地鐵隧道管片裂縫修復(fù)材料和技術(shù)研究

凌玲

(無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023)

地鐵隧道管片裂縫修復(fù)材料和技術(shù)研究

凌玲

(無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023)

地鐵隧道管片在施工階段及后期運行時易出現(xiàn)破損和開裂，采用以前的材料和技術(shù)進行修復(fù)，修復(fù)部位會發(fā)生再次破損和墜物，影響列車運營安全。通過開發(fā)一種高黏結(jié)性的可用于隧道管片破損及裂縫修復(fù)的新型材料，研究修復(fù)材料黏結(jié)強度和抗拉強度;確定地鐵隧道管片破損修補材料和工藝，可進一步提高隧道管片破損修補的質(zhì)量。

地鐵;修復(fù)材料;隧道管片;混凝土裂縫;黏結(jié)強度

地鐵隧道盾構(gòu)法管片受管片接縫、設(shè)計參數(shù)、拼裝方式、注漿類型及漿液特性和水土壓力的影響，易產(chǎn)生破損現(xiàn)象［1-2］。管片破損及結(jié)構(gòu)性開裂將導(dǎo)致地下水的滲漏侵蝕，發(fā)生管片鋼筋銹蝕等多種危害，嚴重時會影響到地鐵隧道的使用安全，目前地鐵隧道盾構(gòu)管片破損的修復(fù)工藝技術(shù)主要是采用高強快硬水泥材料進行修復(fù)，水泥材料的黏結(jié)力固定，修補快，但可靠性相對較低，修復(fù)后的管片后期易發(fā)生再次破損和墜物等現(xiàn)象，進而影響到列車的運營安全。當前的管片修復(fù)技術(shù)及工藝簡單，未能制定合理標準，管片不同部位、不同破損程度的修復(fù)基本相同，也造成了修復(fù)技術(shù)針對性差［3］。

由于受地鐵隧道管片破損特點、作業(yè)空間的限制，管片修復(fù)應(yīng)結(jié)合管片修復(fù)塊易墜落的特點，以提高修復(fù)材料與管片的黏結(jié)性能為主，而提高黏結(jié)性能主要通過材料和工藝兩方面進行，選擇具有較強的黏結(jié)性能、較高強度的材料，并須符合管片現(xiàn)場修復(fù)作業(yè)要求，具有良好的操作性和便捷性，修復(fù)過程的材料穩(wěn)定且須控制缺損管片修復(fù)后與管片本體的色差［4-6］。

目前，國內(nèi)外的研究人員已研制出能滿足不同類型工程需要的裂縫修復(fù)材料，主要包括無機類、有機類以及復(fù)合材料，這些材料主要針對房屋建筑、橋梁和公路等基礎(chǔ)設(shè)施，基本都不是針對地鐵隧道混凝土管片的裂縫修復(fù)。針對管片拼接縫及螺栓處滲漏的實際情況，研究初始黏度低、后期固化快、強度高，且與原基體有可靠黏結(jié)的修復(fù)材料，對縫隙和接縫進行高效修復(fù)，有效阻礙有害介質(zhì)侵入，同時成本較低，提升混凝土管片服役壽命是非常必要的［7-8］。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

甲基丙烯酸甲酯(MMA)為工業(yè)級，甲基丙烯酸丁酯(BMA)為化學(xué)純，過氧化苯甲酰(BPO)為化學(xué)純，環(huán)氧樹脂(E-44)，固化劑E為叔胺類，有機硅(MPTS)為化學(xué)純，水泥為52.5MPa硅酸鹽水泥，中砂，聚羧酸減水劑，外加劑SF和B，上海某公司生產(chǎn)的水性環(huán)氧樹脂及其固化劑G，消泡劑采用磷酸三丁酯。

1.2 試驗方法

拉伸強度的澆鑄體拉伸試樣尺寸按GB/T 2568—1995《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗方法》規(guī)定標準制備，澆鑄體的拉伸強度及斷裂伸長率參照該標準用深圳新三思集團生產(chǎn)的CMT 7304電子萬能試驗機室溫測試，測試速度為2 mm/min，標距為60 mm。

