1 绪论
随着我国经济建设的高速发展，城市所面临的空气污染、噪声污染和交通拥堵等问题越来越突出，而发展大规模的轨道交通是改善我国城市环境和实现城市可持续发展战略的首要选择。据统计，截至2020年底，中国大陆地区有45个城市开通城市轨道交通，可见城市轨道交通已成为大中型城市发展必不可缺的交通基础设施。随着我国城市规模急剧扩张，一些大中型城市发展重心由中心城区扩展到周边市域，由单一中心转向多中心发展，区域之间、各中心之间市民通勤距离不断扩大。作为城市公共交通，普通地铁线路主要在中心城区内通行，导致人民长距离快速通勤需要与公共交通运力之间的矛盾日益突出。鉴于此，为了满足大区域范围的快速通勤需要，市域轨道快线得到了各大城市的高度重视和快速发展。
市域轨道快线是都市圈轨道运营组织的一种模式，其*主要的技术特征是相对快速和强大的运输能力。市域轨道快线主要指设计速度100km/h以上、运营速度45km/h以上、服务范围30km以上的带有通勤性、公交化特征的轨道交通线路。在国外，市域轨道快线的起步较早，如巴黎RER-B系统、东京中央快速线、东京筑波快速线等，这些线路为国内市域快轨建设提供了有益经验。目前，北京、上海、南京、成都、兰州等城市均开通了里程不等的市域快轨，截至2020年底，全国市域快轨运营里程已达805.7km，并呈现快速发展势头。
目前市域快轨的设计理念主要可分为两种，一种是按照地铁模式进行设计，另一种是参照市域客运专线进行设计。其线路敷设方式包括地面、高架和地下，在条件允许的情况下，采用地面和高架方式无疑可以降低造价，但由于受城市地表空间所限，在市区内往往还是以地下线为主，通过与城市地铁合并运营，形成了独特的市域地铁，如北京地铁大兴线、成都地铁十八号线等，如此不仅可以方便换乘，还可以*大限度减小对地面交通的干扰。
相比传统施工方法，盾构法具有防渗漏水性强、工期短、施工安全性高、对周围环境影响小的特点，因而盾构法目前已成为许多城市市域地铁建设的首选施工方法。盾构隧道是由一环又一环的管片连接而成的拼装结构，而每环管片又是由多块管片、纵、环向螺栓和管片间纵、环向止水材料组成，涉及的结构参数和材料力学性质十分多样，使得管片环的受力状态受到拼装方式、接头数量和接头构造等因素的影响，力学行为复杂。再者，部分城市存在诸如软土、砂卵石以及软硬不均的复杂地质环境，致使盾构隧道在掘进过程中面临刀具磨耗严重、地表不均匀沉降、管片裂损等诸多问题，给盾构隧道的施工和后续运营带来了一系列隐患。
1.1 市域地铁建设面临的问题
相比于普通地铁，市域地铁快线站间距更大，运营时速更高，如连接成都市区与成都天府国际机场的地铁十八号线设计运行速度140km/h，北京地铁大兴机场线*高运行速度可达160km/h。为了保证列车安全运行，盾构开挖直径也需要相应扩大，如大兴机场线所使用的盾构机直径为8.8m。
市域地铁快线更长的站间距、较大的直径给盾构隧道建设带来的挑战是多方面的。首先，由于隧道直径增大，普通地铁所采用的管片分块方式和尺寸在市域地铁中将难以适用，并且管片衬砌结构在地层荷载作用下的受力较普通地铁更加复杂。再者，盾构施工时为了克服更大的地层阻力，盾构机掘进时的推力、扭矩随着开挖直径增大而增大，使得市域地铁盾构隧道管片衬砌结构施工荷载更大，在盾构转弯和姿态调整时容易发生损伤和开裂。
盾构机通过刀盘旋转带动刀具对岩土体进行掘削，由于市域地铁盾构隧道开挖直径较大，刀具切削岩土的行程增长，其磨耗较普通地铁时更加严重，同时，市域地铁更长的站间距需要盾构机进行连续长距离掘进，使得刀具磨耗问题愈发突出。与此同时，大直径市域地铁盾构隧道从市区延伸到周边郊县，线路距离长，地层变化、特别是穿越软硬不均复合地层的概率更高，需要选择合理的盾构掘进参数以减轻盾构掘进对地表环境的影响。另外，市域地铁盾构较大的直径使得每环开挖渣土量大增，并且盾构区间长度较大，渣土需要在已建成的隧道内进行长距离运输，如果采用传统的出渣方式，一旦出渣速度与盾构掘进速度无法匹配，将会对整个工程的工期产生不利影响。
