基于病害檢測的管片結構服役性能評價方法

何況

（鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450000）

1 引言

盾構隧道管片在長期重荷載情況下會出現(xiàn)變形、破損及滲漏等病害，威脅軌道交通安全[1]。傳統(tǒng)的管片結構病害檢測只是進行單一項目的檢測，不能達到綜合評估隧道管片的健康狀態(tài)和服役[2-3]。本文根據(jù)相關規(guī)范，對地鐵隧道管片的綜合服役性能評價方法進行了研究。

2 管片服役性能評價依據(jù)

管片結構服役性能評價參照DG/TJ08-2123—2013《盾構法隧道結構服役性能鑒定規(guī)范》 對結構構件及連接的服役狀態(tài)等級進行評定，根據(jù)評定標準所需數(shù)據(jù)對隧道管片開展針對性檢測。

3 服役狀態(tài)等級評定標準

3.1 隧道結構層次劃分

隧道結構服役狀態(tài)等級的評定單元應劃分為結構整體、結構區(qū)段、結構構件3 個層次。隧道結構層次劃分方式可按表1 執(zhí)行。

表1 隧道結構層次劃分

3.2 隧道環(huán)境作用等級

隧道使用環(huán)境類別與作用等級的確定應按如下規(guī)定評定執(zhí)行。

1）一般環(huán)境及其環(huán)境作用等級可參考表2 評定。

表2 一般環(huán)境及其作用等級

2）氯化物環(huán)境及其環(huán)境作用等級，可參照表3 評定。

表3 氯化物環(huán)境的作用等級

3.3 隧道結構構件及連接的服役狀態(tài)等級

隧道結構構件及連接的服役狀態(tài)等級由高到低應按表4劃分。

表4 結構構件及連接的服役狀態(tài)等級分級標準

4 服役狀態(tài)等級評定方法

4.1 構件服役狀態(tài)等級評定

結構構件服役狀態(tài)等級應根據(jù)構件所處環(huán)境等級、完整狀態(tài)、密閉狀態(tài)、變形狀態(tài)和結構構件極限承載能力狀態(tài)的子項指標評定。

1）滿足表5 所有情形時，構件的服役狀態(tài)等級應評定為“a 級”。

表5 構件服役狀態(tài)“a 級”指標

2）若出現(xiàn)表6 中情形之一時，構件的服役狀態(tài)等級應“b 級”。

表6 構件服役狀態(tài)“b 級”指標

3）若出現(xiàn)表7 中情形之一時，構件的服役狀態(tài)等級應評定為“c 級”。

表7 構件服役狀態(tài)“c 級”指標

4）構件出現(xiàn)表8 情形之一，構件的服役狀態(tài)等級應評定為“d 級”。

表8 構件服役狀態(tài)“d 級”指標

5）構件出現(xiàn)下屬情形之一，構件的服役狀態(tài)等級應評定為“e 級”：（1）剝落深度超過保護層厚度，出現(xiàn)鋼筋裸露；（2）表面剝落面積超過該構件表面積的1/3；（3）構件出現(xiàn)貫穿裂縫；（4）D環(huán)境等級下構件出現(xiàn)滴漏；E 環(huán)境等級下構件出現(xiàn)水珠；（5）撓度＞L0/250，傾斜度>4‰；（6）結構構件極限承載能力狀態(tài)的安全性控制指標[α]≤0.85，[α]的計算方法參照DG/TJ08-2123—2013《盾構法隧道結構服役性能鑒定規(guī)范》附錄F。

4.2 結構連接服役狀態(tài)等級評定

結構連接服役狀態(tài)等級應根據(jù)密封件完整性、連接的滲漏水程度、接縫張開量和錯臺量、襯砌管片間連接螺栓損傷程度、預埋件損傷和鋼構損傷的子項指標評定。

1）結構連接符合下列情形之一的，結構連接的服役狀態(tài)等級應評定為“a 級”：（1）結構連接的密封件完整；（2）接縫張開量δ≤允許值[δ]=6 mm；（3）錯臺量Δ≤允許值[Δ]=20 mm。

