1. 盾构管片混凝土裂缝的机理
盾构隧道是一项重大工程，用作支撑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，由于各种原因，在管片生产、隧道施工和运营过程中，管片中经常会出现微裂纹甚至可见裂纹。 近年来，许多学者聚焦于裂纹对盾构管片的一系列不利影响，系统地研究了管片裂纹的原因和机理，取得了一些有意义的研究成果。 林楠[11]和吴振志[12]认为，根据形成原因，段状裂纹可分为两类：变形引起的裂纹和应力引起的裂纹（包括直接应力和二次应力）。 许多学者认为，裂缝的出现与管片的加工过程密不可分，裂缝一般分为生产裂缝、施工裂缝和操作裂缝三大类。
1.1 生产过程中的裂缝
在预制厂的管片生产中，由于混凝土组成材料中的水密度最小，在振动杆工作时受到挤压应力后，混凝土中的水分很容易移动到模具侧板与管片侧面之间的接缝处并停留， 当混凝土凝固和硬化时，导致表面塑性收缩和表面微裂纹的出现。再加上自重和振动力的作用，混凝土中的粗骨料会下沉，水泥浆会漂浮，这会使混凝土的均匀性变差，这也会导致裂缝的萌生和扩大[13]。 例如，广州地铁1号线的部分地区和新加坡地铁的盾构区段出现了严重的网状裂缝。
此外，盾构管片周围环境条件的变化，如温度和湿度，也会导致混凝土管片出现裂缝。 当混凝土内外表面温差较大时，会影响水泥的水化速率，使水泥水化产生的胶结力不够均匀，容易产生较大的温度应力。 此时混凝土尚未定型，形成的黏结结构的连接力较小，在温度应力作用下容易产生砂浆裂缝。 同样，当空气中的湿度较低时，混凝土表面水分的蒸发速率远大于内部水分的排泄速率，导致收缩裂纹更明显[14]。 例如，广州地铁2号线和新加坡地铁的盾构区段中有一些路段存在严重的网格状开裂[15]。
1.2 隧道施工过程中产生的裂缝
在运输和安装过程中，屏蔽段的边缘容易受到碰撞造成的损坏和裂纹，箱形段也容易被屏蔽千斤顶的推力开裂。 在吊装、运输、盾构机掘进、管片装配的整个过程中，管片的边缘不可避免地会受到外力和机械的挤压和碰撞，因此管片的拐角不时被破坏[16]。 另一方面，盾构管片除了作为隧道的支撑结构外，在盾构施工中还起到为行进和转弯提供反作用力的作用，当千斤顶推力与管片成一定角度时，管片会产生额外的弯矩，导致部分部位应力集中，管片开裂[17-18]。 此外，在去环过程中屏蔽尾部的挤压也可能导致管片错位甚至开裂[19]。 由这些施工因素造成的衬里损坏可能看起来很小，但在衬里随着时间的推移而恶化后，它可能会造成重大问题。
例如，我国广州地铁1号线、2号线隧道中间发现混凝土管片开裂，拱顶裂缝较为严重，90%裂缝分布方向与盾构推进方向极为相关。 瑞士索伦贝格天然气隧道的盾构管片由贝卡尔特钢纤维增强混凝土制成，开挖段的盾构尾部组装后严重开裂[20-21]。 2009年，深地铁一期第7段盾构隧道开挖过程中，在段的外弧面、拐角和圆周螺栓孔处发现混凝土裂缝。 可以看出，隧道施工过程中各种外力和力学作用对混凝土管片裂缝扩展的影响不容忽视。
1.3 地铁运行过程中产生的裂缝
衬砌混凝土开裂是地铁隧道中最常见的病害形式，在地铁隧道运行过程中，作为地铁隧道最重要的支撑结构，混凝土管片在荷载作用下也会萌发各种裂缝[22]。 此外，盾构管片的地下环境比较复杂，周围环境条件（包括温度、湿度、pH值）的变化可能导致管片承受一定的附加应力，地基变形、碳化收缩、钢筋腐蚀膨胀等都会引起管片出现裂纹[23]。 例如，2009年，上海轨道交通11号线隧道的一段被破坏，发现盾构段被正在建设的京沪高铁的PC桩破坏[24]。 2011年7月，杭州地铁1号线湖滨站和龙翔桥站之间的左线隧道段被西湖大道综合固结工程地质勘探钻孔刺穿[25]。
