１． 引言
随着大深度和小半径曲线施工，或者是衬砌管片的加宽和所谓薄壁化盾构隧道的多样化实施，在衬砌管片的设计中，有必要提出“盾构隧道施工时荷载的影响”。为此日本对于①施工时荷载的量测实例②因施工荷载引起管片衬砌的变动预测实例③今后的衬砌管片设计方向进行了探讨。除此之外，还对于①今后的隧道设计的某些方面②量测的某些方面③量测结果对设计上反馈的某些方面进行考察。并且，对有关施工时的荷载影响研究，反映在外国（荷兰）的实例作出介绍。
２．盾构隧道设计的动向 ２－１ 有关衬砌管片的设计
对于衬砌管片所要求的性能为以下几个方面：
① 能长期支承土压力和水压力的作用，以维持隧道空间；
② 防御地下水浸入隧道内；
③ 对于上述的功能具有足够的耐久性； ④ 具有足够的刚度和强度，以承受盾构千斤顶的顶力；
⑤ 相对衬砌后背压注的一次性荷载，持有足够的强度；
⑥ 容易拼装，且要求拼装误差较小。 衬砌管片的设计，从考虑隧道使用目的等因素，选定衬砌管的形式开始的。下面，作为隧道
结构要能达到长期的稳定，决定衬砌管片的各种参数。对于这类衬砌管片，考虑到地震时和施工过程中的状态，以确认相对于暂时性荷载作用下的安全性。最后是决定衬砌管片的止水功能等的细节内容。为此，在通常情况下，衬砌管片的设计是将长期作用着的土压力和水压力等的荷载作为主体方面来进行的。
２－２ 衬砌管片的设计模型
对于长期作用的荷载设计，有衬砌管片的构造模型，和隧道与地基相互作用的模型，而在此是对后一种模型构造所作的叙述。
相对于隧道和地基相互作用的模型，有习惯用模型和全周弹簧模型两种。习惯用模型如图－１中所示，受到土压力和水压力作用持有的分布形状，考虑相对于衬砌管片的变形量大小的三角形分布的
地基反力。而全周弹黄模型（见图－２），不仅仅在地基反力一侧，而是遍及在隧道全周布设。至于地基反力的大小，则是考虑与隧道的变形量相适应，在隧道的全周配置着地基弹黄。至于是哪一种模型，也还是要取决于地基条件，隧道的大小、深度，在一定的土压力和水压力作用下，作用着与荷载作用下所产生的隧道变形和位移相适应的地基反力。
３．量测事例 ３－１ 量测事例
在实际的隧道中，调查作用着哪一种土压力和水压力的量测事例，这种量测的土压力中，包含着主动作用的土压力和地基反力的两个方面，而要区分开这两类作用力是不可能的事，因此是将其汇总在一起看待的。
图－３是表示在隧道的顶部存在着硬质粘性土层，此土层之下分布着紧密的砂层地基中的量测事例。砂层中的地下水位，处在距隧道顶部约１０ｍ以上的位置。隧道施工是采用泥水式盾构进行的。量测值在施工结束６个月后没有什么变化，在隧道全周范围内作用着略比土压力稍大一些的水压力，即便是土压力表被后背压浆材料的覆盖，发生了若干的降低，可认为有效土压（为全部土压力－水压力）只有较小的数值作用着。
图－４中表示在冲积性粘性土层中的隧道所量测到分布在园周方向上土压力（全部土压力），和有效土压力的时效变化情况。在此实例中有效土压力仅占全部土压力的１０％以下的较小数值。
图－５是处在冲积性砾石层中隧道内量测到在圆周方向上的土压力和水压力的分布情况。是在隧道施工后，经过６个月的时间、其有效应力值相比水压力成为相当小的数值。
３－２ 影响作用于隧道土压力的因素
作用于衬砌管片上的土压力，由于受到隧道掘削、从初期的地层中应力状态所发生的变化、和直接靠近隧道体的土变形是不相同的，亦即是要通过以下所列出的因素作考虑。
１）隧道开挖面等的掘削面上支承状态（泥水压力，泥水的性质，泥土压力，泥土的流动性）。 ２）掘削时的盾构位置状态
３）衬砌后背压注（压注数量，压注力，压注时间）
然而，对现场量测事例（图－３～图－５）而言，很多场合下是仅仅作用着水压力，在衬砌管片和地基土之间，存有后背注浆材料的影响是要作考虑的，今后是需要着眼于这些方面的研究。
３－３ 作用于衬砌结构上土压力的变化
