某地鐵盾構(gòu)隧道破損機(jī)理分析及加固設(shè)計(jì)

石太偉

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

盾構(gòu)法相較礦山法、明挖法更能保證工程的安全、質(zhì)量及進(jìn)度，因而得到廣泛應(yīng)用。目前，盾構(gòu)工法已在城市地鐵隧道建造中確立了主導(dǎo)地位。盾構(gòu)隧道質(zhì)量總體較好，但尚存在開裂、破損、錯(cuò)臺(tái)、氣泡等問題，其中開裂對(duì)質(zhì)量影響最大，并最終影響隧道使用壽命［1］。盾構(gòu)隧道施工及運(yùn)營使用過程中，管片損壞的現(xiàn)象在國內(nèi)外時(shí)有所聞。1998年廣州地鐵1號(hào)線長壽路站南段盾構(gòu)隧道產(chǎn)生不均勻移位，最大達(dá)2 cm，其中左線管片發(fā)生軸向通透性開裂［2］。2009年深圳地鐵一期工程7標(biāo)段華-崗區(qū)間盾構(gòu)隧道在掘進(jìn)過程中出現(xiàn)管片外弧面破裂、管片邊角崩裂、管片環(huán)向螺栓孔處混凝土崩裂及管片吊裝孔處混凝土破裂等問題［3］。2009年1月上海市軌道交通11號(hào)線安亭支線段盾構(gòu)隧道出現(xiàn)嚴(yán)重破損，京滬高速鐵路PC樁施工擊穿 11號(hào)線隧道區(qū)間管片，致使隧道損壞［4］。2011年7月，杭州地鐵1號(hào)線湖濱站—龍翔橋站區(qū)間左線隧道管片被西湖大道綜合整理項(xiàng)目地質(zhì)勘查鉆孔打穿［5］。盾構(gòu)隧道管片產(chǎn)生破損的原因很多，根據(jù)管片的工作階段可以分為3類:一類為管片生產(chǎn)過程中由于溫度變化、混凝土配比以及施工工藝的影響;二是隧道施工過程中由于千斤頂推力過大、頂進(jìn)過程中產(chǎn)生偏心距、隧道推進(jìn)過程中產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、隧道姿態(tài)控制不良，以及管片制作精度不夠引起管片不平整等原因;三是隧道建成后由于外界環(huán)境影響產(chǎn)生不均勻沉降或者由于管片荷載變化引起管片內(nèi)力增加而產(chǎn)生裂縫［6］。上述3種情況既有單獨(dú)出現(xiàn)，也有幾種原因共同作用，持續(xù)存在而引發(fā)隧道管片開裂［7］。為滿足地鐵后期運(yùn)營需要，研究可靠的盾構(gòu)隧道管片加固措施成為隧道工程實(shí)踐中的重要課題。結(jié)合某地鐵盾構(gòu)隧道管片加固的實(shí)際工程應(yīng)用，分析盾構(gòu)隧道破損機(jī)理，研究盾構(gòu)隧道加固設(shè)計(jì)。

1 工程概述

某地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，管片厚度0.35 m，幅寬1.2 m。設(shè)計(jì)采用“1+2+3”的管片分塊設(shè)計(jì)，并按“A-B-C”模式進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝。管片采用性能等級(jí)為5.8級(jí)或6.8級(jí)的M30螺栓進(jìn)行連接，每縱縫布置2個(gè)螺栓，共12個(gè)環(huán)向螺栓，環(huán)縫縱向螺栓16個(gè)。該地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道的工程地質(zhì)資料為:可塑粉質(zhì)黏土、可塑黏土、軟塑淤泥質(zhì)土。隧道結(jié)構(gòu)下方主要為軟塑淤泥質(zhì)土和深厚的可塑黏土。在該區(qū)間盾構(gòu)隧道貫通后，周邊一商務(wù)中心深基坑工程正在施工。該商業(yè)項(xiàng)目基坑總占地26 105 m2，總建筑面積130 529 m2?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)外邊線與地鐵區(qū)間隧道的最小水平距離約 31.9 m，基坑擬開挖深度為18.7 m。近地鐵隧道側(cè)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要為灌注樁+5道預(yù)應(yīng)力錨索。該基坑正施設(shè)第3根預(yù)應(yīng)力錨索，施工過程中基坑北側(cè)發(fā)生了邊坡塌方，在靠近地鐵隧道的基坑外側(cè)也出現(xiàn)了路面開裂等現(xiàn)象。2012年7月在該區(qū)間盾構(gòu)隧道日常巡查中，發(fā)現(xiàn)長達(dá)60 m范圍內(nèi)出現(xiàn)管片破損、開裂、滲漏水、邊溝開裂及橢圓度偏大等病害。盾構(gòu)隧道與臨近商業(yè)項(xiàng)目基坑剖面如圖1所示。

