Leibin Zuo等^[9]为研究高水压、长距离隧道在管片接头处由于错台而引起的结构损伤,进行了正负弯矩剪切试验,图4为正负弯矩下构件的受力机制,以获得接头错动、剪切刚度和接头处的剪切破坏规律.试验结果表明,弯螺栓与凹凸榫槽的应力状态是影响管片环间抗剪性能的关键因素,其破坏模式分为三个阶段,即接缝面摩擦力抵抗剪力阶段、螺栓与凹凸榫槽受力阶段和管片破坏阶段,试验过程中发现,混凝土的损伤演化早于螺栓的损伤.

图4 正负弯矩下接头的受力机制[9]
Fig.4 Mechanical mechanism of joint under positive and negative bending moments

张稳军等^[10]通过ABAQUS有限元软件模拟了不均匀沉降对管片接头处力学性能和防水性能的影响,模拟出不同错台量对最大应力值出现位置的影响,证明不均匀沉降对螺栓中截面应力有较大影响,管片混凝土的损伤多集中于螺栓孔周围,并指出错台量会直接影响隧道的防水性能,当错台量超过6.6 mm时,胶条的防水性能将全面丧失.

Hongqing Liu等^[11]针对管片及其接头的抗震性能,研究了隧道-土壤-地表建筑的相互作用以及由于腐蚀所引起的连接螺栓劣化,并推导出易损性曲线,对隧道的易损性进行评估.研究结果表明:在地表建筑物和地震的耦合作用下,盾构隧道更为脆弱,且当螺栓腐蚀率从10%增加至30%的过程中,隧道的损伤率随腐蚀的发展而显著提高.

李宝军等^[12]研究了螺栓的锈蚀对盾构管片耐久性的影响,通过数值模拟,并与实际模型试验数据进行对比分析.结果表明,螺栓受到腐蚀后对接头处的影响存在于塑性阶段,接头处变形增大,抗弯强度减弱,承载力降低,并在大偏心距时表现更为明显.

刘腾等^[13]通过对盾构管片进行火灾试验和接头处防水橡胶条在高温条件下的抗水压试验,研究了火灾条件下管片接头处的变形情况和钢筋混凝土的破坏,从图5中可以看出,过火位置混凝土剥落严重.试验对比了不同种类橡胶防水胶条的耐高温性能,指出一旦接头处橡胶条达到165 ℃,防水胶条将全面丧失防水性.

图5 过火处混凝土的剥落情况[13]
Fig.5 Spalling of the concrete at the place of fire

耿萍等^[14]考虑到隧道埋深处如遭遇地震、地层运动等情况时,对接头处螺栓会发生拉拔破坏,因此进行了接头处足尺拉拔试验.结果表明:对斜螺栓纵向接头进行拉拔会显著影响接缝面与外表面的应力分布,而对内表面内力影响不明显; 对斜螺栓进行顺向拉拔时发现,其承载能力表现较差; 但在垂直拉拔的情况下,螺栓与混凝土结合的较好,螺栓、套筒以及混凝土的破坏趋于一致,其承载力发挥较好.研究同时指出,加强螺栓与套筒间的结合能力,可以提高接头处的抗拉拔性能,所以可以通过加强套筒强度,增加套筒附近的配筋来提高接头的稳定性.

Qixiang Yan等^[15]通过有限元分析,研究了脱轨高速列车撞击时水下盾构隧道管片的破坏特征,研究结果表明:冲击区域中心的管片裂缝总体呈V形,内表面上的裂纹从冲击中心向外扩展,微裂纹出现在管片受冲击区的两侧,并向冲击区域扩展.纵缝接头处的弯螺栓裂纹为环形且闭合,可能发生螺栓断裂; 而环缝接头处的直螺栓可能发生不规则脱落,且随着列车运行速度的增加,管片与螺栓开裂的程度增加.

总结上述影响隧道安全的各种因素,可以得出:

(1)管片+螺栓作为盾构隧道永久性衬砌的装配式结构,螺栓对结构耐久性的影响不容忽视.其中:在弯矩的抵抗能力上,直螺栓具有一定的优势,但是考虑到直螺栓所需的手孔尺寸偏大,增强了应力集中,不利于管片结构的整体性; 而在抵抗接头错动方面上,斜螺栓可以很好地抵抗接头处的剪切力,增强结构的整体性,但高轴压下,斜螺栓受负弯矩时会出现明显的破坏特征;

(2)接头处螺栓的性能本质上取决于其自身材料属性,但顺向与纵向两种不同的受力形式对其承载力的发挥起决定性作用;

(3)在海底复杂地质条件下,土体含水率高,并受到潮汐、地质运动以及隧道内车辆运行所引起的扰动,隧道周围土体的侧压力系数有可能降低; 不均匀沉降所引起的错台会在螺栓孔处损伤管片,影响结构强度和胶条的防水性,而错缝拼装可提高结构整体性,提升隧道的抗震能力.此外,隧道内防火安全尤为重要,高温对接头处防水胶条的危害较为致命.

