復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片技術在實際工程中的應用

楊世東, 賀維國， 傅鶴林， 何永禮， 劉 科， 楊涇煒

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

盾構法是暗挖法施工中的一種全機械化施工方法，它是采用盾構在地層中推進，通過盾構外殼和管片支承隧道四周圍巖防止發生往隧道內的坍塌，同時在開挖掌子面用切削裝置進行地層開挖，通過出土機械將開挖土體運出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進，并拼裝預制混凝土管片，形成隧道結構的一種機械化施工方法。該方法以其獨特的優勢已廣泛應用于世界各地的隧道工程中。我國的大部分地鐵區間隧道及市政越江通道都采用盾構法施工，在盾構隧道設計、施工方面積累了豐富的經驗，并形成了成熟的裝備制造、設計、施工和運營維護一體化產業體系。

盾構隧道施工時，當襯砌環脫出盾尾后，管片上浮是盾構隧道施工過程中普遍存在的問題[1]。魏綱等[2]對盾構施工階段的管片上浮進行了力學分析，認為管片上浮對隧道的安全性及耐久性均有影響。葉俊能等[3]對管片施工期間的容許上浮量進行了研究，發現管片施工期間上浮可分為3個階段，其中線性發展階段以錯臺變形為主。董賽帥等[4]研究了管片上浮量的決定性因素，認為改善水泥砂漿的初凝時間以及早期抗剪強度是有效控制管片上浮的重要措施之一。上述研究均是針對盾構隧道少量上浮的情況。盾構隧道少量上浮易引起管片產生錯臺、裂縫及破損，通過貼碳纖維布[5]、安裝加固錨筋及鋼筋網片[6]等加固措施進行修復后一般不影響管片的使用，處理相對容易。盾構隧道還可能由于地層、施工等原因造成盾構姿態難以控制，導致管片產生較大上浮，從而影響隧道使用的情況，如成都地鐵2號線外語學校站—互助站區間隧道沿設計軸線上浮約2 m、成都地鐵1號線南延線廣都北站—華陽站區間隧道沿設計軸線上浮2.395 m、長沙地鐵4號線長沙火車南站—光達站區間沿設計軸線上浮1.036 m。上述隧道由于上浮量過大，已影響隧道正常使用，需對隧道進行局部拆除重建后方可滿足行車要求。針對盾構隧道的拆除重建，一般采用明挖法[7-8]進行處理。目前，國內外尚無洞內暗挖法拆除重建缺陷盾構隧道的先例及文獻記載。本文以長沙地鐵4號線長沙火車南站—光達站區間工程為例，介紹一種軟巖地層中采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片的技術，主要包括缺陷盾構隧道長度的確定、處置方案模糊比選、復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片的實施及效果評價等。

1 工程概述

長沙地鐵4號線長沙火車南站—光達站區間出長沙火車南站后依次下穿紅旗路、瀏陽河、濱河東路后至光達站，區間隧道位于已建成運營的2號線長沙火車南站—光達站區間隧道北側，區間平面布置如圖1所示。該區間隧道采用盾構法施工，盾構從光達站始發，向西掘進至長沙火車南站東端的盾構井吊出。隧道右線盾構于2016年10月15日開始在光達站下井組裝調試，2016年11月2日正式始發掘進，2017年1月15日前盾構掘進姿態平穩，管片拼裝正常，2017年1月15日開始盾構姿態難以控制，隧道出現比較嚴重的上浮，后組織多次專家會進行糾偏處理，但盾構姿態始終難以控制，并隨著糾偏的進行，盾構沿設計軸線偏差越來越大，根據2017年2月20日復測資料，管片結構最大上浮值達1 036 mm。