2 盾構(gòu)隧道管片破損原因分析

2.1 盾構(gòu)隧道與臨近商業(yè)項(xiàng)目基坑影響性分析

導(dǎo)致盾構(gòu)隧道管片破損的原因很多，如何界定盾構(gòu)隧道管片破損原因，在業(yè)界一般采用實(shí)測實(shí)量、數(shù)值仿真模擬及類似工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定。鑒于該地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道已發(fā)生管片局部破損、管片開裂和隧道變形偏大等病害，為探討誘發(fā)地鐵隧道產(chǎn)生病害的影響因素，需對(duì)隧道及臨近基坑結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算分析。

圖1 盾構(gòu)隧道與臨近商業(yè)項(xiàng)目基坑剖面(單位:mm)

采用有限元軟件對(duì)基坑開挖與臨近隧道影響性進(jìn)行分析。建模時(shí)，考慮邊界效應(yīng)影響，基坑側(cè)取至2倍基坑開挖深度，隧道側(cè)取至3倍洞徑，上部取實(shí)際地表并對(duì)其進(jìn)行合理簡化。模型邊界采用固定支座約束，其中兩側(cè)約束水平方向，底部約束豎向，上部為自由表面。土體采用摩爾庫倫模型，根據(jù)實(shí)際情況選用地質(zhì)參數(shù)［8］。

圖2 基坑開挖最不利工況下隧道周圍土體水平位移云圖

圖2為基坑開挖最不利工況下隧道周圍水平位移云圖。從圖2可知，在基坑開挖及錨索施設(shè)條件下，隧道周圍土體產(chǎn)生較大水平位移，隧道周圍土體水平位移最大為2 cm。

2.2 盾構(gòu)隧道受損段管片內(nèi)力分析(圖3～圖6)

從數(shù)值計(jì)算分析模型可知，在錨索失效工況下，隧道周圍土體(兩翼)出現(xiàn)松動(dòng)區(qū)，隧道周圍(兩翼)土壓力及地層抗力衰減。根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)，此處土壓力及地層抗力按80%折減。為此，在考慮隧道結(jié)構(gòu)為盾構(gòu)管片和螺栓連接而成的基礎(chǔ)上，采用修正慣用法，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的受力和變形影響因素進(jìn)行計(jì)算分析。

在正常情況下，管片環(huán)最大彎矩為164.52 kN·m，軸力為946.431 kN;在土壓力及地層抗力80%折減工況下，管片環(huán)最大彎矩為228.27 kN·m，軸力為950.021 kN，管片環(huán)前后彎矩值增大38.7%。隨著側(cè)向土壓力和地層抗力不斷折減，管片環(huán)彎矩不斷增大，軸力變化較小。計(jì)算結(jié)果表明，正常情況下，隧道管片環(huán)安全度較高;隧道管片環(huán)安全系數(shù)受地層約束的影響較大，側(cè)向土壓力衰減到一定程度時(shí)將不利于隧道管片結(jié)構(gòu)的安全。

圖3 正常工況下盾構(gòu)隧道管片彎矩(單位:kN·m)

圖4 正常工況下盾構(gòu)隧道管片軸力(單位:kN)

圖5 折減工況下盾構(gòu)隧道管片彎矩(單位:kN·m)

圖6 折減工況下盾構(gòu)隧道管片軸力(單位:kN)