刘四进等^[18]为研究长期处于水土荷载和离子侵蚀环境下的管片性能衰退演化规律,研发了盾构管片加速锈蚀劣化系统,并进行了衬砌管片加速腐蚀劣化试验,得到不同条件下管片的损伤机理.研究结果表明:管片未锈蚀时,其裂缝形态主要为受拉横向裂纹,而受到锈蚀作用的管片出现顺筋锈胀裂纹; 在荷载与锈蚀共同作用下,锈胀裂缝与受拉裂缝共同作用会导致混凝土剥离,使承载力大幅降低.

Mingfeng Lei等^[19]为研究盾构隧道的环境适应性与力学性能,开发了一种海底环境模拟装置,如图7所示,通过此装置进行了荷载与氯离子耦合作用下的管片耐久性试验,得出了氯离子浓度、时间和荷载对氯离子进入混凝土保护层的影响及其浓度的分布规律,并且开发了环境因素与荷载共同作用下混凝土管片的耐久性评估模型,可用于预测管片的剩余使用寿命.

图7 模拟半浸泡试验装置[19]
Fig.7 Simulated semi-soaking test device

孙齐等^[20]考虑到大部分盾构隧道在服役期间均发生过漏水问题,研究了接头处如果已经发生了渗水的情况下(图8)管片侵蚀的发展规律.通过建立接头处渗漏-侵蚀数值模型,研究了在发生漏水时离子侵蚀对结构的损伤.结果表明,接缝处渗水会促进内侧混凝土侵蚀,侵蚀程度跟钢筋表面的离子含量与外水压均成正比,可在短时间内提升离子浓度.

图8 接头处渗水[20]
Fig.8 Water seepage at joint

徐少云等^[21]考虑到隧道在建设与服役期间,常常会产生裂缝并需要及时修补,而修补后结构的耐久性需要谨慎评定.因此设计试验,评估NR(新型修补材料)与传统常用的EC(环氧树脂修补材料)对裂缝修补后结构的抗侵蚀能力,并比较修补后二者结构的抗压、抗折等力学性能.结果表明,新型材料NR对裂缝修补后抗Cl^-渗透的能力较EC材料有显著提高,对于掺有聚丙烯纤维的混凝土管片效果更为明显.

詹国良等^[22]通过电通量评估混凝土的抗渗性,分析了养护龄期、掺合料种类与配比等因素对混凝土电通量的影响.试验表明:矿粉和硅灰有助于减小电通量,而低活性粉煤灰会增加电通量,导致氯离子渗透性增加; 且增加养护龄期有助于降低电通量.

马保国等^[23]鉴于高压富水环境下会损伤混凝土管片的耐久性与使用寿命,根据功能梯度材料的概念,对直接抵抗外界环境侵损的混凝土保护层进行研究.试验结果表明:无细观界面过渡区水泥基材料(MIF)保护层相较于普通混凝土和高性能混凝土保护层而言,其抗渗性、力学性能、耐久性以及使用寿命更优秀.

楚健等^[24]考虑到盾构管片间的接缝数量较多,且受到氯离子的侵蚀难以避免,于是利用Abaqus有限元软件对接缝处密封橡胶垫展开数值模拟,预测了100年后密封垫防水能力的损失量.研究表明,高水压环境下,氯离子的侵蚀导致密封垫防水性能降低为材料本身性能的0.93,因此,海洋环境下的设计水压增大系数应上调至1.07.

总结上述关于各种因素对盾构管片的影响:

(1)隧道服役期间,管片接头处钢筋混凝土将长期受到氯离子的腐蚀,严重时会导致混凝土开裂、剥落而降低其承载力与耐久性,而在混凝土中掺入矿粉、硅灰等改良材料可以有效提高混凝土的抗渗能力;

(2)海底隧道处于高水压氯盐环境下,密封橡胶垫的防水性能会小幅降低,应适当上调设计水压;

(3)氯离子对钢筋的侵蚀也不容忽视,当氯离子渗入保护层吸附在钢筋表面的钝化膜并达到一定浓度时,钢筋就会被锈蚀,并发生体积膨胀,使钢筋和混凝土的粘结力降低.因此在隧道运营期间,要对其进行不间断监测,出现裂缝或渗水要选择合适的材料和方式及时修补.

