軌道交通盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)防水及耐久性策略分析

劉卓敏

摘 要：隨著中國城市化的飛速發(fā)展，城市軌道交通在中國主要城市的交通運輸中發(fā)揮著越來越重要的作用。城市軌道交通作為一個“世紀工程”，其耐久性設(shè)計是一個必須考慮的問題。根據(jù)城市軌道盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)特點，本文綜合傳統(tǒng)設(shè)計方法總結(jié)了城市隧道耐久性設(shè)計的基本內(nèi)容，介紹了提高城市隧道耐久性的新方法。

關(guān)鍵詞：軌道交通 盾構(gòu)區(qū)間 防水及耐久性 策略分析

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）07（a）-0043-02

隨著城市化進程的加快，傳統(tǒng)道路交通的低利用率和 結(jié)構(gòu)缺陷已不能滿足現(xiàn)代大都市的交通需求。交通擁擠 造成的生活不便、環(huán)境污染、城市運營成本增加等一系列 問題是政府普遍面臨的問題。到目前為止，發(fā)展城市軌道 交通是解決交通擁堵問題的良好方案，也已成為各大城市 發(fā)展的基本基礎(chǔ)設(shè)施。預(yù)計到2020年，我國將有50個城市 建有軌道交通，全國軌道交通里程將超過6000km，也就 是說，未來幾年城市軌道交通建設(shè)將保持高速發(fā)展。

1 城市隧道設(shè)計規(guī)范與要求

現(xiàn)行的《城市軌道設(shè)計規(guī)范》（GB 50157-2013）規(guī)定了軌道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計年限是（使用年限）100年。對于“100年工程”，本身投資大、施工周期長，因而對其質(zhì)量要求非常高，其中，地下結(jié)構(gòu)的耐久性是特別重要的。地下結(jié)構(gòu)的防水及耐久性的反映和體現(xiàn)是工程界日益關(guān)注的問題。城市軌道盾構(gòu)隧道與巖石、地下水等介質(zhì)密切相關(guān)，并不斷受到風、水的侵蝕，還必須承受土壓、共振、地震等外部影響。同時，結(jié)構(gòu)中所使用材料的性能會不斷退化，從而造成隧道各部位的各種損傷和劣化，造成一系列的危害（如隧道崩塌，路面滲漏、變形過大、沉降差、開裂、坍塌 等。）而行界熟知的例子即是這樣：香港地鐵區(qū)間隧道建于20世紀70年代，經(jīng)過20年的運行，維護人員發(fā)現(xiàn)鋼筋在內(nèi)排被腐蝕，導(dǎo)致混凝土保護層脫落，影響運行的安全和地鐵線路的使用壽命。發(fā)現(xiàn)問題后，香港地鐵投入大量資金，在不影響地鐵正常運行情況下，采用超高壓水刀，先去除內(nèi)排鋼筋及其保護層，再噴鋼；接著用玻璃纖維筋添加混凝土填充內(nèi)排鋼筋（植筋），并用聚合物混凝土加固修復(fù)。這個辦法有效地維護了整個地鐵的運行與使用，也為后來者提供了很好的借鑒。國內(nèi)地鐵區(qū)間隧道發(fā)展迅速，一些地下工程如道路和跨江隧道遇到了類似的問題，也試圖用這個辦法解決。但是這個維護方法耗資大，地鐵建設(shè)本來就投資巨大，所以后期難以維護和改造。這就要求在建設(shè)中必須重視地下結(jié)構(gòu)的耐久性，以減少后期維護的成本。

2 城市軌道盾構(gòu)隧道耐久性的影響因素分析

國內(nèi)城市軌道盾構(gòu)隧道普遍采用預(yù)制板式鋼筋混凝土管的辦法。但混凝土結(jié)構(gòu)埋藏在地下巖土下，受地下水或其它腐蝕介質(zhì)的影響，其耐久性的因素是復(fù)雜的和不確定的。主要因素包括以下幾個方面。

2.1 環(huán)境因素

它包括巖土、隧道內(nèi)外的溫濕度、地下水、CO2、特殊離子環(huán)境、腐蝕環(huán)境和雜散電流。

2.2 材料因素

它包括水泥品種、水膠比、外加劑、添加劑、螺栓的耐腐蝕性、密封墊片的耐久性、防腐涂料等。

2.3 結(jié)構(gòu)因素

它包括結(jié)構(gòu)尺寸和結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)力狀態(tài)和水平、裂縫程度、不均勻沉降、砂層液化、荷載變化、地震作用、爆炸沖擊波等。

