淺談地鐵盾構隧道的耐久性設計

中鐵隧道勘測設計院有限公司 天津 300133

摘要：隨著中國城市化的發展，城市軌道交通在我國各大城市交通中發揮著越來越重要的作用。作為“百年工程”，城市軌道交通的耐久性設計是必須要考慮的問題。文章結合地鐵盾構隧道的結構體系及構造特點，根據目前傳統設計方法，總結了耐久性設計的基本內容，并引述國內出現的改善耐久性的新工法。

關鍵詞：盾構隧道；耐久性設計；環境類別和作用等級；管片制作；構造措施

0.引言

隨著國家城市化進程的加快，傳統道路交通的低利用率以及結構性缺陷等原因，已無法滿足現代都市的交通需求。交通擁堵造成的生活不便、環境污染、城市運營成本增加等一系列問題，是政府普遍面臨的難題，到目前為止，城市軌道交通是長久解決交通擁堵的較好方案，已成為各中大型城市爭先發展的基礎設施，至2014年末，我國累計有19個城市建成地鐵運營里程2539km，預計到2020年全國擁有軌道交通的城市將達到50個，屆時我國軌道交通運營里程將超過6000km，也就是說未來幾年城市軌道交通的建設將保持高速增長。

現行《地鐵設計規范》（GB50157-2013）規定了地鐵主體結構的設計基準期（使用年限）為100年，對于地鐵這類投資大、建設周期長、質量要求高的“百年工程”，其地下結構耐久性至關重要，這一要求在工程設計和施工中如何具體反映和體現，是目前工程界人士日益關注的問題。

地鐵盾構隧道與巖土、地下水等介質緊密接觸，并不斷受到侵蝕，并且要承受疲勞、超載、地震等外來作用，同時結構所用材料自身的性能也會不斷退化，從而使隧道各部分產生不同程度的損傷和劣化，產生一系列危害（如隧道漏水、變形過大、差異沉降、裂損、坍塌等）。例如上世紀70年代建成的香港地鐵部分區間隧道，運營20年之后發現內排鋼筋銹蝕，導致混凝土保護層剝落，影響到運營安全及使用壽命。香港地鐵花費了大量資金，在不影響正常運營的前提下，利用夜間停運的短暫幾個小時，采用超高壓水刀鏟除內排鋼筋及其保護層，然后噴鋼纖維混凝土（植筋）后再添扎內排鋼筋，用聚合物混凝土補強修復；國內地鐵區間隧道、過江隧道等一些地下工程也遇到了類似問題。地鐵建設資金投入大，后期維修、改建困難，因此對結構耐久性要求更高。本文就地鐵盾構隧道耐久性設計進行簡要闡述。

1.地鐵盾構隧道耐久性的影響因素分析

國內地鐵盾構隧道一般采用預制平板型鋼筋混凝土管片，混凝土結構埋置于地下巖土中，同時受到地下水或其它侵蝕性介質的影響，其耐久性影響因素存在較大的復雜性和不確定性，主要因素包括如下幾個方面：

（1）環境因素，包括巖土、隧道內外部溫濕度、地下水、CO2、特殊離子環境、侵蝕性物質環境、雜散電流等。

（2）材料因素，包括水泥品種、水膠比、摻合料、外加劑、螺栓的耐腐蝕性、密封墊的耐久性、防腐涂料等。

（3）結構因素，包括結構尺寸與構造、應力狀態及水平、裂縫程度、不均勻沉降、砂層液化、外荷變化、地震作用、爆炸沖擊波等。

（4）施工因素，管片的生產、運輸及安裝過程中引起的管片損壞，現場尤其以管片拼裝時碰撞、管片就位與盾構掘進姿態不一致、盾構糾偏時管片頂力分布不均勻最容易造成管片缺棱掉角，甚至管片崩裂；另外，管片拼裝后的同步注漿分布，能否有效形成管片背后的保護圈，也對管片耐久性至關重要。

地下工程具有工程前期投資大、工程隱蔽性強、后期修復困難等特點，一旦耐久性出現問題，一是難以發現，日積月累，釀成重大安全事故；二是即使發現，也不得不花費大量的資金去修復加固。要提高地鐵盾構隧道的耐久性能，應從設計、施工、使用管理等方面綜合考慮，針對各種影響耐久性的因素采取相應的措施。作為工程設計人員，設計之初就應當引入耐久性的概念，加強對盾構隧道預制管片、接頭螺栓、密封墊等部位的保護，切實做到降低運營維護費用及增加工程使用壽命。