王艺霖等^[26]讨论掺有矿粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺合料对使用SAF(磺化丙酮-甲醛缩合物)型减水剂混凝土碳化程度的影响,并建立回归模型.研究结果表明:降低水胶比并提高养护龄期可以通过提高混凝土内部密实度,从而达到提高强度与抗碳化性的目的; 同时还指出,混凝土的抗碳化性能与矿粉的掺量成正比,与粉煤灰的掺量成反比.

郭寅川等^[27]考虑到湿热环境会加速混凝土的碳化破坏,于是进行了湿热环境下混凝土的碳化试验,并结合电镜与压汞,从微观角度分析了超吸水树脂(SAP)的掺入对提升抗碳化能力的作用机理.研究表明:SAP的掺入对控制混凝土碳化效果显著,并且可以重塑混凝土内部的孔隙结构,使其连通性降低; 同时SAP可以促进水化作用而对孔隙进行填充,进而抑制构件的开裂,降低CO₂的渗透性.

张旭辉等^[28]在考虑砼强度与保护层厚度等条件下进行标准快速碳化试验,并且考虑了温度因素,探究温度和混凝土强度对混凝土碳化的影响; 并基于试验数据建立模型预测碳化深度.研究结果显示,温度与碳化速度、碳化深度均成正比,对碳化起促进作用; 提高混凝土强度可以有效抑制碳化过程; 而保护层厚度对降低混凝土碳化失效率起决定性作用.

刘明辉等^[29]探讨利用硫酸钙晶须提高钢筋混凝土抗碳化性,通过试验研究了不同加载级别、不同硫酸钙晶须掺量对混凝土碳化速率的影响.试验研究表明,由硫酸钙晶须改良后的混凝土抗碳化能力增强,但过量掺入会使其抗碳化能力降低; 荷载增加会促进碳化,这在混凝土受拉区表现尤为明显,图 10、图 11为硫酸钙晶须微观结构与其对混凝土中孔隙填充的微观图像.

图 10 电镜下的硫酸钙晶须[29]
Fig.10 Calcium sulfate whiskers under electron microscope

图 11 硫酸钙晶须填充混凝土孔隙微观图[29]
Fig.11 Microscopic view of concrete pore filled with calcium sulfate whisker

朱国飞等^[30]通过电子扫描显微镜从微观角度研究了对混凝土构件表面进行打磨或喷刷涂料对提高其抗碳化性的效果.试验结果显示,对混凝土构件表面进行处理,尤其是用渗透性强的涂料进行喷刷可以有效地降低混凝土碳化; 此外,在碳化初期,构件中的裂缝宽度与CO₂的扩散速度成正比.

Dingshi Chen等^[31]为研究在碳化与荷载耦合作用下海工混凝土中氯离子的迁移规律,进行了侵蚀与碳化交替试验,讨论了混凝土强度、暴露龄期、弯曲和压缩荷载等因素对混凝土中氯离子扩散的影响.结果表明,氯离子含量随混凝土强度的增加而减小,随龄期的延长而增加,随弯曲应力的增加而提高,随压缩应力的增加出现先减小后增大的现象.同时试验表明,碳化会促进氯离子的传输,因此会加速钢筋中Fe元素的流失,加剧钢筋的侵蚀破坏.

由于无损检测技术可以避免在评估混凝土碳化程度的过程中受到不必要的二次伤害,最大程度上保护混凝土构件,因此受到国内外专家的广泛关注.F.Bouchaala^[32]通过非线性冲击共振学光谱评判碳化情况; Hurley等^[33]利用迈克尔逊干涉仪技术,获得了较好的效果; Herrmann^[34]借助外差激光干涉仪评估混凝土碳化程度,但由于激光本身具有局限性,该技术受反射面条件的限制.

李蓓等^[35]鉴于当前诸多对混凝土碳化深度的检测方法普遍对构件有所损伤,对大型构件的检测尤为明显,因此对三种无损检测技术进行可行性与准确性分析.评估结果表明:非线性超声技术相比之下准确性较高,技术也较为成熟,可多加以实际应用从而不断累积经验; 电阻率与空气渗透率结合检测法目前还没有考虑混凝土内部结构中的裂隙,且受限于饱和度范围,其技术手段有待提高; 电化学阻抗谱法得到的计算值与实测值较为接近,可以在实际工程中推广.

