運營期地鐵結(jié)構(gòu)的修復與加固

王海，李軍，唐玉平

（南寧軌道交通集團有限責任公司，南寧 530000）

1 引言

對既有地鐵結(jié)構(gòu)的修復與加固是一項較為復雜的工作，必須充分掌握地鐵結(jié)構(gòu)的設(shè)計、地質(zhì)狀況和前期施工等情況，并對結(jié)構(gòu)受損部位進行全面的調(diào)查和必要檢測，才能制訂出合理、經(jīng)濟的修復加固方案。運營期間，受地鐵結(jié)構(gòu)特定工作環(huán)境的影響，無論是作業(yè)空間還是作業(yè)時間都受到了較大的限制，從專業(yè)技術(shù)層面來說，無論是運營期地鐵結(jié)構(gòu)的修復加固技術(shù)，還是現(xiàn)場施工組織，都比普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)修復加固技術(shù)的要求更高。

2 地鐵線路結(jié)構(gòu)修復與加固流程

通常來說，既有地鐵線路結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土修復與加固工作流程一般分為以下幾個步驟：前期評估鑒定→修復加固技術(shù)方案確定→設(shè)計圖紙→修復加固施工→工程驗收及資料存檔。

前期評估鑒定的主要內(nèi)容包括：建設(shè)期各類土建施工和水文地質(zhì)資料收集整理，運營期結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)成果匯總分析，有條件的開展實驗室建模分析試驗、核算地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施抗力和應力情況。最后，將以上所有數(shù)據(jù)進行匯總整理和分析，通過行業(yè)內(nèi)有資質(zhì)的機構(gòu)或技術(shù)專家進行專項檢測及評估，給出專業(yè)的病害整治處理意見，更好地指導后續(xù)工作開展。其中，收集資料和實測調(diào)查是修復與加固前期工作中最重要的一項工作，是科學、客觀地評價結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的主要依據(jù)。

修復加固技術(shù)方案確定：修復與加固方案的確定應綜合考慮各方因素，因為其將對工程質(zhì)量和工程費用產(chǎn)生直接影響。所以，在進行修復與加固方案的選擇時，要綜合考慮設(shè)計、施工、技術(shù)專家及地鐵公司內(nèi)部各專業(yè)、各部門的專業(yè)指導意見，在前期已有評估鑒定結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用施工方便，修復加固方案合理，經(jīng)濟費用相對較少，對地鐵客運服務(wù)影響最低，滿足地鐵運營管理要求的方案[1]。

修復與加固的圖紙設(shè)計：圖紙設(shè)計是在修復加固方案確定下來后，通過專業(yè)設(shè)計院選擇擬用加固材料，按照原結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求進行建模驗算，重點處理好各結(jié)構(gòu)節(jié)點等關(guān)鍵部位的構(gòu)造設(shè)計，繪制出最終的結(jié)構(gòu)修復與加固施工圖。圖紙設(shè)計是整個修復加固工作程序中的核心環(huán)節(jié)，設(shè)計要充分考慮地鐵運營期間各類不利影響因素，盡可能詳細地表達設(shè)計意圖，更準確地指導施工。

修復與加固施工：修復與加固施工與新建工程最大的區(qū)別在于施工空間和作業(yè)時間都受到了地鐵運營環(huán)境的限制，通常都是在地鐵運營結(jié)束后，只有短短3～4 h 的作業(yè)時間，而且不能連續(xù)施工作業(yè)。同時，無論是地鐵車站還是區(qū)間盾構(gòu)隧道，各專業(yè)設(shè)備設(shè)施和管線眾多，對現(xiàn)場施工作業(yè)提出了許多要求，因此，修復加固施工是一項對專業(yè)技術(shù)條件要求很高的工作。

工程驗收及資料存檔：在修復加固工程竣工后，應組織相關(guān)單位和專業(yè)技術(shù)人員參與工程驗收，其目的是確保修復加固結(jié)果的有效性，同時，地鐵運營部門應將整個修復加固的所有技術(shù)資料進行存檔，為今后結(jié)構(gòu)設(shè)施的養(yǎng)護提供技術(shù)依據(jù)。

3 地鐵線路結(jié)構(gòu)設(shè)施修復方法

目前，國內(nèi)地鐵運營單位對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的各類破損修復通常采用以下5 種方式：

1）增大截面法。俗稱外包混凝土結(jié)構(gòu)加固法，是采用同規(guī)格等級的鋼筋混凝土包裹原地鐵結(jié)構(gòu)破損處鋼筋混凝土，從而增大原地鐵結(jié)構(gòu)抗矩和抗彎剛度，起到對結(jié)構(gòu)設(shè)施進行加固補強的作用，提高原地鐵結(jié)構(gòu)的承載力、剛度和強度。該技術(shù)較多地應用于地鐵車站及出入場線的修復加固。