衬砌管片的设计是针对长期作用着的土压力和水压力进行的，可是，未必能按照设计中考虑那样分布和大小值，需要解释明白的课题还是不少的。另一方面，衬砌结构在达到长期的稳定状态之前，是需要具有足够的刚度和强度的。当反覆地观察在实际隧道中作用于衬砌管片结构上荷载作如何的变化时，就成为如图－６中所示的变化状态。
作用于衬砌结构上的荷载，从拼装好的衬砌环处于盾尾内时开始、显示了在盾构进行地层中、１０天后左右时间内达到最大值，长期作用的荷载、由此起变得小了起来。因此，对于从施工时开始起、到施工后之间的暂时性状态必须作检验。
３－４ 针对后背注浆压力的设计模型
在日本的衬砌管片设计中，对于施工时际荷载、规定了下面３个项目的检验内容。 ①相对于后背注浆，对由半径方向插入方式Ｋ型块管片作拔出倾向的探讨（图－７） ②在盾构千斤顶顶力上，是针对管片块体的形心和顶力中心所产生偏移的探讨。 ③对于在小半径曲线部位处施工时，所产生隧道轴向弯矩和压缩问题的研究（图－８）。 ４．管片衬砌的损伤因素 ４－１ 管片衬砌的损伤因素
管片衬砌所要求的性能中，有关土压力、水压力以及后背注浆压力的保持等已作过叙述，下面就需要保持管片衬砌的性能中， 对其长期的耐久性，要产生重大影响的管片衬砌损伤等内容作出整理。
钢筋混凝土管片衬砌一经损伤，所产生对其耐久性方面产生问题的例子整理有以下几方面：
① 由于千斤顶顶力为起因所产生的裂缝； ② 由于隧道周边地基的压密沉降而产生的裂缝；
③ 由于隧道周边工程进行，导致土压力变化和因隧道变形所产生的裂缝。
在这些因素之中，③的事例还是不多的，基本上不存在管片衬砌的设计上的问题；②的情况大都发生在软弱性地基层中的隧道，考虑周边地基压密度的设计方法，在设计手册中有所说明。
对此，①的情况是由于千斤顶顶力造成管片衬砌的损伤，此类损伤的数量还是比较多的，其机理亦属多种多样化。然而在衬砌管片设计中，尚不能充分来考虑，这是现状。
４－２ 由于盾构千斤顶顶力造成管片结构的损伤
综览有关因千斤顶顶力造成管片结构的损伤情况，首先是由于管片衬砌的平整性、正圆度为起因产生的损伤，有时在出现下述情况时亦会损伤管片结构。
①衬砌环接头面没有形成在同一平面上，和在管片结构中发生了大值弯矩， 从而产生了直至 图－９ 由拼装误差・间隙产生裂缝
管片背面的裂缝（图－９）。
②相邻环面中心有偏移，Ｋ型块等管片的部分管片体落入隧道的内部空间一侧时，隧道内侧或者邻接管片的层土一侧的偶角处便产生了裂缝现象（图－１０）。
③接头面处于和倾斜的邻接管片接头面相接触，偶角部位悬空，受力不好、而产生裂缝（图－１１）
形成这些损伤是由于在管片拼装时的精度很差，不能保证平整性、正圆度而产生裂缝。
下面，所示因盾尾部分的约制和千斤顶的偏离为起因所造成的管片结构的裂缝。
①管片衬砌环的中心和盾构机的中心有偏移，和由于盾构机方向和隧道的方向存在着偏离，无法充分保障盾尾的空隙，产生了隧道轴向的弯矩（图－１２）。
此外，由于盾尾和管片衬砌之间的摩擦力，在隧道轴向作用着较大的张拉荷载而发生裂缝。这种现象的存在，使得拼装管片的条件恶化，从而助长了形成扁平形状的衬砌环趋势。
②盾构的约束，是指衬砌后背注浆材料侵入盾尾部位处，由于注浆材料结硬而产生了约束。这种场合下特别是摩擦力变大、千斤顶顶力亦比通常情况下要大，影响程度也变得大了起来（图－１３）。
③由于千斤顶顶力的加载中心和管片块体的中心存在偏离，使得产生了管片衬砌轴向弯矩，而造成管片块体结构的损伤（图－１４）。
④由于盾构千斤顶处管片块体的相对位置关系使之形成了管片结构的损伤，是由于千斤顶靴板处在倾斜地作用在管片的接头面上， 造成对管片块体的损伤（图－１５）。对于这种类型的损伤，多半发生在小半径曲线的施工场合下，和在千斤顶的作用处不能弯曲时的场合下。此外，在多数的情况下，是在千斤顶安装和调整不充分时形成的，而在管片衬砌环的平整性不良时亦有可能产生类似的损伤。 图－１５ 由于盾构千斤的不良顶力引发裂缝造成这类损伤原因是盾尾密封的约束，千斤顶加载的偏移，而作为主要的因素，还是归结于盾构机的位置控制，和在盾构隧道的线形管理上的问题。