刘晓宙等^[36]基于非线性介观弹性固体(岩石、混凝土等)表现出非经典非线性声学现象的原理,对超声波在固体材料中的基波、二次谐波、三次谐波与声源幅度的关系进行研究,并将岩石、混凝土等材料的超声衰减与金属进行比较; 同时研究了浸水与否对混凝土超声谐波变化规律的影响.

总结上述研究成果表明:

(1)碳化反应会生成难溶性钙盐而体积膨胀,诱发细小裂缝的形成,使混凝土的密实性与抗渗性降低;

(2)掺合料改良混凝土、打磨表面和在表面涂刷涂料的方式从机理上来说是阻断混凝土与外界的连接通道或对内部孔隙结构进行调整的方式抑制混凝土的碳化,可提高混凝土的抗碳化性;

(3)对混凝土掺入一定量纤维类物质可提高抗碳化性,其机理主要是:通过抑制构件中裂缝的产生或限制裂缝的宽度以提高混凝土的密实度; 而过量掺入纤维类物质反而会使抗碳化性下降,因为大量无序无方向性的纤维物质会增加混凝土的熵值,阻碍了砂浆与骨料间的结合,使内部孔隙增大; 此外,纤维大量掺入使水泥的使用量相对减少,导致混凝土内部的黏结性降低;

(4)无损检测混凝土碳化深度技术在理论上具有很大的优势,在这方面的实际应用值得深入开展.

Chenjie Gong等^[37]考虑到与管片整体相比,接头处为薄弱环节,因此通过足尺试验,对比分析管片接头处使用常规钢筋混凝土和钢纤维钢筋混凝土的极限承载力,研究结果表明:钢纤维混凝土管片接头的峰值承载力略高于常规钢筋混凝土,但钢纤维混凝土管片接头提供了更高的初始开裂荷载和更高的压弯延性,且初始开裂时的能量吸收能力以及接头处产生的裂缝宽度显著减小.而钢纤维(如图 12)对裂缝的约束可为结构防渗防腐提供帮助.

图 12 钢纤维
Fig.12 Steel fiber

杨跃等^[38]探讨了完全使用钢纤维代替普通钢筋的可行性,对纯钢纤维混凝土进行了偏心受压试验.试验结果表明,钢纤维可以明显提高构件的抗裂性,但是其抵抗拉力的能力相比于钢筋要小得多,破坏时,无论受拉区还是受压区,混凝土都处于弹性阶段.这种现象在大偏心的情况下更为明显,当偏心距超过0.5时,承载力大幅降低.

郑爱元^[39]等对滨海海相地层盾构隧道进行研究,对盾构管片进行掺钢纤维改良,研究表明,钢纤维的掺入量超过某一临界值后,抗拉强度出现不升反降现象,而合理的混凝土配合比是影响抗拉强度的主要因素.因此,工程中需避免过量掺入钢纤维而导致强度下降的情况.

Kun Feng等^[40]通过电化学加速腐蚀试验,研究了钢纤维对钢筋混凝土管片力学性能及提高其耐腐性的影响,结果表明:钢纤维通过改善混凝土内部结构延长钢筋的初始腐蚀时间,同时可抵抗钢筋腐蚀所引起的膨胀力,减缓主筋的腐蚀速度,降低整体的应变增量; 且钢纤维的掺入可提高管片的抗拉强度,使试件从脆性破坏转变为延性破坏.

Mohammad Sharghi等^[41]考虑管片在安装过程中需要盾构机上的千斤顶进行推动,这一过程中极有可能使管片受损,因此通过试验与数值模拟等方法,研究掺入不同体积分数钢纤维的管片在抗压试验、劈裂拉伸试验与弯曲试验中的表现,根据结果评估,在钢筋混凝土管片中加入一定量钢纤维可以有效地抵抗千斤顶对管片的冲压,避免管片在拼装阶段发生损伤.

明维等^[42]考虑到盾构管片出现裂缝以及混凝土脆性问题,对管片混凝土进行改良,在混凝土中掺入高分子合成纤维(聚丙烯纤维,如图 13).研究结果表明,掺入纤维可以明显提高混凝土的韧性、抗弯性和抗冲击性,且6 kg/m³的高分子合成纤维对混凝土韧性的提升与30 kg/m³的钢纤维混凝土效果相同,并可以减少钢筋的使用量; 然而无论何种纤维的掺入对混凝土抗压强度均无明显影响,改良后混凝土的抗压强度与普通混凝土几乎无异,这一试验结果与A.M.Alhozaimy^[43]等人的结论相符.