2.3 盾構(gòu)隧道受損段管片裂縫分析

盾構(gòu)隧道通常按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)安全性。盾構(gòu)隧道的裂縫控制值為0.2 mm，若裂縫驗(yàn)算結(jié)果大于0.2 mm，則認(rèn)為隧道存在結(jié)構(gòu)安全缺陷。

該區(qū)間受損段管片配筋形式見表1。

表1 管片主筋配筋(C型配筋)

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)規(guī)定，按荷載標(biāo)準(zhǔn)組合或準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度計(jì)算公式為［9］

式中 wmax——最大裂縫寬度;

αcr——構(gòu)件受力特征系數(shù);

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù);

σs——按荷載準(zhǔn)永久組合計(jì)算的鋼筋混凝土構(gòu)件縱向受拉普通鋼筋應(yīng)力或按標(biāo)準(zhǔn)組合計(jì)算的預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件縱向受拉鋼筋等效應(yīng)力;

Es——鋼筋的彈性模量;

cs——最外層縱向受拉鋼筋外緣至受拉區(qū)底邊的距離;

ρte——按有效受拉混凝土截面面積計(jì)算的縱向受拉鋼筋配筋率;

deq——受拉區(qū)縱向鋼筋的等效直徑。

計(jì)算結(jié)果可知，最大裂縫寬度 wmax=0.477 mm。當(dāng)管片裂縫寬度大于限制值0.2 mm時(shí)，管片使用狀態(tài)偏于不安全，嚴(yán)重影響管片耐久性。從現(xiàn)場巡視可見，在管片裂縫較大處，滲水明顯，亟待處理。

在商業(yè)項(xiàng)目基坑開挖期間，隧道管片裂紋增大，軌道沉降、水平位移增大，軌道的縱向曲率半徑超出相關(guān)規(guī)程要求，隧道橢圓度大于6‰D。在商業(yè)項(xiàng)目基坑開挖影響范圍外，區(qū)間盾構(gòu)隧道均未發(fā)現(xiàn)沉降、位移及橢圓度異變。由實(shí)測實(shí)量及數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果可知，地鐵盾構(gòu)隧道病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)樯虡I(yè)項(xiàng)目基坑施工誘發(fā)地鐵隧道側(cè)方土壓力卸載和隧道側(cè)方地層抗力降低所致。(1)隧道病害及相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，隧道病害嚴(yán)重區(qū)段，左線隧道右軌道的豎向沉降和水平側(cè)向位移、隧道上方地面沉降范圍均與商業(yè)項(xiàng)目基坑開挖范圍存在明顯的相關(guān)性;(2)隧道側(cè)方側(cè)向土壓力卸載和隧道周邊地層抗力降低是誘發(fā)地鐵盾構(gòu)隧道病害的主要影響因素;(3)商業(yè)項(xiàng)目基坑靠近地鐵隧道側(cè)采用樁+5道預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)，深基坑開挖卸載以及錨索錨固段拉應(yīng)力區(qū)的存在，導(dǎo)致地鐵隧道側(cè)方土體卸載和隧道側(cè)方地層抗力約束降低，從而誘發(fā)地鐵隧道發(fā)生豎向沉降，并朝商業(yè)項(xiàng)目基坑側(cè)發(fā)生水平側(cè)向位移。

3 盾構(gòu)隧道受損段加固設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道受損段加固設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“先急后緩，內(nèi)外兼修”原則，執(zhí)行剛度、耐久性修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足后期運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全性及耐久性要求。

3.1 盾構(gòu)隧道外側(cè)加固設(shè)計(jì)

