第1章 绪论
1.1 研究背景
1971年6月，我国**条大直径盾构公路隧道—直径10.22m的上海黄浦江打浦路隧道建成通车，实现了中国盾构法隧道建设零的突破，由此开始了我国大型盾构隧道建设的历史[1，2]。截至目前，我国的盾构隧道建设已从发展起步阶段(2001～2010年)、快速跨越式发展阶段(2011～2020年)，进入高质量智能化发展阶段(2021年至今)，我国已经成为世界上盾构隧道数量*多、规模*大、发展*快的国家[3]。
在大量修建盾构隧道的同时，与之相伴的是，不少已建甚至在建的盾构隧道开始出现不同程度的病害问题。目前国内外盾构隧道的修建普遍使用单层管片衬砌作为支护结构，在管片衬砌制造、施工及运营阶段，不可避免地会出现错台、开裂破损、接缝渗漏水、混凝土腐蚀老化，甚至剥落掉块、钢筋锈蚀等不同病害，如图1.1所示。在极端荷载作用下盾构隧道还可能出现管片衬砌严重损毁，甚至出现衬砌结构整体失稳的情况，除此之外，在营运过程中还可能受到列车撞击、火灾及地震的威胁。这些病害在给盾构隧道的安全营运带来极大威胁的同时，也增加了营运期加固维修的难度和费用，并暴露出盾构隧道单层管片衬砌结构自身的不足之处。
盾构隧道结构的重要性和当前部分既有盾构隧道在采用单层装配式管片衬砌上暴露出的问题及其结构自身的局限性，设计、建设的风险性和结构自身的耐久性问题越来越多地引起了广大盾构隧道设计、建设及科研人员的重视[4]。尤其在国内盾构隧道日趋深埋化、超长化、大断面化及高水压的形势下[5]，目前普遍采用的单层管片衬砌已经难以满足其对衬砌结构安全性和耐久性越来越高的要求。此外，盾构隧道所处的水文地质条件千差万别，经常遭遇各种复杂地质情况，在洞口段形成的阶梯状错台、地层变异及水位变化等因素造成的隧道蛇形和纵向不均匀沉降等问题，都是单层管片衬砌结构无法解决的。基于此，盾构隧道双层衬砌结构应运而生，国外相关研究与试验结果验证了双层衬砌的受荷性能要优于单层管片衬砌[6-9]。国内著名地下工程学者王梦恕院士在论述水下交通隧道发展现状和技术难题时也指出，薄管片衬砌+二次模筑(素混凝土或者钢筋混凝土)衬砌结构形式耐久性好，结构强度高，适用于铁路隧道或者重要隧道[10]。
图1.1 盾构隧道单层管片衬砌结构病害现象
然而，以往我们一直将二次衬砌的作用定位为管片衬砌补强、防蚀、防渗、校正中心偏离、防振、使内表面光洁和隧道内部装饰等，国内早期建设的绝大多数盾构隧道均未施作二次衬砌，所以迄今对盾构隧道双层衬砌结构的研究较少，对于盾构隧道双层衬砌的结构计算理论尚没有统一的方法。但是，随着大量基础建设对盾构隧道双层衬砌结构需求的增加，围绕盾构隧道双层衬砌结构相互作用机理展开深入系统的研究，对今后盾构隧道设计、施工及长期安全具有重要的理论价值和实际意义，同时对已建盾构隧道的维护加固也具有一定的指导作用。
1.2 盾构隧道双层衬砌结构体系
盾构隧道双层衬砌结构体系通常由一次衬砌和二次衬砌组成。一般情况下，一次衬砌是将预制混凝土管片衬砌在接头处通过螺栓连接而成，二次衬砌则是在盾构管片衬砌内侧现浇混凝土而成，如图1.2所示。盾构隧道双层衬砌结构是管片衬砌与二次衬砌(现浇混凝土内衬)共同形成的一种支护体系，通常是在管片衬砌难以满足隧道的某些特定使用要求时使用[11]。
日本的高速铁路、城市干道、城市地铁及输水隧洞中较早地应用了双层衬砌这种结构形式，如日本东京湾海底隧道、市政输水管道等都是采用双层衬砌施工[12]。我国的盾构隧道双层衬砌结构早期多见于输水隧道，由于输水隧道反复承受内部水压作用，为提高隧洞的内压承载力、耐腐蚀性及耐久性，采用了双层衬砌结构形式，但在交通隧道领域，早期鲜见盾构隧道双层衬砌结构应用的报道。近年来，随着盾构隧道建设需求的增多，大埋深、超长化、大断面化及高水压化成为盾构隧道修建的常态，抗疲劳、耐久性等方面的要求也在逐渐提高，越来越多的盾构隧道选择采用双层衬砌结构，也相应出现了成功应用的工程案例，如广深港客运专线狮子洋隧道、武汉地铁8号线越江隧道、沪通铁路吴淞口长江隧道等。国内外典型盾构隧道双层衬砌工程如表1.1所示。