针对地铁运行中盾构管片的开裂问题，相关人员采用现场测量和理论分析，研究了管片的开裂现象。 杨旭等[26]拟合了南京地铁盾构隧道段运行中的实测值，判断了隧道段各段的应力状态，解释了隧道段出现裂缝的内部原因，为盾构隧道的运行维护提供了依据。 针对习地铁某段突水事故的危害性，赖金星等[27]的研究表明，突水引起的段间应力不均匀和应力集中导致了段的萌芽和快速发展。 罗勇[28]基于断裂力学，研究了隧道管片结构的开裂机理和控制方法。 董飞[29]根据北京地铁隧道病害检测结果，分析了运行时间对隧道开裂状态的影响。 结果表明：盾构隧道病害的根源在于管片节缝的变形，改变了盾构管片的形状，导致管片坍塌，隧道内出现漏水现象;
从以上可以看出，相较于管片生产施工过程中对裂纹的关注，对作业过程中管片裂纹规律的研究相对较少，现有的研究大多集中在裂纹的现场检测和理论分析相结合，对多重附加载荷引起的管片裂纹的研究还较少。 因此，必须将隧道作业过程中发生的盾构管片结构损伤问题的研究提上议事日程，并给予更多的重视。
2、屏蔽管片的裂纹控制技术
2.1 结构设计与施工控制
研究表明，虽然目前的技术不能暂时防止混凝土裂缝，但裂缝可以在一定程度上得到控制[30-31]。 由于盾构管片开裂的复杂因素，管片内混凝土裂缝的控制研究一直是隧道工程的热点和难点。 基于此，根据混凝土使用环境的不同，国内外出台了相应的最大允许裂缝宽度设计规范，并试图通过调节原材料、精准设计、安全施工三个方面在一定程度上抑制混凝土开裂[32]。 对此，王新刚分析了管片裂纹产生的原因，将管片裂纹分为收缩裂纹、温裂纹和不均匀沉降裂纹，并提出了有针对性的裂纹控制措施和方法。 张辉提出，要加强管片生产和隧道施工各环节的管理，选用合适的原材料，保证管片成型质量，注意混凝土养护时间; 严格控制工厂内段的装料和堆垛; 根据隧道情况及时调整盾构机姿态，注意管片装配顺序，加强质量控制，避免管片错位现象。
与上述研究类似，彭波[33]、Bentz[34]和高忠伟[35]认为，有必要从原材料的最优选择入手，加强配合比以优化设计，从而从源头上降低混凝土开裂的风险。 认为，使用水化热低的水泥可以有效降低裂缝的概率，适当添加粉煤灰、矿渣等活性矿物外加剂可以大大降低前期水化热，从而达到减少裂缝的目的。 有学者[36-38]认为，可以从改进结构设计、改进施工工艺等角度出发，从合理设置后浇带、适当降低成型温度、保温养护混凝土等方面减少混凝土开裂。 r.i.Gilbert[39]研究了混凝土中早期冷却收缩约束裂缝的控制方法，并从钢筋混凝土构件的实际约束程度的角度给出了控制早期开裂所需钢筋量的合理程序。
2.2 原材料控制
数据显示，许多混凝土裂缝在很早的时候就出现了[40]，变形变化引起的非结构性裂缝约占80%[41-42]。 针对混凝土早期开裂的问题，Lee[43]和Ba Hengjing[44]通过抗裂试验比较了掺入硅粉、粉煤灰和矿渣粉的混凝土与基准混凝土的早期开裂性能，研究结果表明，矿物外加剂颗粒与水泥颗粒的良好匹配可以提高新混凝土的施工性能， 提高混凝土结构的致密性，进而降低开裂风险。Yang等[45]利用温度应力试验机研究了粉煤灰含量对混凝土抗裂早期的影响，发现当粉煤灰含量为40%时，早期裂缝数量最少。 有学者通过在混凝土中加入纤维材料来限制收缩裂缝的发展，发现混合纤维可以有效减少收缩裂缝[46]。 有学者发现，外加剂的掺入还可以提高混凝土的早期抗裂性[47]。
针对目前混凝土的温度裂缝，王铁萌[48]总结了多年工程实践中的混凝土开裂现象，提出了一套解决温度应力的方法——“阻力”和“释放”的组合方法，该方法已应用于国内许多大型工程。 根据Ming Li[49]的说法，混凝土水化产生的峰值温度与周围环境的温差是导致分段式混凝土主体结构早期开裂的关键因素，自收缩会增加开裂的风险。 妍达辛[50]通过实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，不同温度历史条件下混凝土的开裂潜力存在显著差异。 何珠[51]已经证明，温度和/或收缩引起的受限裂纹的破坏行为与直接拉伸破坏不同，当受限拉应力超过直接拉应力的76%时，就会发生开裂。