2.地鐵盾構隧道耐久性設計方法和內容

混凝土結構的耐久性設計可分為傳統經驗方法和定量計算方法。目前定量計算方法主要應用在特殊工程、教學科研上，尚未達到在工程中普遍應用的程度。國內現行的混凝土結構設計規范所采用的仍然是傳統經驗方法或改進的傳統方法，即將環境作用按其嚴重程度定性地劃分成幾個作用等級，在工程經驗類比的基礎上，對于不同環境作用等級下的混凝土結構構件，由規范直接規定混凝土材料的耐久性質量要求和鋼筋保護層厚度等構造要求。

對于地鐵盾構隧道，耐久性設計主要依據國家標準《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）、《混凝土結構耐久性設計規范》（GB/T50476-2008）進行，同時要滿足城市軌道交通行業標準《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》（CJJ49-92）中對結構設計的相關要求。歸納起來，地鐵隧道的耐久性設計應包括以下內容：

（1）明確結構的設計使用年限、環境類別和作用等級，作為開展耐久性設計的基礎性技術標準。

（2）提出混凝土原材料品質、配合比及耐久性指標要求，作為施工階段檢測和驗收的依據。

（3）明確混凝土結構裂縫控制要求，作為結構設計和后期維護的主要技術標準。

（4）采用有利于減輕環境作用的結構形式、布置和構造，如結構尺寸、保護層厚度要求等。

（5）針對嚴重環境作用，采取防腐蝕附加措施或多重防護策略。

（6）對于地鐵隧道，需要考慮雜散電流的腐蝕，采取針對性的防護措施。

（7）提出耐久性所需的施工質量控制要求和驗收要求。

（8）提出結構使用階段的維護與檢測要求。

3.環境類別和作用等級

按照傳統方法進行設計，首先需要明確環境類別和作用等級。目前，國內規范對于環境類別定義存在差異，按《混凝土耐久性設計規范》，地鐵隧道處于無凍融、無海洋氯化物、無化學腐蝕的條件下，腐蝕機理為混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，環境類別為一般環境（I類）。

對于一般環境，判別環境作用等級時，需要考慮的環境因素主要是濕度（水）、溫度、CO2與O2的供給程度。如圖1所示，由于地鐵隧道長期埋置于地下水位以下，外側與水和土壤直接接觸，可按永久的靜水浸沒環境考慮，環境作用等級為I-B。對于隧道內側，一般按非干濕交替的室內潮濕環境考慮，環境作用等級為I-B。也有觀點認為，地鐵隧道內側處于干濕交替環境中，管片厚度不大，臨水面也無防護層，且常有結露水，環境作用等級應為I-C。由于地鐵隧道內存在地下水滲漏情況，隨著隧道內溫度和通風條件的變化，隧道內的濕度也隨之改變，但是否達到干濕交替的程度，目前還沒有實測數據作為依據。另一方面，目前的規范對干濕交替僅作定性的規定，未明確定量的判斷標準。因此，建議針對已運營地鐵隧道內的溫度、濕度及其變化情況，在一定時期內（如一年）進行持續監測，為判斷地鐵隧道內環境作用等級提供依據。

圖1 地鐵隧道環境作用示意圖

4.預制管片的材料選擇及制作

盾構隧道耐久性的關鍵是混凝土材料的制備及預制混凝土管片的制作。混凝土的滲透性影響著水和侵蝕性介質在混凝土中的傳輸速率及聚集效應，因此提高混凝土的抗滲性是改善其耐久性的重點。根據目前工程經驗，可通過提高混凝土密實度、降低水膠比至0.35以下、減少水泥用量至130kg/m3以下、摻入活性礦物摻和料等措施，且保證管片的混凝土保護層有足夠的厚度，可有效阻止外部侵蝕性介質滲透至鋼筋表面，避免鋼筋銹蝕，從而大幅度提高管片的耐久性。

另外，可在管片外部涂刷防腐涂料，隔絕或減輕地下水及侵蝕性介質與管片的接觸，減少各種化學腐作用；特殊條件下，可摻入鋼筋阻銹劑，促使鋼筋表面的氧化物鈍化膜趨于穩定，使整個鋼筋被鈍化膜包裹，從而起到抑制鋼筋銹蝕的作用。

目前國內地鐵盾構隧道，提出了雙層襯砌理念，即在單層預制管片襯砌的基礎上，在其內側，增加一層現澆鋼筋混凝土襯砌。盾構隧道采用雙層襯砌，雖然增加了前期工程投資，但從一定程度上改善了管片的受力，也彌補了由于管片安裝過程中形成的裂縫對隧道耐久性的影響。

5.地鐵盾構隧道耐久性構造措施

5.1 密封墊

對于地鐵盾構隧道，預制管片需要采用大量的螺栓進行拼接，接縫采用密封墊進行防水，接縫總長度是隧道長度的20余倍，確保接縫防水材料防水性能的耐久性至關重要。

密封墊按按功能可分為三類：彈性密封墊、遇水膨脹橡膠密封墊、彈性密封墊與遇水膨脹橡膠復合密封墊。密封墊設計除了要滿足防水性能外，還應提出耐久性指標。根據國內設計規范，密封墊材料的一般以硬度、拉伸強度、伸長率等拉伸力學指標來評價防水材料的耐久性。上海長江隧道工程對密封墊進行了專題研究，提出以接觸應力松弛的時變特性來表征防水密封墊防水性能的耐久性。