2）置換混凝土加固法。其主要用于加固處理各種結(jié)構(gòu)的局部破損，具有不改變原來使用空間，且修復加固后能恢復原貌的優(yōu)點，能夠最大限度地滿足地鐵運營限界要求。置換混凝土加固法最大的缺點是，如果遇到較大面積的局部破損，原結(jié)構(gòu)舊混凝土鑿除工作量很大，而且會對原結(jié)構(gòu)鋼筋造成損傷，整個作業(yè)周期較長，對地鐵運營影響較大。該技術(shù)主要應用于地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施和房建設(shè)施的框架結(jié)構(gòu)修復加固。

3）粘貼復合材料加固法。復合材料大多數(shù)指的是纖維復合材料，主要是由纖維等增強材料和環(huán)氧樹脂等材料組合而成。這種材料一般都是按照材料說明按需進行，其不僅能夠保持原結(jié)構(gòu)設(shè)施材料的特點和性能，又能發(fā)揮材料組合后的特性，所以，修復和加固后的使用性能更為合理。該技術(shù)廣泛應用于地鐵盾構(gòu)隧道的大面積裂紋病害治理。業(yè)界使用最多的是張貼芳綸布工藝。

4）鋼環(huán)加固法。鋼環(huán)加固法多應用于常規(guī)修復與加固技術(shù)已經(jīng)無法處理，結(jié)構(gòu)體本身變形無法有效控制，可能會直接影響行車安全。鋼環(huán)加固法是在原結(jié)構(gòu)體加內(nèi)襯鋼環(huán)，用高強無機黏結(jié)材料和膠栓進行可靠連接，從而起到整體受力的作用。該工藝在對原結(jié)構(gòu)體達到約束作用的同時，能提高原結(jié)構(gòu)的承載力。該技術(shù)通常應用于盾構(gòu)隧道的加固處理，也是近幾年國內(nèi)地鐵行業(yè)普遍認可和使用的加固技術(shù)。

5）隧道微擾動注漿加固與糾偏調(diào)整控制。微擾動注漿加固一般是在外部活動的擾動影響下，地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施整體的變形和位移量達到一定的預警值后，綜合各方因素后通過專業(yè)評估，結(jié)構(gòu)設(shè)施仍有進一步變形發(fā)展趨勢，為避免地鐵結(jié)構(gòu)過大并且產(chǎn)生了不均勻沉降，對地鐵運營安全造成直接破壞影響，針對類似結(jié)構(gòu)變形，應采取相應的提前干預措施，即用隧道內(nèi)微擾動注漿加固和隧道外注漿糾偏調(diào)整控制的方法，對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施進行修復加固。

4 外部工程建設(shè)項目施工對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的擾動、破壞及處理措施

近幾年，通過對國內(nèi)各家地鐵運營單位的結(jié)構(gòu)修復加固案例進行分析，發(fā)現(xiàn)外部各類工程建設(shè)項目施工對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的擾動和破壞經(jīng)常發(fā)生，主要表現(xiàn)為地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施本身直接被擊穿破壞，以及地鐵車站或區(qū)間隧道受外部施工作業(yè)影響，引起地鐵結(jié)構(gòu)周圍應力的變化，使結(jié)構(gòu)設(shè)施產(chǎn)生變形或位移。

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施局部直接破損一般是地鐵結(jié)構(gòu)在外部施工機械直接破壞下造成的設(shè)施破損，通常是由地鐵結(jié)構(gòu)上方鉆孔施工作業(yè)引起的，例如，樁基施工鉆孔作業(yè)直接鉆穿地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施，侵入地鐵安全運營限界，直接或間接地造成地鐵停運等重大影響，一般發(fā)生在地鐵區(qū)間隧道較多。類似的外部施工引起的地鐵結(jié)構(gòu)破損，通常只是一定程度的、可控的、局部的直接破壞，未對整個車站或地鐵隧道造成功能性的影響和破壞，可按照置換混凝土加固法進行常規(guī)修復，主要是在同一部位進行同等強度置換或高一級補強修復即可。一般步驟是：切割侵入地鐵限界異物→安裝注漿管→隧道內(nèi)注漿封堵→地面注漿加固→監(jiān)測。

如某市地鐵隧道盾構(gòu)管片被地面市政道路勘察鉆機鋼鉆頭鉆穿，侵入地鐵運營限界（見圖1），造成區(qū)間列車停運，帶來較大的社會影響。在確保搶險人員安全的情況下，按照先通后復、優(yōu)先確保地鐵運營的處理原則，首先迅速切除侵限的勘探鉆頭，再利用木楔對隧道管片被擊穿的孔洞進行臨時封堵，確保孔洞不再滲漏水，保障停運區(qū)段盡快開通，將社會輿論風險降至最低，利用晚上停運間隙在隧道內(nèi)對結(jié)構(gòu)體進行注漿封堵，另從地面對隧道鉆穿周圍進行土體加固處理，通過結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示地鐵隧道狀態(tài)穩(wěn)定。