混凝土是一种典型的脆性材料，许多学者试图将纤维掺入混凝土管片中以提高其韧性，同时混凝土的抗裂性也得到了很大的提高。 西方国家较早开展了纤维增强混凝土技术的理论和实践研究，纤维增强混凝土管片在地铁工程中得到广泛应用[52]。 我国北京地铁10号线曾尝试应用混合纤维钢筋混凝土管片技术，上海地铁M6线已建成50m钢纤维钢筋混凝土管片试验段[53-54]。 徐源[55]研究了玄武岩纤维对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对抗拉抗弯强度影响不大，但显著提高了水泥混凝土的抗冲击韧性，从而提高了管片的抗裂性。
可以看出，国内外许多学者根据屏蔽段的负载和服役状况，从多个方面对裂缝控制技术进行了探索。
3、屏蔽管片的裂纹控制技术
3.1 裂缝修复技术
尽管国内外学者根据管片裂纹的原因提出了多种控制开裂的方法，但由于材料、浇筑、施工等不可控因素，盾构管片的开裂现象仍在加剧。 因此，各大城市的轨道交通、地铁建设对混凝土裂缝修复材料的需求迫切。 为了提高混凝土管片的使用寿命，国内外研究人员纷纷开发出混凝土裂缝修复材料，其中化学灌浆技术受到学者和技术研究人员的青睐。 化学灌浆是一种混凝土修复技术，它使用压力设备（如化学注浆泵）将某些化学物质制备成真正的溶液，并将其注入地层或裂缝中以扩散、凝结或固化它们[56]。
在管片裂缝修复方面，黄慧敏[57]根据隧道结构、裂缝和渗水等因素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性，能抵抗各种地下水的腐蚀。 环氧树脂比混凝土本身具有更高的强度，并且具有良好的附着力。 叶娇峰[58]优化了修复材料的混合比例，王建辉等[59]采用聚氨酯材料对屏蔽管片进行修复，结果表明，修复管片的抗渗性优于基体，但抗压强度和抗拉强度明显降低。
3.2 管片加固技术
针对已经发生的管片损伤，石太伟[60]以某地铁盾构隧道损伤工程为例，分析了隧道损伤机理，并在此基础上开展了管片加固设计工作。 本文分析了地铁盾构隧道病害的主要原因，提出盾构隧道的加固设计应遵循“先急后慢，内外兼修”的原则，落实刚度和耐久性的修复标准，满足后期运行结构的安全耐久性要求。 刘廷进[61]在上海地铁某区段实施了盾构管片衬砌的粘结钢筋加固方案，并利用有限元软件分析了粘结钢筋盾构隧道衬砌的承载性能和破坏机理。 在此基础上，对广州地铁盾构管片的加固效果进行了模拟和评价，得出粘结钢筋可以显著提高盾构管片的承载力。
综上所述，可以看出，关于混凝土管片裂缝修复的研究很多，但目前研究中还存在一个共性问题，即开裂的地铁盾构管片在修复或加固后，在复杂的地下服务环境中是否有耐久性劣化，劣化规律是什么， 这方面的研究仍然很少。地铁管片长期处于地下潮湿环境中，裂缝修复后管片的耐久性直接决定了隧道的安全性，因此应更加重视这方面。
结论
由于服务环境的复杂性，地铁盾构段引起的裂纹问题吸引了大量科研人员从多个方面进行研究和探索，也取得了一些有意义的研究成果。 目前，研究大多集中在裂纹产生机理、裂纹控制与修复技术的分析上，但仍存在一些不足，具体表现在以下几个方面：
1）基于混凝土材料的复杂性，混凝土中的裂缝在项目中是不可避免的。盾构管片虽然埋在土下，但不同地区的环境效应并不相同，对管片不同部位的荷载效应也大不相同。 因此，有必要根据具体的工程条件对管片裂缝进行分析，使所提出的防控措施更具针对性和系统性。
2）混凝土配合料设计是保证节段混凝土抗裂性的关键环节，由于混凝土材料本身的复杂性，以及不同学者关注点和研究目标的差异，目前学术界对节段裂缝对结构的成因、发展和影响的研究深度并不统一。目前，关于抗裂机理的相关研究主要通过实验进行分析，还远未上升到理论层面。
3）目前，盾构管片裂缝修复技术研究仍处于基于现场检测和综合系统评价相结合的定性评价阶段，对修复管片的耐久性关注较少。因此，在裂缝修复下盾构隧道结构性能和健康状态的定量评价中，需要开展大量工作。