紅外光譜分析是將試樣在紅外燈下干燥10 min后，用NEXUS670傅立葉紅外光譜儀測試。TG-DTA測試是將選好的修復(fù)材料固化物破碎成直徑為1～2 mm的小顆粒，使用美國Diamond TG/DTA的熱重/差熱綜熱分析儀，以10℃/min的升溫速率，在30～700℃條件下對試樣進行TG和DTA測試。

黏結(jié)強度參考DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規(guī)程》和JGT 336-2011《混凝土結(jié)構(gòu)修復(fù)用聚合物水泥砂漿》［9］。黏結(jié)強度采用黏結(jié)抗折試驗和黏結(jié)抗拉試驗兩種方法進行試驗研究，其中黏結(jié)抗折強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，黏結(jié)抗拉強度尺寸為100 mm×100mm截面混凝土試件，試件簡圖如圖1所示。

圖1 黏結(jié)抗拉試驗試件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 新型修復(fù)材料的拉伸強度

將一定量的甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸、MPTS及過氧化苯甲酰放入三頸燒瓶中，在室溫下攪拌混合均勻，放入80℃的水浴中，反應(yīng)一定時間后取出，冷卻到室溫，即得反應(yīng)預(yù)聚物。向預(yù)聚物加入一定量固化劑，攪拌混合均勻，在室溫下固化成型后測試性能。

圖2是合成的新型修復(fù)材料(RM)的拉伸強度和斷裂伸長率示意圖。由圖可見，隨MPTS摻量的增加，修復(fù)材料拉伸強度呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，斷裂伸長率呈上升趨勢。當MPTS摻量為MMA的12 wt%時，拉伸強度為38.7 MPa，達到最大，斷裂伸長率為9.02%;當MPTS摻量為20 wt%，斷裂伸長率達9.55%，拉伸強度降到31.7 MPa，摻有機改性劑可增加修復(fù)材料的韌性，避免其斷裂破壞。

圖2 修復(fù)材料的拉伸強度及斷裂伸長率

隨MPTS摻量的增加，有機硅分子間發(fā)生自聚所形成的Si-O-Si鍵的幾率增加，這是因為有機硅與環(huán)氧樹脂上的仲羥基間的反應(yīng)速率大于環(huán)氧樹脂脫氫速率，另外有機硅通過自由基共聚形成的聚合物的側(cè)基比較大，阻礙了環(huán)氧樹脂與丙烯酸酯之間的反應(yīng)，使拉伸強度降低，修復(fù)材料的斷裂伸長率增加，抗列車振動和沖擊能力增加［10-11］。

2.2 新型修復(fù)材料的表征

由圖3固化前后材料的紅外光譜可見，固化前羥基峰較弱，這是由于加入的甲基丙烯酸上的羧羥基。固化后羥基在3 441 cm－1的吸收峰比較強而且較寬，說明出現(xiàn)了羥基締合。摻MPTS修復(fù)材料的羥基吸收峰較沒摻的強，這是因為加入的甲基丙烯酸在叔胺催化下與環(huán)氧基反應(yīng)形成了大量的仲羥基。在1 731 cm－1處出現(xiàn)了酯羰基特征吸收峰，913 cm－1附近出現(xiàn)了環(huán)氧基的特征吸收峰，在833 cm－1處苯環(huán)1，4取代C-H面外彎曲振動的特征吸收峰增強，說明丙烯酸酯已經(jīng)與環(huán)氧樹脂發(fā)生了反應(yīng)。1 067 cm－1為Si-O-C的特征吸收峰，說明摻的MPTS已引入到聚合物鏈中。預(yù)聚物中環(huán)氧基在914 cm－1附近的特征吸收峰比較強，說明預(yù)聚物的合成過程中環(huán)氧基難以開環(huán)［12-13］。固化后修復(fù)材料中914 cm－1環(huán)氧基的特征吸收峰消失，表明環(huán)氧基已全部開環(huán)參與固化反應(yīng)，加入有機硅及丙烯酸有利于環(huán)氧基開環(huán)固化。