图1.2 盾构隧道双层衬砌结构体系
盾构隧道按照是否承受荷载，将二次衬砌的作用分为两大类，如表1.2所示。根据二次衬砌的作用，现阶段形成了以下三种设计方法：①以表1.2中**大类情况为例，将管片衬砌作为隧道的主体结构，将二次衬砌考虑成在加强管片衬砌的同时，为了防腐蚀、防水、装饰或修正蛇形而利用的构件；②将二次衬砌作为结构的主体，一次衬砌作为某一特定时期使用的临时结构物考虑；③将二次衬砌和管片衬砌共同作为隧道的主体结构，二者协同受力。
**种观点认为，管片衬砌拼装完成后，二次衬砌并没有及时跟进，两者之间修建时间间隔较久。依据监测数据和施工经验的判断，这一期间来自地层的外荷载很有可能已经达到*终稳定的状况(围岩的蠕变与流变暂不深究)。此时修建的二次衬砌在隧道力学的观点上是不用考虑分担外荷载的，只需承担自身的自重荷载即可。
第二种观点认为，一次衬砌只是二次衬砌施工前这一段时间内的临时结构物，也就是说，一次衬砌只是在某一个有限期间内使用的构件。在这种情况下，土层对结构的作用荷载尚没有达到*大值，因此可以将荷载进行部分折减，或者可增加初期支护的容许应力。
显然，这两种方法是根据经验类比山岭隧道复合衬砌受力而得出的，但与目前管片衬砌的设计思想及受力情况存在较大差异，因而也难以将其用于实际设计。
第三种观点认为，内衬是在管片衬砌之后施工的，此时，外荷载趋于稳定，若在内衬浇筑后管片衬砌上的荷载没有发生变化，则可以认为内衬不受力。事实上，由于各种原因，管片衬砌的荷载尚未达到峰值。例如，上覆土体的填挖或者流失、水位的升降等都会使管片衬砌产生荷载变化，此时应该将管片衬砌和内衬一同视为隧道承受荷载的主体。可以说这种设计思想是比较符合当前盾构隧道使用二次衬砌的受力状况的。但是，在这种情况下，管片衬砌和二次衬砌二者之间接触形式的评价、管片衬砌与二次衬砌联合作用机理，以及对后期增加荷载的分担关系的确定，都是极其复杂的新课题。
1.3 盾构隧道双层衬砌结构研究现状
1.3.1 盾构隧道双层衬砌结构力学性能
盾构隧道双层衬砌结构力学性能的研究始于输水隧道。由于输水隧道在运行过程中需要承担内部水压，出于安全考虑，在设计时选择管片衬砌+二次衬砌的结构形式，因此双层衬砌结构在输水隧道中的应用相对广泛，如小浪底排沙隧洞、南水北调中线穿黄工程、珠江三角洲水资源配置工程等。输水隧道发展至今，运输能力在逐渐增大，其衬砌结构也在逐渐更新，如管片衬砌+预应力混凝土衬砌、管片衬砌+自密实混凝土复合衬砌。有别于水工隧道，交通运输盾构隧道双层衬砌结构具有不一样的结构形式，力学边界条件亦有所区别，因此既有的研究结论难以为目前大量在建及拟建的盾构隧道双层衬砌的设计提供有力的理论支撑。目前，国内外已有学者对盾构隧道双层衬砌结构展开研究，主要研究方法为模型试验、数值模拟及理论分析。
1.模型试验
模型试验是一种重要的研究手段，主要用于分析外部荷载作用下的结构内力分布规律和变形情况，为盾构隧道双层衬砌结构设计、优化及参数分析提供数据支撑。目前，大量学者采用模型试验对输水隧道的双层衬砌结构力学性能进行了研究，通过设计能够模拟输水隧道双层衬砌结构运行环境的试验装置，探究了双层衬砌结构的承载机理、破坏模式、结构优化及风险预防措施[13-18]。近年来，随着输水隧道运输能力的提升，二次衬砌形式也得以不断优化，为了充分探究这些新型结构的力学特性，国内开展了大量大型原位试验和足尺试验[19-25]。