图 13 聚丙烯纤维
Fig.13 Polypropylene fiber

齐明山等^[44]分别对普通钢筋混凝土盾构管片与掺入高分子合成纤维改良后的管片做了足尺静载试验,探讨纤维掺入减少配筋量的可行性,从而降低成本且可以发挥纤维的优良性能.研究结果表明:纤维的掺入能够在满足力学性能的条件下减少钢筋的使用率; 同体积掺量的钢纤维与合成纤维相比,由于钢纤维弹性模量更高,可承受的拉力更大.

邵莲芬^[45]等研究了普通混凝土对比掺入聚丙烯纤维、钢纤维以及两种纤维混合掺入的混凝土高温后的力学性能变化.研究表明:纤维的掺入都会提高结构的耐高温性,400 ℃以下,聚丙烯纤维效果明显; 800 ℃时,钢纤维效果明显; 而二者1:1共同掺入时,800 ℃条件下抗压残余强度剩余量最高.

付春松^[46]探究了粗合成纤维(图 14)对盾构管片强度的影响,研究了持续弯矩与轴向应力耦合作用下改良后混凝土的蠕变与收缩情况.试验结果指出,纤维可减少混凝土的蠕变,尤其是与钢筋配合使用时可明显降低最大裂缝宽度,但对构件截面抗弯强度的提升效果很有限.

图 14 粗合成纤维
Fig.14 Crude synthetic fiber

沈奕等^[47]通过试验,模拟了火灾后普通钢筋混凝土管片和无钢筋纯混杂纤维(钢纤维与聚丙烯纤维混合)混凝土管片的破坏情况与破坏模式.试验发现,普通管片由于配有抗剪钢筋,正弯矩单向加载和负弯矩双向加载时的性能表现均优于混杂纤维管片.因此,混杂纤维的掺入可以在高温下缓解混凝土管片爆裂,但需要配置钢筋笼以抵抗剪切破坏.

徐源等^[48]讨论用玄武岩纤维(图 15)改良的混凝土管片力学性能,并与聚丙烯混凝土、普通混凝土性能进行对比.试验结果表明,掺入玄武岩纤维后,其抗拉折能力提升不明显,但其韧性、抗冲击性及抗冻性等性能大幅提升,且18 mm型玄武岩纤维较30 mm型增强效果更为明显.

图 15 玄武岩纤维
Fig.15 Basalt fiber

郭进军^[49]等将掺入粉煤灰、聚丙烯纤维的混凝土与普通混凝土进行对比,比较三者在高浓度腐蚀性溶液中不同龄期下的耐腐性以及性能损伤情况.试验结果显示,双掺混凝土的强度与耐腐蚀性最强,单掺粉煤灰混凝土次之,而普通混凝土表现较差.

任延檬^[50]等对掺入耐碱玻璃纤维(图 16)的混凝土高温后的性能表现进行试验研究.研究表明:耐碱玻璃纤维可以显著提高混凝土在高温后的残余力学性能,因为该纤维在冷水降温后会重新凝固,恢复了混凝土中的部分黏结力; 试验还指出,自然冷却相较于冷水降温而言,可以更大程度保留耐碱玻璃纤维混凝土经历高温后的力学性能.

图 16 耐碱玻璃纤维
Fig.16 Alkali resistant glass fiber

总结上述研究成果可以发现:

(1)掺入纤维可以抑制构件开裂(减少构件裂缝、降低裂缝宽度等),因此,纤维以约束裂缝的方式抵抗环境中物质对结构的渗透,对于钢筋混凝土管片的性能有可观的提升.但是现阶段,这种提升可以是锦上添花,若使纤维完全取代传统钢筋的使用,还是存在诸多安全风险与局限性;

(2)纤维的掺入量要合理,超过40 kg/m³造价将十分昂贵,且对结构的性能会产生负面影响.而掺入少量纤维并减少钢筋的使用量,使二者共同作用从而达到工程所需的刚度与承载力,不但可以提升经济效益,而且可以发挥纤维的优良性能;

(3)如果隧道内发生火灾、爆炸等高温情况,聚丙烯纤维在温度超过168 ℃时迅速溶解,由于其在管片中分布广泛,于是就会在构件中留下诸多小孔,增加了内部空隙的连通性,缓解管片内部的水汽压力,减缓结构因高温而开裂.如果聚丙烯纤维与钢纤维同时掺入,由于钢的熔点较高,超过400 ℃后混凝土内部仍有钢纤维限制裂缝开展,可以为灾后人员的撤离与后续维修提供一定的安全性保障.如果条件允许,让建筑物自然冷却比冷水降温更安全;

(4)纤维的掺入对混凝土抗压强度的提升效果并不明显.