圖1 隧道管片擊穿部位

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施大面積結(jié)構(gòu)受損，通常是指在受到外部施工影響或外力直接作用下，對地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施造成大面積功能性的破壞，后果通常有以下兩種表現(xiàn)形式：

1）地鐵結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生大面積裂紋，如圖2 所示，通常沒有結(jié)構(gòu)滲漏水和混凝土掉塊等病害現(xiàn)象，從結(jié)構(gòu)設(shè)施現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)和外觀質(zhì)量檢查，可以判斷結(jié)構(gòu)設(shè)施處于安全可控狀態(tài)，并且沒有持續(xù)發(fā)展趨勢，可采用粘貼復合材料加固法，即張貼芳綸布進行修復，后期需做好該修復部位的專項監(jiān)測和定期檢查工作。

圖2 地鐵結(jié)構(gòu)表面大面積裂紋

2）直接造成地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施功能缺失而無法正常使用，整個結(jié)構(gòu)層都已無法通過常規(guī)修補來達到原設(shè)計使用要求，需要對受損部位進行重新修復加固處理，這種情況下一般采用增大截面法和置換混凝土加固法，如果現(xiàn)場作業(yè)條件允許，應盡可能地使用增大截面法進行修復加固。常規(guī)步驟是：檢測結(jié)構(gòu)受損范圍→破除原混凝土結(jié)構(gòu)→結(jié)構(gòu)鋼筋補強→防水細部構(gòu)造施工→混凝土澆筑→二次注漿→二次防水保護層施工→回填→監(jiān)測。

除了以上一些常規(guī)外力作用直接破壞地鐵結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象外，運營期地鐵結(jié)構(gòu)受損的因素還有相鄰工程施工對既有地鐵結(jié)構(gòu)的擾動影響，如常見相鄰深大基坑開挖卸荷、抽降地下水、地鐵設(shè)施上方卸載或壓載，以及地鐵新線建設(shè)下穿既有線施工和新建市政基礎(chǔ)設(shè)施工程上跨等。這種擾動通常使地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的變形，如結(jié)構(gòu)整體上浮、下沉或位移等，如果隧道結(jié)構(gòu)變形量累計達到一定報警值，結(jié)構(gòu)設(shè)施表面會伴有規(guī)則的貫穿式裂紋、滲漏水、混凝土掉塊等現(xiàn)象，嚴重時還會引起道床翻漿冒泥等病害，通常采用微擾動雙液注漿進行結(jié)構(gòu)修復加固。

隧道內(nèi)微擾動雙液注漿加固治理主要以托底和控差為思路，以調(diào)整隧道縱向線型為主，通過對隧道底部注漿形成強度和剛度大于原狀土的加固體。但是，由于隧道縱向是環(huán)環(huán)相接的柔性結(jié)構(gòu)，要謹慎選擇注漿孔的位置，充分考慮環(huán)內(nèi)注漿引起的附加應力和變形低于隧道管片結(jié)構(gòu)的承載能力問題。注漿過程中，嚴格按照隧道沉降監(jiān)測曲線進行分區(qū)、分階段注漿治理，實施均勻、多點、少量、多次的注漿原則，隧道在注漿抬升和注漿間隔時間內(nèi)固結(jié)沉降的交替作用下漸趨穩(wěn)定，最終達到預期調(diào)整線型和穩(wěn)定沉降的目的。

上部卸載、壓載和注漿是遏制隧道進一步變形的兩種常用手段，在具體實施過程中要綜合考慮引起隧道變形的成因，選擇有針對性的措施才能保證結(jié)構(gòu)加固效果。諸如注漿位置的選擇、高度的確定、施工順序、注漿時機的把握、施工參數(shù)與工藝要求和信息化施工等都是保證注漿效果的重要組成部分，在糾偏過程中需要精細化施工作業(yè)，要運用有針對性的監(jiān)測手段進行監(jiān)測，通過對隧道進行全斷面收斂和位移測量，有針對性地指導現(xiàn)場施工作業(yè)，在嚴密監(jiān)控條件下對受損結(jié)構(gòu)進行加固和糾偏應慎之又慎，如有不慎可能造成嚴重后果。通過在隧道外側(cè)進行科學合理的注漿加固，可以提高地鐵隧道的側(cè)向抗力，對控制隧道結(jié)構(gòu)變形及有效遏制隧道發(fā)生惡性事件有明顯效果。

5 結(jié)語

地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施一般深埋地下，其結(jié)構(gòu)的安全性能具有很大隱蔽性，要完全了解地鐵結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)受到許多因素的影響和制約。針對運營期地鐵結(jié)構(gòu)病害的修復與加固處理，通過借鑒其他城市地鐵的治理經(jīng)驗，并結(jié)合自身現(xiàn)場治理效果來看，本文所述技術(shù)方案能及時、有效地對病害進行根治處理，確保了地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施的安全狀態(tài)，為地鐵的安全運營提供保障。