圖1 長沙火車南站—光達站區間總平面布置圖

Fig. 1 Plan of layout of South Changsha Railway Station-Guangda Station Section

區間所處的原始地貌單元屬瀏陽河兩側沖積階地，階面較平坦，地形起伏較小，階地主要由第四系上更新統粉質黏土和砂卵石層組成，具明顯的二元結構。瀏陽河段為典型的河流沖蝕、堆積地貌，分別由河谷、江心洲和漫灘組成。地層由上至下依次為素填土〈1-2〉、粉質黏土〈4-1-3〉、粉砂〈4-3-2〉和圓礫〈4-5-2〉、強風化泥質粉砂巖〈7-1〉及中風化泥質粉砂巖〈8-1〉。地下水主要為第四系松散層上層滯水、孔隙潛水和基巖裂隙水3種。地質縱剖面如圖2所示。事故隧道段中風化泥質粉砂巖覆蓋層厚度為4.74～5.06 m。中風化泥質粉砂巖為極軟巖，遇水易崩解、軟化。

圖2 地質縱剖面圖(單位： m)Fig. 2 Geological profile (unit: m)

2 缺陷盾構隧道長度的確定

2.1 線路調坡方案

根據實測資料，管片221～242環水平誤差超過100 mm，最大偏差發生在231環，偏差為232 mm；豎向偏差自214環開始超過100 mm，最大豎向偏差發生在236環，偏差為1 036 mm。實測數據資料如表1所示。根據表1實測數據資料進行線路調線調坡時必須滿足限界、結構、接觸網和軌道等專業要求。

表1區間右線事故段隧道軸線偏差實測值

Table 1 Measured deviation of tunnel axial line of defective section mm

注： 平面及豎向允許偏差為50 mm。

線路調整時，有2種思路。第1種思路： 盡量利用既有結構，通過壓縮限界滿足行車要求。該方案首先對接觸網的高度進行壓縮，接觸網的極限壓縮高度為220 mm，同時對軌道限界進行壓縮，軌道限界極限壓縮高度為230 mm。擬合線路通過增加坡長為200 m、坡度為6.75‰的上坡，與原線路通過R=2 500 m、T=38.687 m、E=0.299 m的豎曲線進行順接，占用各專業的限界富余量后，基本滿足行車要求。線路調整方案如圖3(a)所示。該方案后期設備安裝不允許出現任何誤差，且地鐵運營期間隧道不得發生任何沉降變形，一旦后期設備安裝出現施工誤差或隧道發生沉降變形，將影響行車，無法補救，不宜推薦采用。

(a) 方案1

(b) 方案2

第2種思路： 需首先滿足各專業的限界要求，通過處理結構滿足行車運營。隧道軸線允許偏差100 mm[9]，該方案通過增加坡長為200 m、坡度為6.6‰的上坡，與原線路進行順接。線路調整方案如圖3(b)所示。

圖3(b)方案由于設置了反坡豎曲線，需在豎曲線最低點新增區間排水泵站，增加工程投資，但該方案不占用設備安裝空間，允許隧道后期產生一定的沉降變形，作為線路調線調坡的推薦方案。

2.2 缺陷盾構隧道長度的確定

根據線路調線調坡推薦方案，確定223～247環范圍內隧道為缺陷盾構隧道，需要進行拆除，共計拆除25環管片，長度為37.5 m。隧道管片拆除后需按調坡后線路進行結構恢復。

3 缺陷盾構隧道處置方案

3.1 初步方案

3.1.1 明挖處置方案

對缺陷盾構隧道采用明挖法進行處理。明挖法處理需在缺陷盾構隧道四周施工圍護樁及樁間止水，然后分層開挖土方并架設支撐系統，開挖至設計標高后，在基坑內拆除缺陷盾構隧道管片，再重新施作隧道主體結構。本工程基坑深度超過20 m，經計算，豎向需設置3道支撐，考慮破除管片時操作空間及新建隧道的限界要求，靠近左線一側基坑外擴0.5 m，另一側基坑外擴1.2 m，基坑總寬度7.7 m，基坑支護設計方案如圖4所示。

圖4 明挖法處置方案基坑支護設計圖(單位： mm)Fig. 4 Design of foundation pit support (unit: mm)