圖3 摻MPTS改性新型修復(fù)材料紅外光譜

2.3 黏結(jié)抗拉強度

圖4是采用新型修復(fù)材料黏結(jié)混凝土28 d黏結(jié)抗拉強度，黏結(jié)方式見圖1所示。

由圖4可見，水泥砂漿改性后黏結(jié)抗拉強度均大于未改性試件。結(jié)果說明:水泥砂漿本身具有一定黏結(jié)性，但小于使用新型修復(fù)材料水泥砂漿。H-1、H-2和H-3分別較S0增大40.9%、22.8%和21.9%。在本研究范圍內(nèi)，隨聚灰比的增大，改性砂漿的黏結(jié)抗拉強度降低，但降幅變緩。

圖4 修補砂漿28 d黏結(jié)抗拉強度

2.4 管片裂縫修補

結(jié)合實驗室研究結(jié)果和現(xiàn)場管片開裂的特點，考慮施工隧道的實際情況以及運營列車的時間和寬度，采用研制的新型修復(fù)材料重點對隧道拱頂部位管片破損進行修復(fù)。

針對隧道管片破損的面積與特點，確定以面積0.1 m2為界限，同時確定破損深度、寬度及是否暴露鋼筋(即深度大于4 cm)，見圖5。鑿掉破損處松散的混凝土;用鋼絲刷把破損處清洗干凈干燥;配制修復(fù)材料拌勻;分層修復(fù)，水泥凈漿厚度約1～2 mm，砂漿厚應(yīng)視破損程度確定約20～60 mm，修復(fù)范圍宜擴展至破損處兩側(cè)100～200 mm，并抹平修邊;待修復(fù)砂漿干硬后，用打磨機磨平表面;為保證修復(fù)處與管片表面顏色一致，可進行抹面處理;抹面后應(yīng)加強養(yǎng)護工作。

圖5 管片修復(fù)

采取新型管片修復(fù)材料及對管片破損位置安裝加固錨筋與鋼筋網(wǎng)片的修復(fù)工藝，適用于管片上部180°范圍內(nèi)的修復(fù)，并且可根據(jù)隧道管片破損情況合理選用砂漿和凈漿等多種修復(fù)工藝，杜絕和防止隧道管片破損修復(fù)處發(fā)生二次開裂和脫落現(xiàn)象。

3 結(jié)論

隨MPTS量的增加，修復(fù)材料拉伸強度先增后降，斷裂伸長率呈上升趨勢;當MPTS摻量為MMA的12 wt%，拉伸強度為38.7 MPa，達到最大，而斷裂伸長率為9.02%，使修復(fù)材料韌性增加，避免了斷裂破壞，優(yōu)于混凝土管片的力學(xué)性能。

紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)甲基丙烯酸在叔胺催化下與環(huán)氧基反應(yīng)形成了大量的仲羥基，與環(huán)氧樹脂發(fā)生了反應(yīng)，有機硅已引入到聚合物鏈中，與加入的丙烯酸促進了環(huán)氧基開環(huán)固化。在一定程度上增加了材料韌性，使材料抗地鐵振動和沖擊韌性增加。

水泥砂漿改性后黏結(jié)抗拉強度均大于未改性試件，增幅最大可達40.9%;在研究范圍內(nèi)隨聚灰比增大，改性砂漿的黏結(jié)抗拉強度降低，但降幅變緩。

