某地鐵盾構隧道破損機理分析及加固設計

石太偉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

盾構法相較礦山法、明挖法更能保證工程的安全、質量及進度，因而得到廣泛應用。目前，盾構工法已在城市地鐵隧道建造中確立了主導地位。盾構隧道質量總體較好，但尚存在開裂、破損、錯臺、氣泡等問題，其中開裂對質量影響最大，并最終影響隧道使用壽命［1］。盾構隧道施工及運營使用過程中，管片損壞的現象在國內外時有所聞。1998年廣州地鐵1號線長壽路站南段盾構隧道產生不均勻移位，最大達2 cm，其中左線管片發生軸向通透性開裂［2］。2009年深圳地鐵一期工程7標段華-崗區間盾構隧道在掘進過程中出現管片外弧面破裂、管片邊角崩裂、管片環向螺栓孔處混凝土崩裂及管片吊裝孔處混凝土破裂等問題［3］。2009年1月上海市軌道交通11號線安亭支線段盾構隧道出現嚴重破損，京滬高速鐵路PC樁施工擊穿 11號線隧道區間管片，致使隧道損壞［4］。2011年7月，杭州地鐵1號線湖濱站—龍翔橋站區間左線隧道管片被西湖大道綜合整理項目地質勘查鉆孔打穿［5］。盾構隧道管片產生破損的原因很多，根據管片的工作階段可以分為3類:一類為管片生產過程中由于溫度變化、混凝土配比以及施工工藝的影響;二是隧道施工過程中由于千斤頂推力過大、頂進過程中產生偏心距、隧道推進過程中產生扭轉、隧道姿態控制不良，以及管片制作精度不夠引起管片不平整等原因;三是隧道建成后由于外界環境影響產生不均勻沉降或者由于管片荷載變化引起管片內力增加而產生裂縫［6］。上述3種情況既有單獨出現，也有幾種原因共同作用，持續存在而引發隧道管片開裂［7］。為滿足地鐵后期運營需要，研究可靠的盾構隧道管片加固措施成為隧道工程實踐中的重要課題。結合某地鐵盾構隧道管片加固的實際工程應用，分析盾構隧道破損機理，研究盾構隧道加固設計。

1 工程概述

某地鐵區間盾構隧道外徑6.2 m，內徑5.5 m，管片厚度0.35 m，幅寬1.2 m。設計采用“1+2+3”的管片分塊設計，并按“A-B-C”模式進行錯縫拼裝。管片采用性能等級為5.8級或6.8級的M30螺栓進行連接，每縱縫布置2個螺栓，共12個環向螺栓，環縫縱向螺栓16個。該地鐵區間盾構隧道的工程地質資料為:可塑粉質黏土、可塑黏土、軟塑淤泥質土。隧道結構下方主要為軟塑淤泥質土和深厚的可塑黏土。在該區間盾構隧道貫通后，周邊一商務中心深基坑工程正在施工。該商業項目基坑總占地26 105 m2，總建筑面積130 529 m2。基坑支護結構外邊線與地鐵區間隧道的最小水平距離約 31.9 m，基坑擬開挖深度為18.7 m。近地鐵隧道側的基坑支護結構主要為灌注樁+5道預應力錨索。該基坑正施設第3根預應力錨索，施工過程中基坑北側發生了邊坡塌方，在靠近地鐵隧道的基坑外側也出現了路面開裂等現象。2012年7月在該區間盾構隧道日常巡查中，發現長達60 m范圍內出現管片破損、開裂、滲漏水、邊溝開裂及橢圓度偏大等病害。盾構隧道與臨近商業項目基坑剖面如圖1所示。

2 盾構隧道管片破損原因分析

2.1 盾構隧道與臨近商業項目基坑影響性分析

導致盾構隧道管片破損的原因很多，如何界定盾構隧道管片破損原因，在業界一般采用實測實量、數值仿真模擬及類似工程經驗綜合確定。鑒于該地鐵區間盾構隧道已發生管片局部破損、管片開裂和隧道變形偏大等病害，為探討誘發地鐵隧道產生病害的影響因素，需對隧道及臨近基坑結構進行數值仿真計算分析。