3.1.2 局部換拱方案

缺陷盾構隧道段位于直線段，采用標準環管片拼裝，3個標準塊位于隧道下部，2個鄰接塊及封頂塊位于隧道上部，管片結構布置如圖5所示。

隧道事故主要為上浮引起，拱部限界滿足線路行車要求，仰拱部位限界不滿足線路行車要求，可考慮對仰拱進行擴挖，利用襯砌置換底部2塊標準塊(A塊)，如圖6所示。

圖5 缺陷盾構隧道段管片結構布置圖Fig. 5 Segment pieces of defective shield tunnel section

圖6 局部換拱方案示意圖Fig. 6 Sketches of local arch replacing

3.1.3 復合式襯砌全環置換管片方案

缺陷盾構隧道洞身位于中風化泥質粉砂巖地層中，隧道拱頂中風化泥質粉砂巖地層覆蓋層厚度為4.74～5.06 m，可考慮洞內擴挖利用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片。復合式襯砌斷面設計圖如圖7所示。

圖7 復合式襯砌斷面設計圖(單位： mm)Fig. 7 Designed cross-section of composite lining (unit: mm)

3.2 基于模糊綜合評價法[10-13]的處置方案比選

3.2.1 確定因素集和評語集

本工程需對盾構管片置換的3個方案進行優選。方案1： 明挖處置方案； 方案2： 局部換拱方案； 方案3： 復合式襯砌全環置換管片方案。評價的主要因素為： 工期、造價、環境影響、安全性和對地質的適應性，即因素集U={工期，造價，環境影響，安全性，對地質的適應性}。評價各因素優劣等級分為4個等級： 優、良、中、差，評語集及相應分值V={優，良，中，差}={100，80，60，40}。

3.2.2 確定各因素權重

在缺陷盾構隧道方案評選中，評價因素權向量由建設單位及評審專家組綜合工期、造價、環境影響、安全性和對地質的適應性5個因素確定，評價因素權重向量W=(0.25，0.15，0.2，0.25，0.15)。

3.2.3 構建隸屬度矩陣

方案評審過程中，邀請8位專家各自對每一方案每一因素優劣進行評定，結果如表2—4所示。

表2 方案1評價結果Table 2 Evaluation results of scheme 1

表3 方案2評價結果Table 3 Evaluation results of scheme 2

表4 方案3評價結果Table 4 Evaluation results of scheme 3

將各方案評價結果以矩陣形式表達如下：

3.2.4 計算綜合評價結果

在確定權重向量W和構建隸屬度矩陣R的基礎上，計算綜合的評價結果B。

根據P=V·BT，計算各方案總體得分為：

根據計算結果，P3>P2>P1，故在3個方案中方案3為最佳方案，即復合式襯砌全環置換缺陷盾構隧道管片方案為最佳方案，作為處置方案的實施方案。

4 復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片方案的實施

4.1 實施步驟

采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片主要步驟如圖8所示。

圖8 復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片實施流程圖

Fig. 8 Flowchart of defective shield tunnel segment replacing by composite lining

根據圖8，采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片最不利工況為管片拆除后、初期支護施工前，該工況的安全跟單次管片拆除環數(長度)密切相關，單次拆除管片環數越少，圍巖的變形量越小，對工作環兩端管片的影響也越小，施工越安全，反之，單次拆除管片環數越多，圍巖的變形量越大，地面沉降也越大，工作環兩端管片發生破壞及失穩的可能性也越大。

4.2 管片單次拆除環數對圍巖及管片的影響分析

為驗證上述推論的合理性，采用有限元法對施工過程進行模擬計算，考察單次拆除管片環數對圍巖及管片的影響。

4.2.1 計算模型及計算參數

根據工程具體情況，建立FLAC3D數值計算模型，為減小模型邊界效應影響，計算范圍取隧道的3～5倍開挖直徑，其中，左右邊界取4倍開挖直徑，下邊界取4倍開挖直徑，上邊界取實際埋置深度15 m。模型尺寸為長×寬×高=54 m×42 m×41 m。計算模型如圖9所示。

