫度和/或收縮引起的受限裂紋的破壞行為與直接拉伸破壞不同，當受限拉應力超過直接拉應力的76%時，就會發生開裂。
混凝土是一種典型的脆性材料，許多學者試圖將纖維摻入混凝土管片中以提高其韌性，同時混凝土的抗裂性也得到了很大的提高。 西方國家較早開展了纖維增強混凝土技術的理論和實踐研究，纖維增強混凝土管片在地鐵工程中得到廣泛應用[52]。 我國北京地鐵10號線曾嘗試應用混合纖維鋼筋混凝土管片技術，上海地鐵M6線已建成50m鋼纖維鋼筋混凝土管片試驗段[53-54]。 徐源[55]研究了玄武岩纖維對高效能地鐵管片效能的影響，結果表明，玄武岩纖維摻入混凝土中對抗拉抗彎強度影響不大，但顯著提高了水泥混凝土的抗衝擊韌性，從而提高了管片的抗裂性。
可以看出，國內外許多學者根據遮蔽段的負載和服役狀況，從多個方面對裂縫控制技術進行了探索。
3、遮蔽管片的裂紋控制技術
3.1 裂縫修復技術
儘管國內外學者根據管片裂紋的原因提出了多種控制開裂的方法，但由於材料、澆築、施工等不可控因素，盾構管片的開裂現象仍在加劇。 因此，各大城市的軌道交通、地鐵建設對混凝土裂縫修復材料的需求迫切。 為了提高混凝土管片的使用壽命，國內外研究人員紛紛開發出混凝土裂縫修復材料，其中化學灌漿技術受到學者和技術研究人員的青睞。 化學灌漿是一種混凝土修復技術，它使用壓力裝置（如化學注漿幫浦）將某些化學物質製備成真正的溶液，並將其注入地層或裂縫中以擴散、凝結或固化它們[56]。
在管片裂縫修復方面，黃慧敏[57]根據隧道結構、裂縫和滲水等因素研究了化學灌漿材料，認為聚氨酯樹脂具有良好的水活性和滲透性，能抵抗各種地下水的腐蝕。 環氧樹脂比混凝土本身具有更高的強度，並且具有良好的附著力。 葉嬌峰[58]優化了修復材料的混合比例，王建輝等[59]採用聚氨酯材料對遮蔽管片進行修復，結果表明，修復管片的抗滲性優於基體，但抗壓強度和抗拉強度明顯降低。
3.2 管片加固技術
針對已經發生的管片損傷，石太偉[60]以某地鐵盾構隧道損傷工程為例，分析了隧道損傷機理，並在此基礎上開展了管片加固設計工作。 本文分析了地鐵盾構隧道病害的主要原因，提出盾構隧道的加固設計應遵循“先急後慢，內外兼修”的原則，落實剛度和耐久性的修復標準，滿足後期執行結構的安全耐久性要求。 劉廷進[61]在上海地鐵某區段實施了盾構管片襯砌的粘結鋼筋加固方案，並利用有限元軟體分析了粘結鋼筋盾構隧道襯砌的承載效能和破壞機理。 在此基礎上，對廣州地鐵盾構管片的加固效果進行了模擬和評價，得出粘結鋼筋可以顯著提高盾構管片的承載力。
綜上所述，可以看出，關於混凝土管片裂縫修復的研究很多，但目前研究中還存在乙個共性問題，即開裂的地鐵盾構管片在修復或加固後，在複雜的地下服務環境中是否有耐久性劣化，劣化規律是什麼， 這方面的研究仍然很少。地鐵管片長期處於地下潮濕環境中，裂縫修復後管片的耐久性直接決定了隧道的安全性，因此應更加重視這方面。
結論
由於服務環境的複雜性，地鐵盾構段引起的裂紋問題吸引了大量科研人員從多個方面進行研究和探索，也取得了一些有意義的研究成果。 目前，研究大多集中在裂紋產生機理、裂紋控制與修復技術的分析上，但仍存在一些不足，具體表現在以下幾個方面：
1）基於混凝土材料的複雜性，混凝土中的裂縫在專案中是不可避免的。盾構管片雖然埋在土下，但不同地區的環境效應並不相同，對管片不同部位的荷載效應也大不相同。 因此，有必要根據具體的工程條件對管片裂縫進行分析，使所提出的防控措施更具針對性和系統性。
2）混凝土配合料設計是保證節段混凝土抗裂性的關鍵環節，由於混凝土材料本身的複雜性，以及不同學者關注點和研究目標的差異，目前學術界對節段裂縫對結構的成因、發展和影響的研究深度並不統一。目前，關於抗裂機理的相關研究主要通過實驗進行分析，還遠未上公升到理論層面。
3）目前，盾構管片裂縫修復技術研究仍處於基於現場檢測和綜合系統評價相結合的定性評價階段，對修復管片的耐久性關注較少。因此，在裂縫修復下盾構隧道結構效能和健康狀態的定量評價中，需要開展大量工作。