有别于输水盾构隧道，交通运输领域的模型试验不必考虑内部水压的作用，Nasri和Michael[8]、村上博智和小泉淳[9]分别开展了盾构隧道双层衬砌的整环试验和多环轴向模型试验，探讨了二次衬砌对管片衬砌结构承载能力的提升补强作用。柳献等[26，27]进行了整环、半环加固工法下盾构隧道双层衬砌结构足尺试验，发现加固的双层衬砌结构相较于单层衬砌结构强度与刚度都有明显提升，且加固后结构的破坏以管片衬砌与二次衬砌间接触面的黏结破坏为主。Feng等[28]结合相似模型试验和现场测试，探究了水下盾构隧道单层衬砌和双层衬砌结构力学性能之间的差异，揭示了盾构隧道使用双层衬砌结构的可靠性和合理性。张永冠[29]采用相似模型试验探究了外部水压力变化对双层衬砌结构受力的影响，并在拱腰出现围岩弱化的情况下对不同双层衬砌进行了破坏试验，得出了双层衬砌的破坏失稳模式。周济民[30]开展了盾构隧道双层衬砌结构横向、纵向力学特性及相互作用机理的模型试验，研究了地层条件、二次衬砌施作时机等因素对双层衬砌结构的影响规律。于清洋[31]采用相似模型试验对双层衬砌结构管片衬砌和二次衬砌之间的横向相互作用机理及荷载分配模式进行了研究，同时探明了二次衬砌施作时机对双层衬砌结构力学性能的影响。姚佳兵[32]通过相似模型试验，系统研究了地层、水压大小、结构形式、二次衬砌厚度及缺陷等因素对盾构隧道双层衬砌结构横向力学特性及破坏特征的影响规律。申兴柱[33]提出采用接头片模拟管片衬砌纵向接头，并分别采用“双层薄膜+润滑剂”等效复合衬砌的防水隔离层、“粗糙化处理”等效叠合衬砌的咬合作用，开展了考虑管片衬砌纵向错缝拼装效应的三维相似模型试验。王俊淞等[34]采用离心模型试验的方法，针对盾构隧道单双层衬砌结构的长期受力特性进行了探究，并对双层衬砌的功能进行了总结。
模型试验在一定程度上可以帮助研究人员深入了解结构复杂力学行为，验证结构理论与设计方案，但不可避免地也会面临许多难以解决的问题，后续研究可围绕这些问题展开：①现阶段的模型试验中，相似试验对于细部结构的模拟大多简化，可能导致试验结果与实际存在偏差，尤其对于结构的复杂力学行为研究，但采用足尺试验常面临造价高昂、耗时长及运输不便等问题，可采用多尺度模型试验与数值模拟技术相互验证，使试验更准确地模拟结构的行为；②盾构隧道是修建于地层中的构筑物，在试验中很难完全再现其面临的复杂地层环境，因此大多模型试验是基于荷载-结构法展开的，后续可结合地质学、材料科学、结构工程等多学科知识，开发更全面的试验方法，更综合考虑实际应用中面临的复杂因素；③模型试验中选择的材料往往经过了简化与替代，可从先进材料和制造技术出发，寻找更好模拟实际工程中使用的材料和构件；④大多数模型试验忽略了隧道实际施工过程，后续可在模型试验中结合双层衬砌施工过程的影响，以更好地了解双层衬砌力学性能发展。
2.数值模拟
数值模拟技术因其简便性、可重复性及高度的可视化能力，被广泛应用于盾构隧道结构力学分析，大量学者从力学分析模型出发，对盾构隧道双层衬砌结构受力性能进行了研究。堀地紀行等[35]对具有二次衬砌的隧道圆管轴向刚度进行了研究，采用弹簧来模拟衬砌圆环间的接头，该模型考虑了环间压缩刚度和剪切刚度。何川等[36]采用等效刚度模型，结合模型试验与数值计算对盾构隧道双层衬砌的纵向力学特性进行了研究。吴林[37]引入中厚板壳理论建立了荷载-结构模式下的双层衬砌壳-弹簧计算分析模型，
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