目前，国内各个城市对于市域地铁快线的认识定义尚不十分明确，对于市域地铁盾构隧道的专项研究不多，且多针对线路选线、技术指标、构造型式等问题进行分析，对于市域地铁快线结构设计、施工力学等方面研究不够，难以有效指导市域地铁盾构隧道的设计与施工。鉴于此，针对上述问题，需要系统开展市域地铁盾构隧道管片结构设计理论、盾构管片施工力学、盾构施工动态控制、刀具减磨等方面的研究，以完善市域地铁盾构隧道建设技术体系。
1.2 市域地铁盾构隧道研究现状
1.2.1 盾构隧道衬砌结构选型
伴随着地下空间工程的迅猛发展，盾构法成为隧道建设的主流方法，其在建筑物密集、管线众多和施工影响限制严苛的城市中具有明显的优势。目前，盾构隧道衬砌结构通常由预制管片拼装而成，为保证结构安全、准确拟合线路、提高施工效率，需要选定合适的管片类型、排版方式和设计参数，主要包括管片种类、接头型式、拼装方式、结构尺寸、分块方式等。管片结构选型需要考虑众多因素，包括地质情况、覆土厚度、隧道线形、结构受力性能、设备运输能力等，对于普通地铁盾构隧道，根据已经积累的丰富工程经验，可以相对快速地拟定选型方案的主要参数，但对于市域地铁盾构隧道，相关选型经验则较为匮乏，需要根据工程实际进行分析。
针对管片的拼装选型与排版问题，已有学者开展了相关研究。刘凤华[1]通过对管片的几何关系进行分析，推导了通用环管片的排版公式，并探讨了盾尾间隙及油缸行程差对盾构管片拼装的影响。潘国荣等[2]通过分析设计轴线、盾构推进既成轴线和管片成型轴线之间的关系，提出了一种通用环管片的纠偏方法。储柯钧[3]根据设计线路的曲线要素特点及管片楔形量计算出在不同半径的曲线上所需标准环与楔形环的配比，虽然提到了标准环与楔形环的组合拼装，但并未对管片选型及拼装姿态进行具体分析。张志华等[4]在每环管片内建立局部坐标系，以局部坐标系描述管片拼装信息，并以通用管片为例进行了验证。张文萃等[5]以宁波地铁2号线为例，计算了通用管片在不同点位拼装时各方向的超差和轴线偏差，分析了通用管片排版设计时应当考虑的影响因素。张忠桢等[6]根据双面楔形管片是等腰楔形环这一几何特性，利用齐次变换方法计算出每环管片的位置和方位，进而确定盾构线路所需左、右转弯环的数量。刘欣等[7]提出了一种错缝拼装形式的管片预排版方法，并采用几何迭代法求出了与目标线路偏差*小的一种盾构管片拼装姿态。
在盾构隧道管片设计方面，已有研究表明，随着管片厚度、接头种类和分块方式变化，地层与衬砌结构的相对刚度也随之改变，从而影响衬砌结构的内力分布，因此可以通过对管片结构设计参数的优化来改善其受力性能[8-9]。然而，传统方法一般在有限的设计方案中通过比较、计算及分析，得到较优的方案。由于方案数量的限制，所作的优化也受到了限制，往往难以获得*优的结果，并且优化效率低。利用现代优化设计理论，通过计算机技术的利用，可以进行大范围、多变量*优解搜索。这种方法覆盖面广、效率高，但现代优化设计在地下工程中的应用较为少见，尤其是在盾构设计中更为少见，是值得深入研究的一个领域。
1.2.2 管片衬砌施工力学行为
随着盾构法在地铁施工中的普遍应用，目前针对其运营状态的力学分析模型已相对完善和成熟，目前常用的有惯用法、修正惯用法、梁-铰模型、梁-弹簧模型、壳-弹簧模型、实体-弹簧模型、实体-螺栓模型等[10-14]。以上分析方法基本上未考虑施工荷载的影响，无法对施工阶段的管片衬砌进行力学分析。长期以来，由于施工荷载的偶然性、复杂性和临时性，因而对于施工期的管片衬砌受力很难抽象出统一的计算模型。但是，近年来众多的盾构隧道工程实践表明，施工荷载及其对管片造成的影响和破坏，越来越不可忽视，因为这往往是管片破损、裂缝、错台、渗漏水的原因所在[15]。如，对上海地铁管片的调研发现，拼装阶段造成的管片破损占破损总量的38%以上[16]。杭州地铁2号线一期工程有168环管片因为施工时盾构机恣态导致的偏心顶推出现严重破损；宁波轨道交通１号线世纪大道—海晏北路区间隧道在盾构掘进过程中产生管片结构开裂[17]；广州地铁一号线黄沙站—长寿路站区间、二号线海珠广场站—市二宫站区间部分管片由于施工工艺问题而开裂[18]。