模型邊界條件： 左、右兩側約束X方向法向位移，前、后兩側約束Y方向法向位移，底部約束Z方向法向位移，上表面為自由面。地層采用實體單元模擬，選用Mohr-Coulomb屈服準則； 盾構管片采用shell單元進行模擬。

模型中，各地層厚度按29#鉆孔資料進行取值，盾構開挖直徑為6 m，管片材料為C50抗滲鋼筋混凝土，厚300 mm，每環寬1.5 m。計算模型中，管片彈性模量取35.5 GPa，泊松比取0.2，密度為2 500 kg/m3，土層計算參數取值如表5所示。

圖9 計算模型(單位： m)Fig. 9 Calculation model (unit: m)

巖土名稱密度/(g/cm3)黏聚力/kPa內摩擦角/(°)壓縮模量/MPa變形模量/MPa泊松比μ素填土1．9015120．38粉質黏土1．9554．715．37．20．34粉砂1．97224100．32圓礫2．08535300．30 強風化泥質粉砂巖2．105528500．29 中風化泥質粉砂巖2．42230352500．27

4.2.2 計算工況

為考察一次拆除不同數量管片地層的穩定性及鄰近管片的安全性，分別考慮拆除1環、2環、3環和4環4種工況下圍巖及管片結構的安全。管片拆除位置如圖10所示，計算工況如表6所示。具體施工過程為： 1)建立模型，在自重場下計算平衡； 2)開挖盾構隧道，施加管片，計算平衡； 3)按表6各工況拆除管片，計算平衡。

圖10 管片拆除位置Fig. 10 Positions of segment dismantling

序號工況說明 1工況1拆除管片12工況2拆除管片1、23工況3拆除管片1、2、34工況4拆除管片1、2、3、4

4.2.3 計算結果分析

在盾構開挖完后，將模型位移清零(不清除應力狀態)，以考察拆除不同環數管片對地層和隧道結構位移變化的影響。

4.2.3.1 地層的變形分析

不同工況下地層的變形值如圖11所示。

(a) 盾構開挖完成后

(b) 拆除第1環管片

(c) 拆除第2環管片

(d) 拆除第3環管片

(e) 拆除第4環管片

各工況地層豎向位移變化如圖12所示。

圖12 不同工況下地層豎向位移

Fig. 12 Vertical ground displacement under different conditions

由圖11—12可知： 在盾構開挖、管片施作完成后，豎向沉降最大值約為8.23 mm，隆起量約為8.16 mm，

均發生在隧道周邊，地表沉降變形量較小，與盾構施工時監測數據基本吻合。在進行管片置換施工時，隨著管片一次性拆除環數的增加，地層的變形逐漸增加，最大沉降值增量依次為： 0.08、1.41、2.77、3.66 mm，基本均發生在拆除范圍的中點位置，地層的累計變形量為11.9 mm。同時拆除3環管片時，圍巖拱頂沉降增量值有較大的突變。在管片拆除區域，該部分上部土體在兩端管片的支撐下抵抗圍巖荷載，若管片一次性拆除較多，上部圍巖荷載較大，勢必引起地層的較大變形。在拆除1環、2環管片時，其基本不對地層產生太大的影響；而在拆除3環、4環管片時，沉降增量值有一定的變化。

4.2.3.2 鄰近拆除區域管片位移與變形

管片變形如圖13和圖14所示。管片豎向及管片水平位移變化如圖15所示。

(a) 盾構開挖完成后

(b) 拆除第1環管片

(c) 拆除第2環管片

(d) 拆除第3環管片

(e) 拆除第4環管片

圖13不同工況下管片豎向位移(單位： m)

Fig. 13 Vertical displacement of segment under different conditions (unit: m)