本文结合并总结国内外诸多专家学者的研究成果,针对海底隧道在施工与运营中存在的四个多发性问题进行了较为系统的阐述:

(1)在结构上,海底隧道一般多用钢筋混凝土管片作为衬砌结构,管片连接处的刚度相对较低,从而影响到管片的内力分布,而且海底隧道发生渗漏多位于管片连接处^[51],因此,接头处的强度与稳定性在工程上应予以重视;

(2)在环境上,海底是富盐环境,氯离子含量丰富,在高水土压力等多因素共同作用下,会促进氯离子对管片中钢筋的侵蚀,加剧了管片发生开裂的风险,因此,隧道进入服役期后就应监测管片的受侵蚀情况;

(3)从CO₂的角度上来说,考虑到海底隧道的内环境中CO₂的累积,高浓度CO₂将加速混凝土的碳化,进而促进氯离子的渗透与钢筋的锈蚀,影响结构的耐久性,因此,对管片的抗碳化处理与碳化程度监测不容忽视;

(4)从荷载的角度上分析,随着隧道技术的不断发展,并考虑环境因素对隧道的影响,将隧道深埋将成为未来的发展趋势,因此,构件将受到的水土压力也会不断增大.如果混凝土的强度不足,高水土压力会加速管片的开裂和渗漏.因此,通过掺入纤维来干预和限制混凝土构件的开裂十分有必要; 且设计水土压力应该赋予放大系数,这也有助于缓解密封圈的防水压力.

由于海底隧道所处的实际环境十分复杂,一般的不会只有唯一影响因素单独起作用,而是诸多不利因素相互促进.

在管片服役前的拼装过程中,第一阶段的损伤可能发生在拼装时千斤顶对管片的推动过程,若不加以控制,则管片中可能会出现微损伤;

第二阶段的损伤可能发生在连接螺栓的人工紧固施工过程,由于人工操作,受不同施工人员的操作影响,拧的过紧可能会导致手孔处应力集中,而紧度不够则可能发生管片错台,导致离子渗透的加剧等问题,主观性误差较大;

第三阶段的损伤会发生于管片服役阶段,于一、二阶段管片中损伤的积累,导致混凝土内部产生微裂隙而导致密实度降低,为CO₂和氯离子的渗透提供了更多的路径,混凝土保护层碳化程度随之加剧,继而引发内部钢筋锈蚀,管片的安全性与耐久性进一步降低.

由于实际工程中水下隧道所面临的问题远不止文中所提及,管片衬砌结构若被某一种因素损伤,都会使结构处于易损状态,继而为其他不利因素的乘虚而入提供有利环境,随即共同作用,危及隧道的安全性与耐久性;

在损伤的第四阶段,衬砌管片将带着前三阶段所积累的损伤直接面对车辆运行振动、地震作用、高水土压力、冻融循环、淤泥质土的不均匀沉降、电化学腐蚀、突发事故以及其他不可预料的影响因素,因此管片性能的安全储备可能在某情况下难以满足运营要求.

当前对管片性能的提升,主要着眼于改良材料性能,而对结构形式提升的关注度不足,如当前一整环管片多为ABK式结构,即由普通块(A块)、左右邻接块(B块)和封顶块(K块)组成,由此不但会造成预制管片时模具的种类繁多,提高制作成本,而且会形成较多的接头以及接头形式,增加整体的薄弱环节数量,且管片形式不一致会导致受力复杂.

目前,管片多为钢筋混凝土结构,可以考虑使用内置带栓钉波形钢板代替传统钢筋,可有效提升管片性能.

此外,当前管片接头处的连接件多为直螺栓、弯螺栓、斜螺栓等螺栓制品,螺栓的预留手孔会对管片整体造成削弱,局部形成应力集中,且螺栓连接的接头功能性较为单一,因此需要对接头连接件进行大力开发,如卡扣式接头、减震接头、可监测变形与渗水接头、允许大变形的柔性接头等,这样不但会增加拼装速度,而且可丰富接头的功能,提高隧道整体性能与环境适应性.