2）結構連接符合下列情形之一的，結構連接的服役狀態(tài)等應評定為“b 級”：（1）結構連接出現(xiàn)滲水；（2）接縫張開量[δ]＜δ≤2[δ]=12 mm；（3）錯臺量[Δ]＜Δ≤1.5[Δ]=30 mm。

3）結構連接符合下列情形之一的，結構連接的服役狀態(tài)等級應評定為“c 級”：（1）結構連接出現(xiàn)水珠、滴漏；（2）接縫張開量2[δ]＜δ≤3[δ]=18 mm；（3）錯臺 量1.5[Δ]＜Δ≤2[Δ]=40 mm。

4）結構連接符合下列情形之一的，結構連接的服役狀態(tài)等級應評定為“d”級：（1）結構連接出現(xiàn)線漏；（2）接縫張開量δ＞3[δ]=18 mm；（3）錯臺量Δ＞2[Δ]=40 mm。

5）結構域連接出現(xiàn)下列情形之一的，結構連接的服務狀態(tài)等級應評定為“e 級”：（1）連接件承載能力極限狀態(tài)驗算的安全性指標[α]≤0.85；（2）結構縫出現(xiàn)漏泥沙；（3）盾構隧道的襯砌管片間的連接螺栓有拉脫、剪斷、較大滑移或嚴重損壞；（4）混凝土構件端節(jié)點連接松動，且伴有明顯的變形裂縫；（5）預埋件的錨板有明顯變形或錨板、錨筋與混凝土之間有明顯滑移、拔脫現(xiàn)象；（6）鋼構件連接構造有嚴重缺陷；（7）鋼構件連接件有裂縫或銳角切口；（8）鋼構件的焊縫、螺栓或鉚接有拉脫、滑移、松動、剪壞等嚴重損壞。

4.3 檢測項目與關鍵點

對隧道管片進行現(xiàn)場檢測的主要檢測項目及關鍵點見表9。

表9 檢測項目列表

5 案例工程管片檢測結果

通過對區(qū)間隧道81 環(huán)管片進行全面病害調(diào)查，共獲取如下病害信息。

5.1 裂縫

對隧道上行線1 100 環(huán)～1 180 環(huán)管片經(jīng)巡查，共發(fā)現(xiàn)裂縫64 條，主要分布在拱頂。其中，57 條裂縫寬度均小于0.3 mm，屬于微裂縫，微裂縫對管片功能不存在影響，在管片構件服役狀態(tài)判定中可認定為不可見裂縫；裂縫寬度位于0.3～3 mm 范圍內(nèi)的裂縫有7 條，其中1 113 環(huán)裂縫寬度2.89 mm，屬于微張開裂縫，對于管片防水性能存在潛在影響，應及時處理。

5.2 滲漏水

隧道滲漏水點共發(fā)現(xiàn)26 處，重點分布在1 110 環(huán)～1 140環(huán)管片范圍內(nèi)。19 處滲漏點經(jīng)過修復后未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，剩余7處滲漏點處于浸潤狀態(tài)，待進行處理。

5.3 破損

通過巡查共計發(fā)現(xiàn)破損33 處，破損位置主要集中于11：00～1：00 方向（拱頂）范圍內(nèi)，且主要出現(xiàn)在縱向螺栓附近，說明部分管片環(huán)與環(huán)之間發(fā)生相對并行而造成混凝土拉裂掉塊，而每環(huán)管片塊與塊之間未發(fā)生明顯相對變形。各處破損的尺寸較小、深度較淺，并已得到有效治理，對管片結構安全不存在影響。

5.4 錯臺

由于施工過程中盾構姿態(tài)調(diào)整原因，導致隧道1 100 環(huán)～1 180 環(huán)管片見普遍存在縱縫錯臺現(xiàn)象，見圖1。經(jīng)巡查、檢測共發(fā)現(xiàn)：錯臺量≤20 mm 有55 處，錯臺量20～30 mm 范圍內(nèi)有18 處，錯臺量30～40 mm 有7 處。拱頂處錯臺與拱底處錯臺同步出現(xiàn)，且量值相近、正負相反，該現(xiàn)象說明隧道管片間發(fā)生了普遍的整體相對錯動，但每環(huán)管片形態(tài)未出現(xiàn)明顯變形。