５．荷兰的研究情况介绍
５－１ 在荷兰对盾构施工时荷载的研究 近几年来在荷兰，盾构隧道的建设处在急速的增长之中，虽然与日本相比、在绝对数量和经验上是较少的，然而为了要确立合理的设计手法和维修管理方法，他们通过收集情报信息资料，正在进行着高效率的研究。此处，介绍荷兰为提供设计时的施工荷载所进行着的研究。
５－２ 根据观测和现场的量测所获得见识 根据荷兰和有关国家的隧道工程（主要是铁路、公路隧道）的观测和现场量测所获得的结果，进行分析、研究。
①在所有工程中都存在有管片衬砌结构的损伤发生
②由于压浆的作用荷载和土压力荷载，在盾构后方的衬砌环中引起变形，这些衬砌环和盾构
内的管片衬砌环连接在一起，在隧道轴向发生了所谓“下垂”现象。
③新的衬砌环是在盾构内进行拼装的，加上在地层中已经变了形的衬砌环的形状。
④拼装管片时，盾构千斤顶中的一部分被回缩，而在此时已被拼装的管片衬砌有位移，衬砌环环接头面上成为不怎么平整，如此一来，已拼装好的管片衬砌中发生了应力集中现象，就此会引发管片结构裂缝的产生。
⑤对管片的拼装来说，通常做不到很完善的，每每在拼装Ｋ型块管片时，往往存在着多余空隙的场合，和不足的场合。对于存在比需要以上的余隙时，管片要进入内侧；而在比需要以下的余隙时，则要从拱顶向外侧移动。
⑥根据高精度的测定，采用掘进控制和管片拼装系统来提高隧道的建造质量。
⑦后背压注成为衬砌变形的原因。通过压注浆液的稠度、硬化时间、压注方法等组合，在隧道周围压注力的分布有偏置时，就会造衬砌结构的变形。
此外，根据实地的量测结果，可获得如下所述的见解：
①发生在管片衬砌中的应力，施工时际的数值要比完成后都要大。
②变形的大部分是发生在管片拼装时候，和刚拼装好后不久的时间内发生的。
③盾构千斤顶的顶力，对盾构后方的衬砌变形，和钢筋混凝土管片衬砌内的应力有很大的影响。 ④应力分布在隧道横断面方向上必须要均匀，特别是靠近Ｋ型块管片处、极而形成不均匀的分布。
根据以上的观测和量测，可以得知不能忽视隧道施工阶段对隧道建造质量的影响。为了确切地对待已完成施工后衬砌结构的动态，掌握从施工时期直至完工后通车时期内的所有现象，和对其影响
是非常重要的事。因施工导致能量、在构筑物发生变形和裂缝而消散，或者由于采用极端少的假定，而在大部分事例中不作考虑的。可是，重要的是发生的变形和裂缝，对衬砌结构的非线性状态和耐久性方面是给予很强的影响的，重要的是这些因素关系到隧道的使用周期经济性，这是可以理解的。
５－３ 实际大小的室内实验 ５－３－１ 实验设备
实际大小的钢筋混凝土衬砌结构试验（图－１６，照片－１），是作为收集衬砌结构物动态的量测资料，是在荷兰代尔夫特工科大学内进行的。制作了用于鹿特丹（Ｒｏｔｔｅｒｄａｍ）市波特莱克隧道中的钢筋混凝土管片衬砌并拼装了３环衬砌结构。按照与实际条件相同的那样，在隧道园周方向和轴方向上施加荷载。这项实验的主要目的是为了阐照以下几点内容。
①管片衬砌和接头的复杂形状，和盾构千斤顶的局部影响的组合中、对完成拼装后的衬砌结构的动态影响。
②盾构机内衬砌环的拼装次序，由于盾构千斤顶的荷载作用，其后作用半径方向的荷载对衬砌结构内应力分布的影响。
③从完善环形状所发生局部性的变形对衬砌结构内的应力影响。
④Ｋ型块管片拼装得过紧或者是未紧固、所造成的影响。
⑤盾构机的方向控制，对衬砌结构动 照片
－１ 室内实验装置
态和衬砌环的相互作用的影响。 ５－３－２ 实验的事前分析
对于实验中的衬砌结构动态，事前曾用了３次元ＦＥＭ模型（图－１７）等作了分析。实验内容是考虑了在实际工程中的条件进行的，认为分析的结论也和实际的衬砌结构动态相当接近（图－１８～图－２３）。
①管片衬砌拼装过程，成为施工完成后产生增加应力的原因。
②管片衬砌拼装过程中所发生的变形，大部分的场合下其后还是在持续着，还留存到下一阶段。 ③超过容许值的误差，成为应力集中的因素，引发管片结构的损伤。
