成型隧道發(fā)生病害分析及治理措施

孔垂磊

(中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司， 北京 100000)

0 引言

近年來，隨著城市化進(jìn)程的速度加快，地下工程建設(shè)也在突飛猛進(jìn)，致使地下結(jié)構(gòu)事故時有發(fā)生。因?qū)σ淹旯さ牡叵陆Y(jié)構(gòu)保護(hù)經(jīng)驗不足，后期引發(fā)病害，對隧道結(jié)構(gòu)安全造成了一定的影響。

本文結(jié)合某臨海鐵路隧道，區(qū)間隧道完成后，隧道局部發(fā)生升降變形，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生受損情況。事故發(fā)生后，通過對隧道周邊場地的施工情況調(diào)查、隧道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及水位變化誘發(fā)隧道管片沉降，探討誘發(fā)隧道病害的主要原因。采取相應(yīng)的加固措施后，整治后對隧道的安全性進(jìn)行了研究，可滿足安全使用要求。

1 工程簡介

某鐵路隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)段為雙洞單線布置，隧道管片內(nèi)徑7.7m，外徑8.5m，管片厚40cm。雙洞間按不大于500 米設(shè)置一處橫通道。

橫通道采用礦山法開挖，開挖尺寸：寬4.3m，高4.93m，長度約8.5m。

圖1 橫通道斷面形式

區(qū)間左、右線均已施工完成，橫通道采用礦山法施工，在施工過程中出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，使周邊水文地質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致隧道區(qū)間左、右線管片受力沉降變形。

2 隧道內(nèi)出現(xiàn)主要病害

管片破損主要發(fā)生在橫通道左、右線成型隧道兩側(cè)。存在缺陷：管片縱橫向錯臺、滲漏水，管片破損、裂縫及環(huán)向及縱向連接螺栓不密貼現(xiàn)象。

2.1 管片錯臺

橫通道附近，錯臺位置分別有4 處和9 處，最大錯臺量分別為10cm 和12cm，部分存在滲漏水。

2.2 管片裂縫

橫通道附近，最大縱向裂縫分別為0.4mm 和0.3mm,存在其他環(huán)向及局部裂縫。

2.3 管片背后空洞

通過地質(zhì)雷達(dá)檢測分析管片后空洞情況，部分位置不同程度的檢測到空洞、土層擾動、土層不密實、土層含水等情況。

2.4 局部管片橢圓度超限

對橫通道附近左線、右線相關(guān)管片進(jìn)行了橢圓度測量，部分管環(huán)橢圓度超過規(guī)范要求的±6‰。

3 主要病害的現(xiàn)狀分析

根據(jù)現(xiàn)場實測斷面的內(nèi)輪廓變形情況，對照現(xiàn)場施工記錄和裂縫開展位置，反演分析橫通道上方注漿作用范圍和壓力，進(jìn)而分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，推算管片外側(cè)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并為管片是否需要進(jìn)行加固提供基礎(chǔ)資料。

圖2 實測內(nèi)輪廓與設(shè)計內(nèi)輪廓對比圖

3.1 裂縫寬度

建立盾構(gòu)隧道梁彈簧模型分析，推算注漿荷載位置，注漿壓力取0.2～1.4MPa，采用三角形分布。根據(jù)現(xiàn)場實測，管片內(nèi)側(cè)裂縫為0.4 mm，疊加正常工況外荷載后，分析管片受力狀態(tài)和管片背后裂縫寬度。

圖3 注漿荷載位置

圖4 梁彈簧模型

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管片上注漿壓力暫定為0.4MPa 時，管片內(nèi)側(cè)裂縫0.407mm，可推斷該工況為管片現(xiàn)階段狀態(tài)該工況下，管片外側(cè)未出現(xiàn)裂縫，最不利位置結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為3.07。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)工況

圖6 附加0.2MPa 注漿壓力工況

圖7 附加0.4MPa 注漿壓力工況

在0.4MPa 注漿荷載工況，隧道裂縫寬度與變形形態(tài)與實測數(shù)據(jù)基本相符，可作為現(xiàn)階段狀態(tài)分析依據(jù)，該狀態(tài)管片內(nèi)側(cè)不利截面裂縫寬度0.407mm，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.58，不滿足規(guī)范要求，管片外側(cè)未出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)為3.07，滿足規(guī)范要求。主要考慮對管片內(nèi)側(cè)進(jìn)行病害處理。

3.2 隧道橢圓度

經(jīng)過計算分析，并類比相關(guān)工程，得出橢圓度＜25‰或單向變形率＜ 12.7‰時隧道結(jié)構(gòu)整體變形處于彈性變形階段，超過以上變形時，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性變形。

1、橢圓度＞20‰或單向變形率＞12‰：接近塑性變形，擬對隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固。

2、橢圓度=12‰～20‰或單向變形率=9‰～12‰，且無明顯縱向裂縫、其他較嚴(yán)重破損時：處于彈性受力階段，考慮管片拼裝質(zhì)量的影響，采取弱加固。

3、橢圓度=6‰～12‰，盾構(gòu)管片環(huán)整體性較完整。該病害地段洞身基本位于全～中風(fēng)化混合花崗巖地層，未受外界擾動情況下的隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定?？刹患庸獭?/p>