2.4 施工因素

在管道的生產(chǎn)、運輸和安裝過程中，管件可能被損壞；特別是在管道組裝時，管片位置與盾構(gòu)掘進姿態(tài)不一致，且分布不均勻。能否有效地形成管片后面的保護環(huán)，也是節(jié)段耐久性的關(guān)鍵。眾所周知，地下工程具有投資大、隱蔽性強、工程后期修復(fù)困難等特點。一旦出現(xiàn)耐久性問題，很難發(fā)現(xiàn)并特別容易引發(fā)重大安全事故。即使找到了，它也要花很多錢去修理和加固。因此為了提高城市軌道盾構(gòu)隧道的耐久性，應(yīng)該從設(shè)計、施工和使用管理等方面考慮，尤其要針對影響耐久性的各種因素采取相應(yīng)的措施。作為工程設(shè)計人員，在設(shè)計初期應(yīng)引入耐久性的概念，加強盾構(gòu)隧道預(yù)制節(jié)段、接縫螺栓和密封墊的保護，降低運營維護成本，提高服務(wù)質(zhì)量。

3 地鐵盾構(gòu)隧道耐久性設(shè)計方法和內(nèi)容

目前，定量計算方法主要應(yīng)用于特殊工程、教學(xué)和科研，尚未達到工程應(yīng)用的廣泛水平。中國現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標準仍然是一種傳統(tǒng)的方法或改進的傳統(tǒng)方法。根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)受腐蝕的嚴重程度，將環(huán)境效應(yīng)定性為多個等級。因此混凝土材料的耐久性要求和鋼筋保護層的厚度也是必需的。同時，城市軌道交通行業(yè)標準（CJJ 49-92）應(yīng)滿足城市軌道雜散電流腐蝕防護的技術(shù)規(guī)范，并對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出相關(guān)要求。所以，地鐵隧道的耐久性設(shè)計應(yīng)包括以下內(nèi)容：結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命、環(huán)境類別和作用等級，作為進行耐久性設(shè)計的基本技術(shù)標準。更提出了混凝土原材料的質(zhì)量、配比和耐久性要求，作為施工過程中驗收的依據(jù)。也明確了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制要求，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計和后期養(yǎng)護的主要技術(shù)標準。采用結(jié)構(gòu)形式、布局和結(jié)構(gòu)等保護層的結(jié)構(gòu)尺寸和厚度，有利于減輕環(huán)境影響。針對嚴重的環(huán)境影響，采取了腐蝕防護附加措施或多種保護策略。

4 判別環(huán)境作用等級的方法

目前，國內(nèi)規(guī)范中對環(huán)境范疇的界定存在分歧。對于一般環(huán)境，判斷環(huán)境作用水平時需要考慮的環(huán)境因素主要是濕度（水）、溫度和CO2和O2的供應(yīng)。由于地鐵隧道長期埋在地下水位以下，在永久靜水浸沒環(huán)境中可以考慮與水和土壤的橫向接觸，而環(huán)境影響等級為-B。根據(jù)室內(nèi)濕度環(huán)境，水位水平通常為i-b。另一方面，目前的規(guī)范只提供干濕交替的定性標準。因此，建議在一定時期（如一年）內(nèi)連續(xù)監(jiān)測地鐵隧道的溫濕度變化情況，為判斷地鐵隧道的環(huán)境作用水平提供依據(jù)。選擇和制作盾構(gòu)隧道耐久性的關(guān)鍵是混凝土材料的制備和預(yù)制混凝土管片的生產(chǎn)?；炷恋臐B透性影響混凝土中水和腐蝕介質(zhì)的傳遞速率和聚集效應(yīng)。因此，提高混凝土的滲透性是提高混凝土耐久性的關(guān)鍵。根據(jù)目前的工程經(jīng)驗，可以適當?shù)剡M行調(diào)整保證其混凝土保護層有足夠的厚度，能有效地防止外腐蝕介質(zhì)滲入鋼表面，避免鋼材腐蝕。鋼筋的免受銹蝕將大大提高管片的耐久性。此外，防腐涂料可以涂在管子外面，以切斷或減少地下水與腐蝕介質(zhì)和管子的接觸，并減少各種化學(xué)腐蝕。在特殊條件下，可以加入鋼筋防銹劑，穩(wěn)定鋼筋表面的氧化膜鈍化膜，整個鋼被鈍化膜包裹，從而抑制鋼的被腐蝕、生銹的效果。目前，國內(nèi)城市軌道盾構(gòu)隧道提出雙層襯砌的概念，即在單層預(yù)制管襯砌內(nèi)側(cè)加一層現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。盾構(gòu)隧道采用雙層襯砌，雖然早期增加了投資，但在一定程度上提高了管子的受力，彌補了裂縫對隧道耐久性的影響，是切實有效的增強耐久性的好方法。