根據(jù)盾構(gòu)隧道受力及破損機(jī)理分析可知，隧道圍巖土壓力及地層抗力衰減是盾構(gòu)隧道破損的重要影響因素。減小基坑開挖對(duì)盾構(gòu)隧道的影響可采取控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、隔斷基坑與隧道二者聯(lián)系及加強(qiáng)隧道壁后圍巖強(qiáng)度等措施。為控制隧道結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形，防止隧道病害繼續(xù)惡化，在靠近隧道側(cè)的基坑內(nèi)側(cè)采取堆土反壓應(yīng)急處理措施。從監(jiān)測結(jié)果看，采取的基坑內(nèi)側(cè)堆土反壓應(yīng)急措施，有利于控制地鐵隧道的繼續(xù)位移，有利于抑制地鐵隧道病害的繼續(xù)發(fā)展?；釉诳拷淼纻?cè)嚴(yán)格采用逆作法施工，以盡量減小基坑的變形。為防止隔離樁切斷基坑預(yù)應(yīng)力錨索，在加固設(shè)計(jì)中未采用隔離樁等措施來隔斷基坑與隧道二者聯(lián)系。該地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)側(cè)腰及下方部位土層主要為軟塑的淤泥質(zhì)土，平均標(biāo)貫擊數(shù)僅為6.4擊，受外界擾動(dòng)后隧道周邊地層抗力約束較小，不利于地鐵隧道結(jié)構(gòu)的保護(hù)，在加固設(shè)計(jì)中對(duì)隧道兩側(cè)及下方地層進(jìn)行低壓滲透注漿處理，以改善隧道周邊的地層抗力約束，將有利于地鐵隧道結(jié)構(gòu)的長期安全保護(hù)。同時(shí)，為防止地表水通過地表裂縫滲入基坑外側(cè)土體和隧道周圍土體，控制隧道結(jié)構(gòu)繼續(xù)變形，防止隧道病害的繼續(xù)惡化，對(duì)基坑外側(cè)地面及隧道上方地面的地表裂縫進(jìn)行了封堵。沿該地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道臨近范圍內(nèi)建立嚴(yán)格控制保護(hù)區(qū)，嚴(yán)格控制地鐵隧道附近的外部作業(yè)，避免外部作業(yè)再次擾動(dòng)該地區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道10。

3.2 盾構(gòu)隧道內(nèi)壁加固設(shè)計(jì)

鑒于盾構(gòu)隧道管片裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，在隧道內(nèi)采用鋼架進(jìn)行臨時(shí)加固應(yīng)急處理。等變形穩(wěn)定后，對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)。盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)修復(fù)執(zhí)行剛度和耐久性修復(fù)兩種標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于變形較大，結(jié)構(gòu)剛度出現(xiàn)損失的盾構(gòu)隧道，需采取加固鋼圈的措施來增加結(jié)構(gòu)的剛度。一般按以下標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分:(1)拱腰有壓碎的環(huán);(2)縱縫張開大于2 cm的環(huán);(3)如鑿開下部道床后發(fā)現(xiàn)仰拱有裂縫的環(huán);(4)橫鴨蛋變形增加2%隧道直徑以上的環(huán)。不在上述4種標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)的管片裂縫及碎裂，可視為與橫向變形無關(guān)的裂縫及碎裂，只需要按耐久性修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)簡單修補(bǔ)即可，不需要進(jìn)行整環(huán)剛度修復(fù)。

采用剛度修復(fù)的環(huán)需要加鋼環(huán)，如果是道床鑿除重新做的地段，可采用封閉的全環(huán)鋼圈，如果是道床不需要鑿除重新做的地段，可采取加牛腿頂住道床結(jié)構(gòu)的不封閉鋼圈。其余采用耐久性修復(fù)即可。修復(fù)包括:第一種(耐久性修復(fù)):補(bǔ)裂縫—環(huán)氧堵漏—補(bǔ)碎裂;道床修補(bǔ);粘貼芳綸布(永久加固)。第二種(剛度修復(fù)):補(bǔ)裂縫—環(huán)氧堵漏—補(bǔ)碎裂—手孔封堵—粘貼芳綸布(臨時(shí)加固)—管線遷改—環(huán)氧封堵—機(jī)械臂進(jìn)場—加鋼圈。因處理的盾構(gòu)隧道需要補(bǔ)強(qiáng)提高剛度要求，修復(fù)的材料應(yīng)首先考慮環(huán)氧樹脂的材料，因這類材料具有高粘貼力、高強(qiáng)度、機(jī)械力學(xué)性能優(yōu)秀及耐老化性能良好。