④在管片衬砌的隧道横断面方向上的应力分布是不均匀的，特别是在靠近Ｋ型块管片处呈现不均匀的。主要原因是在于邻接环之间的相互作用。衬砌环之间的相互作用，是取决于衬砌之间接头的轴力和接头面的粗糙程度。在设置新的管片块时，千斤顶顶力释放，部分地引起衬砌环的相互作用降低，在各衬砌环内产生变形的差异。在对假定刚度完全是一致的衬砌环结构作分析时，不会发生应力上的峰值，然而，由于无法保证（拼装精度）所有的接头接合是完善的，这便是要考虑到和现实的问题不同之处。
⑤由于管片横断面积的减少，靠近管片表面的接缝处的应力在变小（图－２４，图－２５）。
⑥隧道的刚度由于轴方向存在接缝而极端在减少，尤其是对于处在软弱地基中的隧道而言，是必须考虑相对于弯矩的极限刚度的。
５－３－３ 实验结果的评定 如在图－２３中所示那样，作用在隧道法线方向上荷载平均的
量测值是２０００ＫＮ，此值和实验前的分析结果值相近。饶有兴趣的是靠近Ｋ型块管片处，这种荷载就是有一部分处于陷空状态。
对于如图－２４、图－２５中所示的Ｋ型块管片近傍的事前分析结果来说，由于接头的接触面的减少、靠近接头处的应力在减少，由此可知、量测结果的特征是受到接头的形状影响所致。
根据实验结果所得出的结论表示如下：
①施工实验中的试件变形，全部和事前分析的情况相近（图－２６）。
②应力分布靠近在管片块体的端点处成为不均匀（不存在平面变形），特别是在Ｋ型块管片近傍处形成不均匀（图－２７）。
③管片衬砌法线方向上的作用力，由于接触面的减少，靠近接头处的值降低。 ④弯矩值亦和事前分析那样，在隧道的横断面上不是呈均匀分布的。 ５－４ 建议
为了将来的隧道设计需要，特提出如下的建议。
①衬砌结构的动态，考虑是依存于荷载滞后现象的复杂３次元问题。
②管片拼装次序，注意需要达到结构构造的稳定因素。拼装成环的衬砌往往是呈理想的圆形情况。即便是有５ｍｍ左右的圆周方向上的变形，亦会招致较大的应力值的增加，因此管片衬砌的正确拼装方法是重要的。
③Ｋ型块管片的设计是重要的，斜楔形状的插入是紧的还是松的，是会引发应力的集中。Ｋ型块管片的偏心，要稍小地插入，要将Ｋ型块管片设计成良好的管片块件。
④荷载作用的顺序，由于会对衬砌结构的应力分布起着重大的影响，必须要把它作为衬砌构造设计的一部分来考虑。
⑤环间接头和块间接头的设计，考虑到要防止管片的应力集中，作为理想的话，接头设计要做到能够吸收通常拼装中不良的因素。
除此以外，需要开发以下几个方面内容：
①用实例和实验来证明设计思想； ②设定管片衬砌拼装中精度的适当容许值；
③对盾构设计，盾构千斤顶的位置，最大千斤顶顶力的控制系统，适当的衬砌后背压注，开挖面稳定和地表面沉降等合适的施工方法；
④ 高精确度的监控系统。 ６．归 纳
在盾构隧道施工时际管片衬砌的主要损伤因素大致有以下几种： ①管片衬砌拼装精度 ②盾构机的位置控制 ③盾构机的制作精度
这些因素都是在设计阶段要考虑的，若要预防则会有很多的困难场合。在防备这些管片衬砌结构损伤时，必须要采取以下的几点措施：
①设计时，确切地估计这些误差，进行补强；
②在图纸资料上汇总设计上考虑的内容，在施工中求得充分的理解； ③整理出施工时际的限界，不得超过这些限界进行施工管理。
这些内容经过设计人员和施工人员的充分协议，就可作为双方共有的信息资料。
对于如何防备施工时的构件损伤，必须要将设计和施工捆绑成一体进行研究讨论。为此，还得积极地收集有关施工时际荷载的影响资料，以作原材料的分析研究。
７．结 语
就作为长期荷载的土压力和水压力来说，仅作首单地叙述，而考虑到关于这些由于处在松弛地层中施工，发生起因的场合是很多的。考虑到施工的设计，考虑到设计的施工是重要的，是需要融合两个方面的因素，以确立合理的设计手法。
此外，认为施工时荷载的影响大的，对大深度的隧道设计方法和性能校验型设计，或者有关在极限状态设计中的施工荷载的处理方法等，都是为今后必须探讨的课题。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容