5.2 管片連接螺栓

螺栓表面一般采用鋅基鉻酸鹽涂層進行防腐處理。為提高外露螺栓的耐久性和隧道防水效果，管片手孔一般采用微膨脹水泥進行封堵。根據已運營的盾構區間現場檢查情況，存在管片手孔封堵材料凸起和掉落的情況，對運營安全產生不利影響。因此，為確保運營安全，頂部手孔可不作封堵，改為對外露螺栓進行補充防銹處理。

5.3 聯絡通道特殊襯砌環

目前聯絡通道特殊襯砌環有三種做法：混凝土管片（后期切割）、全環鋼管片、鋼管片與混凝土管片組合。從耐久性角度出發，特殊襯砌環宜采用混凝土管片。當聯絡通道采用凍結法對地層進行加固時，需要在管片上鉆孔以安裝凍結管，如圖2所示。如某地鐵盾構區間聯絡通道，采用凍結法加固，需要在聯絡通道左右各3環管片上凍結管鉆孔，開孔總數一般達到72個，開孔直徑130mm，而管片主筋凈距85～140mm，不可避免會對管片結構造成損傷，甚至破壞管片鋼筋。因此，當聯絡通道采用凍結法對地層進行加固時，宜采用鋼管片。采用鋼管片時，應注意以下耐久性問題：

（1）鋼管片的厚度除了要滿足受力要求外，還應考慮鋼管片在使用階段的銹蝕，適當加固鋼板厚度。

（2）對于使用階段外露的鋼管片，應采取防腐措施；并對鋼管片內側空腔回填混凝土，形成鋼構件的混凝土保護層。

（3）考慮到防腐涂層在施工過程中的磨損，聯絡通道施工完成后，應對鋼管片進行補充防銹處理，涂刷防腐涂料，增強鋼構件的耐久性。

圖2 區間聯通通道凍結孔布置示意圖

5.4 后錨固施工

在地鐵機電安裝階段，需要在區間隧道內壁上布設大量供電、通風空調、給排水、動力照明、火災報警系統（FAS）、環境與設備監控系統（BAS）、通信、信號、導向等系統設備管線的支架，以及區間疏散平臺等附屬結構（如圖3、4所示）。

目前，國內絕大多數地鐵均采用后錨固的方式與隧道結構連接，需要在管片上鉆大量的孔洞，削弱管片的受力性能，甚至有時引起管片開裂、鋼筋被破壞，影響管片耐久性能。為此，應加強設計接口協調和機電安裝階段后錨固鉆孔施工控制：

（1）電纜支架間距模數與管片寬度統一，控制錨栓到管片邊緣的距離，避免錨栓設于管片接縫。

（2）嚴格控制錨固孔洞施工誤差：錨孔深度偏差不得大于10mm，垂直度偏差不得大于5°。

（3）打孔前應采用鋼筋探測儀進行探測管片鋼筋，錨孔應盡量避開受力主筋。如螺栓孔與管片鋼筋沖突，應調整螺栓孔位置，嚴禁破壞管片鋼筋。如有廢孔，應用化學錨固膠或高強度等級的環氧樹脂水泥砂漿填實。

為了避免后錨固施工對隧道管片的不利影響，鋼滑槽、絕緣尼龍套管等預埋件技術在臺灣、日本等地區得到了普遍的應用。深圳地鐵9號線是國內首條在全線盾構法區間采用全環預埋滑槽技術的地鐵線路。

圖3 區間隧道管線布設示意圖

6.結論

影響地鐵盾構隧道耐久性的因素很多，綜合本文所述，耐久性設計應特別重視如下兩點：①受濕度、溫度、地鐵雜散電流等因素影響，地鐵隧道內的環境作用較為復雜，耐久性設計中的環境作用等級取值應考慮上述不利因素的綜合影響；②由于地鐵盾構隧道的特殊性，其耐久性設計除了混凝土耐久性相關內容外，應高度重視管片制作、接縫防水、連接螺栓、后期鉆孔等細部構造措施設計。

工程設計人員應當借鑒國內外取得的成功經驗，吸取國內外涌現的新概念、新技術，結合工程實際，運用科學合理的設計方法，以提高地鐵區間隧道的耐久性。

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作者簡介：

唐志輝（1981-），男，湖南瀏陽人，2005年畢業于中南大學土木工程專業，本科，工程師，現主要從事隧道及地下工程的設計及研究工作。