管片在施工阶段的力学行为日益引起国内外学者的关注，目前学者们的研究大多集中于管片施工期受力变形和裂损机理方面。在施工期管片受力变形方面，Bezuijen等[19]通过理论推导，建立了隧道衬砌荷载与隧道上浮移动和背后注浆材料性能之间的关系，并通过对SOPHIA隧道的现场实测，探讨了隧道上浮力和衬砌弯矩对注浆压力的影响[20]。Zhang等[21]通过数值模拟，分析了注浆材料的性质、盾构掘进速度、注浆压力差、隧道纵向刚度、环间摩擦力和后配套重量等因素对隧道上浮的影响。Mo等通过数值建模对盾构施工时姿态控制不佳造成的管片结构受力和错台进行了研究[22]，并分析了封顶块有无楔形量两种情况下盾构机顶推时隧道结构内力[23]。宋克志等[24]通过建立有限元模型，对不同工况下的管片受力进行了分析，认为千斤顶推力的大小、倾角及偏差是导致施工阶段管片局部破损的主要原因。叶飞等[15]总结归纳了施工期管片荷载及其特性，并提出了减少管片破损的建议。廖少明等[25]对盾构拼装管片的全过程及拼装后管片结构的受力特征进行了现场实测。焦齐柱等[26]采用有限元方法，对盾构施工中封顶块挤入、壁后注浆缺陷、环面不平整等不利工况下的隧道受力和变形进行了分析。陈俊生等[27]通过有限元分析，认为千斤顶推力对施工阶段管片的位移、应力有明显的影响。梁禹等[28]基于弹性力学原理对管片上浮量进行了计算。叶飞等[29-30]认为注浆压力产生的动态上浮力是盾构隧道施工中产生上浮的主要原因。魏纲等[31]对比分析了盾构隧道衬砌环在正常设计状态与上浮状态下的受力特点。肖明清等[32]基于有限元法分析了地层材料、注浆材料对盾构衬砌环上浮的影响。
在管片施工期裂损机理方面，Shayanfar等[33]、Sugimoto[34]、Gruebl[35]等学者基于现场调查结果，统计分析了盾构施工阶段管片结构的破损类型以及对应的原因，并提出了减少管片破损的合理建议。Zhou等[36]建立了盾构隧道三维模型，分析了施工过程中管片的受力特点与破坏原因，研究了凹凸榫挤压、千斤顶推力不均情况下管片的破坏过程。Cavalaro等[37]研究了管片拼装不平整和千斤顶顶推作用对衬砌结构性能的影响以及由此产生的损伤。陈俊生等[38]通过进行管片足尺正、负弯曲试验和三维有限元模拟，研究了盾构隧道施工期造成管片结构裂损的因素。董明钢等[39]基于随机有限元技术和可靠度理论分析了管片结构裂损现象。黄仁东等[40]利用层次分析法和理想点法建立了盾构隧道管片上浮损伤诊断模型。卢岱岳等[41]运用扩展有限元法，分析了管片结构在受力不均、千斤顶加压不同步和千斤顶偏心荷载3种不良施工荷载情况下，带榫管片上裂纹的产生、扩展分布规律。
综上所述，目前对管片衬砌施工期的力学行为已有部分研究成果，但总体上仍处于起步阶段，对于造成管片施工期裂损的荷载作用机理、多种不利因素耦合诱发的衬砌裂损特征与规律尚待明晰。为此，需要综合考虑管片受到的地层荷载、注浆压力、千斤顶顶推力等荷载作用，以期揭示施工期管片衬砌在盾尾挤压下的损伤机制。
1.2.3 盾构机合理掘进参数
市域地铁施工过程中对地层环境保护的标准非常严格，因此，如何严格控制盾构掘进参数，在减小地层扰动的同时提高盾构施工效率是目前盾构工法面临的*大难题。在地表沉降预测方面，美国Peck[42]通过对隧道地表沉降的实测数据分析，提出了地表沉降曲线近似呈概率正态分布曲线的概念，认为施工引起的地表沉降是在不排水的条件
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