5 城市軌道盾構(gòu)隧道耐久性構(gòu)造措施

5.1 密封墊

對于城市軌道盾構(gòu)隧道，應(yīng)采用大量螺栓拼接預(yù)制管。接頭必須采用密封墊圈防水。因為接頭的總長度是隧道長度的20倍以上。所以，保證接頭的防水性能是必不可少的。墊圈按功能可分為三類：彈性墊圈、水膨脹橡膠墊圈和吸水膨脹橡膠復(fù)合墊圈。除了滿足防水性能外，還應(yīng)提出耐久性設(shè)計。

5.2 管片連接螺栓表面一般采用鋅基鉻酸鹽涂層進行防腐處理

為了提高裸露螺栓的耐久性和隧道的防水效果，采用微膨脹水泥堵住段孔。根據(jù)現(xiàn)有盾構(gòu)工段的現(xiàn)場檢查情況，存在分段手孔材料堵塞和脫落的情況，對作業(yè)安全有不利影響。因此，為了保證操作的安全，頂蓋孔不能堵塞，而且要對暴露的螺栓加防銹處理。

5.3 聯(lián)絡(luò)通道特殊襯砌環(huán)

目前，聯(lián)絡(luò)通道特殊襯砌環(huán)包括混凝土段（后切割）、全環(huán)鋼管板、鋼管板和混凝土節(jié)段。從耐久性的觀點來看，特殊的襯砌環(huán)應(yīng)該使用混凝土節(jié)段。當接觸通道通過凍結(jié)法加固時，有必要在節(jié)段上鉆孔以安裝冷凍管。但是，采用凍結(jié)法加固地鐵盾構(gòu)區(qū)間的連接通道可能會不可避免地會對管的結(jié)構(gòu)造成破壞，甚至破壞鋼管的鋼筋。因此，當采用凍結(jié)法加固接觸通道時，應(yīng)使用鋼板。在使用鋼管板時，應(yīng)注意以下耐久性問題。除了鋼管板的要求外，還應(yīng)考慮鋼管的腐蝕，應(yīng)適當加強鋼板的厚度。服役階段暴露的鋼板應(yīng)采取防腐措施，在鋼管內(nèi)腔內(nèi)填充混凝土，形成鋼構(gòu)件的混凝土保護層?？紤]到防腐層在施工過程中的磨損，在接觸通道的施工完成后，鋼管板應(yīng)補充防銹處理，并涂上防腐涂層，以提高鋼的耐久性。目前，中國地鐵大多采用后錨固方式與隧道結(jié)構(gòu)相連接。它需要在管子上鉆大量的孔，這個做法會削弱管的受力性能，甚至有時引起管的裂紋和鋼筋的損壞，并影響管的耐久性。因此，在設(shè)計界面協(xié)調(diào)和機電安裝階段后，應(yīng)加強錨固鉆進施工控制。

其次，電纜支座間距與管片寬度應(yīng)統(tǒng)一模數(shù)。在鉆探前應(yīng)使用鋼筋檢測儀來檢測管片的補強，錨固孔應(yīng)盡量避免主加固。如果螺栓孔與節(jié)段加強件發(fā)生沖突，螺栓孔的位置應(yīng)進行調(diào)整，并且不能破壞該段的加強。如果存在廢孔，則使用化學(xué)錨膠或高強度環(huán)氧樹脂水泥砂漿填充。為了避免后錨固孔對隧道段的不利影響，也可以運用鋼軌滑道和絕緣尼龍?zhí)坠芗夹g(shù)。該技術(shù)已經(jīng)在臺灣和日本得到了廣泛的應(yīng)用。

6 結(jié)語

綜上所述，為保證城市軌道的質(zhì)量，為確保人民的出行便利與安全，工程設(shè)計人員應(yīng)借鑒國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，吸收國內(nèi)外出現(xiàn)的新概念和新技術(shù)，結(jié)合工程實踐，采用科學(xué)合理的設(shè)計方法，以提高城市隧道的耐久性。

參考文獻

[1] 孫鈞.崇明長江隧道盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報，2008（1）：1-9.

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