圖1 盾構隧道與臨近商業項目基坑剖面(單位:mm)

采用有限元軟件對基坑開挖與臨近隧道影響性進行分析。建模時，考慮邊界效應影響，基坑側取至2倍基坑開挖深度，隧道側取至3倍洞徑，上部取實際地表并對其進行合理簡化。模型邊界采用固定支座約束，其中兩側約束水平方向，底部約束豎向，上部為自由表面。土體采用摩爾庫倫模型，根據實際情況選用地質參數［8］。

圖2 基坑開挖最不利工況下隧道周圍土體水平位移云圖

圖2為基坑開挖最不利工況下隧道周圍水平位移云圖。從圖2可知，在基坑開挖及錨索施設條件下，隧道周圍土體產生較大水平位移，隧道周圍土體水平位移最大為2 cm。

2.2 盾構隧道受損段管片內力分析(圖3～圖6)

從數值計算分析模型可知，在錨索失效工況下，隧道周圍土體(兩翼)出現松動區，隧道周圍(兩翼)土壓力及地層抗力衰減。根據類似工程經驗，此處土壓力及地層抗力按80%折減。為此，在考慮隧道結構為盾構管片和螺栓連接而成的基礎上，采用修正慣用法，對隧道結構的受力和變形影響因素進行計算分析。

在正常情況下，管片環最大彎矩為164.52 kN·m，軸力為946.431 kN;在土壓力及地層抗力80%折減工況下，管片環最大彎矩為228.27 kN·m，軸力為950.021 kN，管片環前后彎矩值增大38.7%。隨著側向土壓力和地層抗力不斷折減，管片環彎矩不斷增大，軸力變化較小。計算結果表明，正常情況下，隧道管片環安全度較高;隧道管片環安全系數受地層約束的影響較大，側向土壓力衰減到一定程度時將不利于隧道管片結構的安全。

圖3 正常工況下盾構隧道管片彎矩(單位:kN·m)

圖4 正常工況下盾構隧道管片軸力(單位:kN)

圖5 折減工況下盾構隧道管片彎矩(單位:kN·m)

圖6 折減工況下盾構隧道管片軸力(單位:kN)

2.3 盾構隧道受損段管片裂縫分析

盾構隧道通常按正常使用極限狀態驗算結構安全性。盾構隧道的裂縫控制值為0.2 mm，若裂縫驗算結果大于0.2 mm，則認為隧道存在結構安全缺陷。

該區間受損段管片配筋形式見表1。

表1 管片主筋配筋(C型配筋)

根據《混凝土結構設計規范》(GB50010—2010)規定，按荷載標準組合或準永久組合并考慮長期作用影響的最大裂縫寬度計算公式為［9］

式中 wmax——最大裂縫寬度;

αcr——構件受力特征系數;

ψ——裂縫間縱向受拉鋼筋應變不均勻系數;

σs——按荷載準永久組合計算的鋼筋混凝土構件縱向受拉普通鋼筋應力或按標準組合計算的預應力混凝土構件縱向受拉鋼筋等效應力;

Es——鋼筋的彈性模量;

cs——最外層縱向受拉鋼筋外緣至受拉區底邊的距離;

ρte——按有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率;

deq——受拉區縱向鋼筋的等效直徑。

計算結果可知，最大裂縫寬度 wmax=0.477 mm。當管片裂縫寬度大于限制值0.2 mm時，管片使用狀態偏于不安全，嚴重影響管片耐久性。從現場巡視可見，在管片裂縫較大處，滲水明顯，亟待處理。