經(jīng)過實驗室的研究及現(xiàn)場試驗，證明采用新型管片修復(fù)材料及對管片破損位置安裝加固錨筋與鋼筋網(wǎng)片的修復(fù)工藝，比以往選擇的材料及工藝更能增強其修復(fù)部位的力學(xué)性能，且適用于隧道管片不同位置及情況的破損修復(fù)，施工簡便，具有良好的修復(fù)效果。可實現(xiàn)對地鐵區(qū)間隧道滲漏的有效修復(fù)，消除和減少地鐵隧道滲漏，可避免因混凝土滲漏而引發(fā)的管片鋼筋和地鐵及軌枕等一系列腐蝕問題，提高了地鐵工程使用壽命和列車運行安全，具有顯著的經(jīng)濟和社會效益。

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(編輯:郝京紅)

城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室獲國家發(fā)改委批復(fù)

近日，北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司收到了國家發(fā)展改革委辦公廳“關(guān)于城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室項目的復(fù)函”(發(fā)改辦高技［2016］581號)，標志著由北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司作為項目法人申報的國家工程實驗室得到正式批復(fù)。

城市軌道交通綠色與安全建造技術(shù)國家工程實驗室是該集團公司成立以來獲得的首個國家級科技創(chuàng)新平臺，將針對我國城市軌道交通建設(shè)和運營安全事故多發(fā)、環(huán)境影響突出、效率不高等問題，圍繞我國城市軌道交通工程安全、環(huán)保、高效和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，重點建設(shè)城市軌道交通綠色建造技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用示范平臺，支撐開展城市軌道交通地下與高架工程綠色建造、新型軌道結(jié)構(gòu)、建設(shè)與運營安全等技術(shù)、工藝和裝備的研發(fā)與工程化。重點構(gòu)建“三大創(chuàng)新平臺、一大支撐平臺及七個研究中心和1+N個應(yīng)用示范基地”，引領(lǐng)國家在城市軌道交通領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的先進性和創(chuàng)新性。建成世界領(lǐng)先的城市軌道交通工程技術(shù)實驗室，從而提高軌道交通工程建設(shè)質(zhì)量和效率，實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能環(huán)保、安全可靠、方便運維，為建設(shè)創(chuàng)新和安全的智慧型城市軌道交通提供技術(shù)研發(fā)支撐平臺，引領(lǐng)世界城市軌道交通工程技術(shù)發(fā)展。

未來3年，在突破大型地下裝配式結(jié)構(gòu)和U型梁高架結(jié)構(gòu)、新型預(yù)制減振軌道、精細化工程建設(shè)與運營安全監(jiān)控、線路結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)實時監(jiān)測與預(yù)警、結(jié)構(gòu)抗震安全多尺度評價與減災(zāi)等方面不少于10項關(guān)鍵技術(shù)和裝備。縮短地下車站建設(shè)工期20%以上，提升軌道結(jié)構(gòu)工效40%以上，降低環(huán)境振動影響不少于10 dB，實現(xiàn)安全監(jiān)測全過程24 h監(jiān)控，并進行工程化驗證、轉(zhuǎn)化和推廣。申請發(fā)明專利不少于20項，登記軟件著作權(quán)不少于10項，主編或參與編制標準(規(guī)范)不少于4項，為推動我國城市軌道交通建造技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司

院士專家工作室供稿

Investigation on Repair Materials and Technology for Tunnel Segment Cracks of Subway

Ling Ling
(Wuxi Metro Group Co.，Ltd，Wuxi，Jiangsu 214023)

Failure and cracks are prone to take place during the construction stage and the late operation phase of subway tunnel. If the oldmaterials and technology are adopted to repair the segmentstructure,the problem willoccur again on the part repaired, and the breakage and falling objectsmay affect the safety of train operation.Thus,anew material is developed to repair the damage and fracture of tunnel segment.Then,the bond and the tensile strengths of the new repairingmaterial are studied.Finally,the subway tunnel segment breakage repairing materials and technology are determined,and the repair quality of tunnel segment damagemay be improved.

metro;repairmaterials;tunnel segment;concrete crack;bond strength

U231

A

1672-6073(2016)02-0118-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.027

2016-02-23

2016-03-16

凌玲，女，碩士，工程師，從事道路與鐵道工程研究，654544882@qq.com

江蘇省建設(shè)廳科技項目(201307230004)