3.3 管片錯臺、接縫張開

一般情況下，錯臺與接縫張開過大的地段均有滲漏水，需對環(huán)、縱縫進(jìn)行堵水處理。

管片錯臺大將影響管片之間的連接，大范圍管片錯臺將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體剛度下降，需進(jìn)行加固處理。

4 應(yīng)急搶險處理措施

4.1 受損隧道臨時加固措施

采取管片背后注改性聚氨酯的段落，必須施作臨時內(nèi)支撐。主要采取的措施，每環(huán)管片設(shè)置2 榀鋼架，工22a，鋼架中心距為0.6m，距離管片邊0.5m。管片背后注漿前鑿除仰拱填充，環(huán)形鋼架封閉成環(huán)，確保注漿時結(jié)構(gòu)安全。

圖8 管片臨時加固大樣圖

4.2 管片背后注漿措施

隧道管片缺陷部位考慮管片壁后可能出現(xiàn)空洞，根據(jù)檢測報告對壁后空洞的環(huán)管片進(jìn)行改性聚氨酯注漿。一方面作為管片壁后填充。另一方面可有效的對滲漏水部位進(jìn)行止水。在管片缺陷治理各項措施實施前先進(jìn)行壁后注漿。

4.3 管片清理及環(huán)、縱縫注漿處理

主要加固措施：

①管片環(huán)、縱縫內(nèi)側(cè)嵌縫補(bǔ)強(qiáng)。

②沿縫斜向鉆注漿孔。

③注彈性環(huán)氧漿液。

④注漿壓力≤0.2MPa。

4.4 鋼板環(huán)加固設(shè)計

1、主要加固措施：

①采用Q345 鋼板，每環(huán)分6 塊，居中設(shè)置，厚度0.3cm、環(huán)寬1.3mm；管片與鋼板環(huán)間灌注剛性環(huán)氧漿液；

②縱向連接鋼板厚度1cm，采用貼焊連接。

2、適用范圍：

①橢圓度≥20‰，或豎向變形率≥12‰；

②裂縫≥0.2mm。

圖9 鋼板環(huán)加固圖

4.5 芳綸纖維布+環(huán)氧樹脂涂料

1、主要加固措施：

①沿環(huán)縫設(shè)置直徑20mm 半圓形PVC 管引排水；

②粘貼芳綸纖維布+涂布3mm 厚環(huán)氧樹脂涂料；

③芳綸纖維布騎縫設(shè)置，縫兩側(cè)各0.5m。

2、適用范圍：

①橢圓度12‰～20‰，或豎向變形率9‰～12‰；

②環(huán)間局部錯臺≥15mm，單處＞2m，拱墻設(shè)置芳綸纖維布；

③環(huán)間局部錯臺≥15mm，單處≤2m。拱墻∑L＞5m，拱墻設(shè)置芳綸纖維布。拱墻∑L≤5m，局部設(shè)置芳綸纖維布。

圖10 芳綸纖維布加固圖

5 運營期隧道縱向結(jié)構(gòu)安全性分析

運營期隧道縱向結(jié)構(gòu)分析采用彈性地基梁模型，將隧道簡化為梁單元，梁截面采用隧道斷面形式，梁單元縱向長度取為400m，隧道運營期荷載包括隧道上部水土荷載、列車荷載、隧道結(jié)構(gòu)自重。

圖11 縱向計算模型

圖12 縱向彎矩圖

圖13 剪力圖

圖14 變形圖

由盾構(gòu)隧道縱向計算結(jié)果可知，隧道縱向彎矩最大為122kN·m，最大剪力為368kN，列車運營產(chǎn)生隧道縱向受力較小，隧道結(jié)構(gòu)縱向抗彎抗剪滿足要求。列車運營產(chǎn)生隧道最大豎向沉降差為0.2mm，滿足要求。

6 結(jié)論

6.1 針對隧道病害事故取得的主要教訓(xùn)

（1）左線隧道掘進(jìn)期間，地面是淤泥處理場，采用攪拌樁加固進(jìn)行軟基處理，土層受到擾動，上下水力聯(lián)系貫通，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中不宜保持土壓力，盾構(gòu)姿態(tài)控制受到一定的影響，致使管片拼裝出現(xiàn)錯臺；

（2）橫通道采用旋噴樁加固，在加固完成后，橫通道沒有及時施工，因施工區(qū)域臨近海邊，地下水腐蝕性較強(qiáng)，又受潮汐影響，加固體效果受到一定影響。

（3）由于海邊、潮汐、礪巖對加固效果認(rèn)識不足，旋噴樁加固效果不理想。

（4）對強(qiáng)風(fēng)化巖在遇水后易發(fā)生崩解泥化的認(rèn)識欠缺。

6.2 針對隧道病害事故取得的主要經(jīng)驗

（1）隧道病害出現(xiàn)后，立即針對隧道位移、橫向、縱向收斂等開展相關(guān)監(jiān)測工作，及時掌握隧道位移及斷面收斂的發(fā)展趨勢。

（2）立即采取安全應(yīng)急措施，如隧道內(nèi)架設(shè)臨時鋼支撐加固、部分管片環(huán)底進(jìn)行注漿加固等，控制隧道病害的繼續(xù)發(fā)展。

（3）針對盾構(gòu)隧道病害的主要原因進(jìn)行分析和論證，評估了地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全現(xiàn)狀，為今后的隧道病害治理提供依據(jù)。