在商業項目基坑開挖期間，隧道管片裂紋增大，軌道沉降、水平位移增大，軌道的縱向曲率半徑超出相關規程要求，隧道橢圓度大于6‰D。在商業項目基坑開挖影響范圍外，區間盾構隧道均未發現沉降、位移及橢圓度異變。由實測實量及數值仿真計算結果可知，地鐵盾構隧道病害產生的主要原因為商業項目基坑施工誘發地鐵隧道側方土壓力卸載和隧道側方地層抗力降低所致。(1)隧道病害及相關監測數據分析結果表明，隧道病害嚴重區段，左線隧道右軌道的豎向沉降和水平側向位移、隧道上方地面沉降范圍均與商業項目基坑開挖范圍存在明顯的相關性;(2)隧道側方側向土壓力卸載和隧道周邊地層抗力降低是誘發地鐵盾構隧道病害的主要影響因素;(3)商業項目基坑靠近地鐵隧道側采用樁+5道預應力錨索支護結構，深基坑開挖卸載以及錨索錨固段拉應力區的存在，導致地鐵隧道側方土體卸載和隧道側方地層抗力約束降低，從而誘發地鐵隧道發生豎向沉降，并朝商業項目基坑側發生水平側向位移。

3 盾構隧道受損段加固設計

盾構隧道受損段加固設計應遵循“先急后緩，內外兼修”原則，執行剛度、耐久性修復標準，并滿足后期運營結構安全性及耐久性要求。

3.1 盾構隧道外側加固設計

根據盾構隧道受力及破損機理分析可知，隧道圍巖土壓力及地層抗力衰減是盾構隧道破損的重要影響因素。減小基坑開挖對盾構隧道的影響可采取控制基坑支護結構位移、隔斷基坑與隧道二者聯系及加強隧道壁后圍巖強度等措施。為控制隧道結構繼續變形，防止隧道病害繼續惡化，在靠近隧道側的基坑內側采取堆土反壓應急處理措施。從監測結果看，采取的基坑內側堆土反壓應急措施，有利于控制地鐵隧道的繼續位移，有利于抑制地鐵隧道病害的繼續發展。基坑在靠近隧道側嚴格采用逆作法施工，以盡量減小基坑的變形。為防止隔離樁切斷基坑預應力錨索，在加固設計中未采用隔離樁等措施來隔斷基坑與隧道二者聯系。該地鐵區間盾構隧道結構側腰及下方部位土層主要為軟塑的淤泥質土，平均標貫擊數僅為6.4擊，受外界擾動后隧道周邊地層抗力約束較小，不利于地鐵隧道結構的保護，在加固設計中對隧道兩側及下方地層進行低壓滲透注漿處理，以改善隧道周邊的地層抗力約束，將有利于地鐵隧道結構的長期安全保護。同時，為防止地表水通過地表裂縫滲入基坑外側土體和隧道周圍土體，控制隧道結構繼續變形，防止隧道病害的繼續惡化，對基坑外側地面及隧道上方地面的地表裂縫進行了封堵。沿該地鐵區間盾構隧道臨近范圍內建立嚴格控制保護區，嚴格控制地鐵隧道附近的外部作業，避免外部作業再次擾動該地區地鐵盾構隧道10。

3.2 盾構隧道內壁加固設計

鑒于盾構隧道管片裂紋繼續擴展，在隧道內采用鋼架進行臨時加固應急處理。等變形穩定后，對隧道管片結構進行修復。盾構隧道管片結構修復執行剛度和耐久性修復兩種標準。對于變形較大，結構剛度出現損失的盾構隧道，需采取加固鋼圈的措施來增加結構的剛度。一般按以下標準區分:(1)拱腰有壓碎的環;(2)縱縫張開大于2 cm的環;(3)如鑿開下部道床后發現仰拱有裂縫的環;(4)橫鴨蛋變形增加2%隧道直徑以上的環。不在上述4種標準之內的管片裂縫及碎裂，可視為與橫向變形無關的裂縫及碎裂，只需要按耐久性修復標準簡單修補即可，不需要進行整環剛度修復。

采用剛度修復的環需要加鋼環，如果是道床鑿除重新做的地段，可采用封閉的全環鋼圈，如果是道床不需要鑿除重新做的地段，可采取加牛腿頂住道床結構的不封閉鋼圈。其余采用耐久性修復即可。修復包括:第一種(耐久性修復):補裂縫—環氧堵漏—補碎裂;道床修補;粘貼芳綸布(永久加固)。第二種(剛度修復):補裂縫—環氧堵漏—補碎裂—手孔封堵—粘貼芳綸布(臨時加固)—管線遷改—環氧封堵—機械臂進場—加鋼圈。因處理的盾構隧道需要補強提高剛度要求，修復的材料應首先考慮環氧樹脂的材料，因這類材料具有高粘貼力、高強度、機械力學性能優秀及耐老化性能良好。