圖1 隧道錯臺量統(tǒng)計圖

5.5 變形

通過對圖2 可知：隧道上行線共有81環(huán)水平最大寬度值超過5 490 mm；5 490～5 500 mm 共16 環(huán)，5 500～5 510 mm 共38 環(huán)，5 510～5 520 mm 共27 環(huán)。管片收斂變形較小，最大變形量不足4‰D（D 為管片直徑），處于允許變形范圍（通常允許值為3‰～5‰D，依據(jù)DG/TJ08-2123—2013《盾構法隧道結構服役性能鑒定規(guī)范》），對管片功能無影響。

圖2 管片水平最大寬度值

5.6 管片強度

對隧道上行線以1 120 環(huán)～1 160 環(huán)每2 環(huán)檢測1 環(huán)、1 100 環(huán)～1 120 環(huán)與1 160 環(huán)～1 180 環(huán)每4 環(huán)檢測1 環(huán)的基本原則共計進行了31 環(huán)管片的強度檢測。檢測表明：上線31 環(huán)管片混凝土強度推定值均高于50 MPa，強度值介于54.4～61.5 MPa，檢測強度均高于管片混凝土設計強度。

6 案例工程管片服役性能評價結果

6.1 構件服役狀態(tài)等級評定結果

綜合上述管片裂縫和破損情況，隧道1 100 環(huán)～1 180 環(huán)區(qū)段管片構件服役狀態(tài)等級評定為“b 級”，但應重點對存在微張開裂縫的7 環(huán)管片（1 108 環(huán)、1 113 環(huán)、1 126 環(huán)、1 134 環(huán)、1 136 環(huán)、1 147 環(huán)、1 155 環(huán)）進行防滲、局部加固處理。

6.2 結構連接服役狀態(tài)等級評定結果

綜合上述管片錯臺、滲漏及變形情況，隧道1 100 環(huán)～1 180 環(huán)區(qū)段管片結構連接服役狀態(tài)等級評定為 “b 級”，但應重點對存在滲漏情況的7 處管片接縫（1 124 環(huán)、1 125 環(huán)、1 126環(huán)、1 129 環(huán)、1 136 環(huán)、1 177 環(huán)、1 141 環(huán)）進行防滲處理。

6.3 安全評估結論

結合管片構件服役狀態(tài)和管片結構連接服役狀態(tài)等級評定評定結果，黃河路站—龍虎塘站區(qū)間上行線1 100 環(huán)～1 180 環(huán)管片服役狀態(tài)綜合評定為“b”級。

判定結果認為：

1）該區(qū)段部分管片存在性能退化現(xiàn)象，但不影響正常功能，當前病害情況未對管片結構安全性帶來影響；

2）施工單位尚須對存在微張開裂縫和處于浸潤狀態(tài)的滲漏點采取相應的防滲、局部加固措施；

3）施工單位尚應對該區(qū)段管片滲漏與開裂情況再次進行詳細排查，并進行及時處理。

7 結論

本文借鑒上海市地方標準對某地鐵盾構區(qū)間產(chǎn)生病害區(qū)段的管片結構服役性能開展了評定工作，并根據(jù)評價結果對病害區(qū)段進行了整治，通過工程實踐驗證，認為本文闡述的評價方法切實可行。

管片結構性能評價標準目前在僅在上海地區(qū)有地方標準，國內(nèi)其他城市或行業(yè)內(nèi)還未有統(tǒng)一的規(guī)范，盾構管片結構性能評價技術在軌道交通行業(yè)尚鮮有應用。隨著城市軌道交通線路運營年限增長，對管片結構性能的評價工作的需求將越來越迫切，針對不同地區(qū)管片結構性能評價標準的制定將是未來重要的研究方向。