4 盾構(gòu)隧道加固后狀態(tài)評(píng)估

管片修補(bǔ)材料的抗拉強(qiáng)度不應(yīng)低于1.2 MPa，抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于管片強(qiáng)度［11］。隧道修復(fù)后，耐久性不低于原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，管片碎裂修補(bǔ)部位要求強(qiáng)度達(dá)到原來的85%。盾構(gòu)隧道管片加固后剛度應(yīng)不小于原管片本體剛度的1.3倍。盾構(gòu)隧道加固設(shè)計(jì)可參照《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50367—2006)中第 8.2 及 9.2 節(jié)［12］。

在受彎構(gòu)件的受拉邊混凝土表面上粘貼纖維復(fù)合材進(jìn)行加固，其正面承載力應(yīng)按下列公式確定

式中 M——構(gòu)件加固后彎矩設(shè)計(jì)值;

α1——受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖的應(yīng)力值與混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值;

fc0——原構(gòu)件混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

b、h——矩形截面寬度和高度;

x——混凝土受壓區(qū)高度;

fy0——原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

As0、——原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的截面面積;

h0——構(gòu)件加固前的截面有效高度;

a'——縱向受壓鋼筋合力點(diǎn)至截面近邊的距離。

構(gòu)件加固后彎矩設(shè)計(jì)值為228.27 kN·m，芳綸纖維布規(guī)格為AFS60，材料厚度為0.286 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 000 MPa，彈性模量≥110 GPa，延伸率≥1.8%。式(2)中均為裂縫寬度為0.2 mm時(shí)鋼筋應(yīng)力。由式(2)計(jì)算結(jié)果可知，加固設(shè)計(jì)采用上述芳綸布材料能滿足承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。

根據(jù)盾構(gòu)隧道管片加固設(shè)計(jì)剛度修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，部分地段采用外粘貼鋼板的加固形式。在受彎構(gòu)件的受拉面和受壓面粘貼鋼板進(jìn)行加固時(shí)，其加固后的承載力和截面剛度可按整截面計(jì)算，其截面剛度EI的近似值，可按下式計(jì)算

式中 Ec0、E——分別為原構(gòu)件混凝土和加固型鋼的彈性模量;

Ic0——原構(gòu)件截面慣性矩;

Aa——加固構(gòu)件一側(cè)外粘型鋼截面面積;

aa——受拉與受壓兩側(cè)型鋼截面形心間的距離。

根據(jù)計(jì)算表明:在受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫或縱縫張開采用剛度修復(fù)時(shí)，可采用20 mm厚鋼板，受拉區(qū)出現(xiàn)壓碎采用剛度修復(fù)時(shí)，需采用30 mm厚鋼板才能滿足1.3倍要求。因此，在本次加固設(shè)計(jì)中，對(duì)于兩腰壓碎的情況，均采用30 mm厚鋼板，其余采用20 mm厚鋼板。

5 結(jié)語

隨著盾構(gòu)隧道工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，盾構(gòu)隧道周圍環(huán)境條件不斷變化，隧道加固技術(shù)的研究將是地鐵工程施工及運(yùn)營的重要課題?；谀车罔F區(qū)間盾構(gòu)隧道加固工程實(shí)例，對(duì)隧道加固技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行闡述。

(1)盾構(gòu)隧道加固應(yīng)首先研究受損隧道的受力及破損機(jī)理，可采取監(jiān)測、檢測、數(shù)值仿真及類似工程經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

(2)盾構(gòu)隧道加固應(yīng)遵循“先急后緩，里外兼修”原則，執(zhí)行剛度、耐久性修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，并滿足后期運(yùn)營結(jié)構(gòu)安全性及耐久性要求。

(3)盾構(gòu)隧道加固應(yīng)盡量一步到位，否則在長期列車振動(dòng)荷載作用及土層沉降作用下，如產(chǎn)生較大變形，之前修補(bǔ)的裂縫及碎裂會(huì)發(fā)生修補(bǔ)材料脫落，導(dǎo)致重新修補(bǔ)，增加工程量。

(4)盾構(gòu)隧道加固若涉及到管線遷改，道床重做等事宜，應(yīng)保證隧道運(yùn)營功能要求。

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［10］陳俊林.盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道安全距離的研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(10).

［11］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50446—2008 盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［12］中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50367—2006 混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.