4 盾構隧道加固后狀態評估

管片修補材料的抗拉強度不應低于1.2 MPa，抗壓強度不應低于管片強度［11］。隧道修復后，耐久性不低于原設計標準。同時，管片碎裂修補部位要求強度達到原來的85%。盾構隧道管片加固后剛度應不小于原管片本體剛度的1.3倍。盾構隧道加固設計可參照《混凝土結構加固設計規范》(GB 50367—2006)中第 8.2 及 9.2 節［12］。

在受彎構件的受拉邊混凝土表面上粘貼纖維復合材進行加固，其正面承載力應按下列公式確定

式中 M——構件加固后彎矩設計值;

α1——受壓區混凝土矩形應力圖的應力值與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值;

fc0——原構件混凝土軸心抗壓強度設計值;

b、h——矩形截面寬度和高度;

x——混凝土受壓區高度;

fy0——原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的抗拉、抗壓強度設計值;

As0、——原截面受拉鋼筋和受壓鋼筋的截面面積;

h0——構件加固前的截面有效高度;

a'——縱向受壓鋼筋合力點至截面近邊的距離。

構件加固后彎矩設計值為228.27 kN·m，芳綸纖維布規格為AFS60，材料厚度為0.286 mm，抗拉強度≥2 000 MPa，彈性模量≥110 GPa，延伸率≥1.8%。式(2)中均為裂縫寬度為0.2 mm時鋼筋應力。由式(2)計算結果可知，加固設計采用上述芳綸布材料能滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態。

根據盾構隧道管片加固設計剛度修復標準，部分地段采用外粘貼鋼板的加固形式。在受彎構件的受拉面和受壓面粘貼鋼板進行加固時，其加固后的承載力和截面剛度可按整截面計算，其截面剛度EI的近似值，可按下式計算

式中 Ec0、E——分別為原構件混凝土和加固型鋼的彈性模量;

Ic0——原構件截面慣性矩;

Aa——加固構件一側外粘型鋼截面面積;

aa——受拉與受壓兩側型鋼截面形心間的距離。

根據計算表明:在受拉區出現裂縫或縱縫張開采用剛度修復時，可采用20 mm厚鋼板，受拉區出現壓碎采用剛度修復時，需采用30 mm厚鋼板才能滿足1.3倍要求。因此，在本次加固設計中，對于兩腰壓碎的情況，均采用30 mm厚鋼板，其余采用20 mm厚鋼板。

5 結語

隨著盾構隧道工程規模不斷擴大，盾構隧道周圍環境條件不斷變化，隧道加固技術的研究將是地鐵工程施工及運營的重要課題。基于某地鐵區間盾構隧道加固工程實例，對隧道加固技術的關鍵內容進行闡述。

(1)盾構隧道加固應首先研究受損隧道的受力及破損機理，可采取監測、檢測、數值仿真及類似工程經驗綜合確定。

(2)盾構隧道加固應遵循“先急后緩，里外兼修”原則，執行剛度、耐久性修復標準，并滿足后期運營結構安全性及耐久性要求。

(3)盾構隧道加固應盡量一步到位，否則在長期列車振動荷載作用及土層沉降作用下，如產生較大變形，之前修補的裂縫及碎裂會發生修補材料脫落，導致重新修補，增加工程量。

(4)盾構隧道加固若涉及到管線遷改，道床重做等事宜，應保證隧道運營功能要求。

［1］王振信.盾構法隧道的耐久性［J］.地下工程與隧道，2002(2).

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［7］晏啟祥，程曦，楊征.斷裂理論在含裂紋盾構隧道安全性評價中的應用［J］.鐵道標準設計，2010(6).

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［9］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

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［11］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50446—2008 盾構法隧道施工與驗收規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［12］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50367—2006 混凝土結構加固設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.