(a) 盾構開挖完成后

(b) 拆除第1環管片

(c) 拆除第2環管片

(d) 拆除第3環管片

(e) 拆除第4環管片

圖14不同工況下管片水平位移(單位： m)

Fig. 14 Horizontal displacement of segment under different conditions (unit: m)

(a) 管片結構豎向位移

(b) 管片結構水平位移

由圖13—15可知： 隨著管片一次性拆除環數的增加，管片的變形逐漸增加，豎向沉降增量最大值均出現在鄰近的第1環管片拱頂。拆除第1環、第2環管片時，管片水平位移增量最大值出現在鄰近的第1環管片起拱線處，在拆除第3環、第4環管片時，X方向位移增量最大值出現在鄰近的第1、2環管片相接的起拱線處。管片的豎向位移向隧道內側，水平位移向隧道外側，說明拆除管片時隧道鄰近管片有逐漸被壓扁的趨勢。從數值上看，在拆除管片時，臨近管片的豎向、水平位移均不大，累計徑向收斂值也小于規范限值20 mm[14],說明管片拆除時對臨近管片的位移影響基本可控。

4.2.3.3 鄰近拆除區域管片結構受力分析

1)各工況管片軸力如圖16所示。

2)各工況管片彎矩如圖17所示。

由圖16和圖17可知： 隨著管片一次拆除環數的增加，管片所受的軸力及彎矩逐漸增大，鄰近拆除區域的第1環管片所受影響較大，第2環管片次之。為更直觀了解鄰近第1環管片的受力情況，其內力圖如圖18所示。

(a) 盾構開挖完成后

(b) 拆除第1環管片

(c) 拆除第2環管片

(a) 盾構開挖完成后

(b) 拆除第1環管片

(c) 拆除第2環管片

(a) 盾構施工完成后管片結構內力圖

(b) 拆除第1環管片時鄰近管片結構內力圖

(c) 拆除第2環管片時鄰近管片結構內力圖

(d) 拆除第3環管片時鄰近管片結構內力圖

(e) 拆除第4環管片時鄰近管片結構內力圖

力的單位為kN，彎矩單位為kN·m。

圖18不同工況下鄰近第1環管片內力圖

Fig. 18 Internal force of segment adjacent to ring 1 under different conditions

3)鄰近第1環管片的內力變化如圖19所示。

根據圖19，隨著管片拆除環數的增加，軸力、彎矩均呈現增大趨勢，結構的安全系數逐漸降低，拆除管片越多,鄰近第1環管片的受力越大，也越不安全。按照最不利工況(同時拆除4環管片)，按照壓彎構件核算其裂縫寬度，小于規范控制值0.2 mm[15]。

(a) 鄰近第1環彎矩變化

(b) 鄰近第1環軸力變化

Fig. 19 Variation of internal force of segment adjacent to ring 1 under different conditions

4.2.3.4 地層應力塑性狀態分析

不同工況下地層應力塑性狀態如圖20所示。

(a) 拆除第1環管片 (b) 拆除第2環管片

(c) 拆除第3環管片 (d) 拆除第4環管片

Fig. 20 Plastic zones of surrounding rock under different conditions

由圖20分析地層應力塑性狀態可知: 拆除1環管片時，圍巖基本無塑性區出現；拆除2環管片時，拆除區域內局部出現塑性區，但未連通；拆除3環、4環管片時，拆除區域內出現較大范圍的塑性區，且基本全環連通。因此，拆除1環管片時，基本不影響原地層應力塑性狀態，施工較為安全；拆除2環管片時，對原地層應力塑性狀態有影響，但相比拆除3環、4環時的影響小；拆除3環、4環管片時圍巖出現貫通塑性區，施工風險增大。

4.3 實施效果評價

采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道后，二次襯砌內力及變形如圖21所示。

(a) 二次襯砌彎矩圖(單位： N·m)

(b) 二次襯砌軸力圖(單位： N)

(c) 二次襯砌變形圖(單位： m)

Fig. 21 Internal force and deformation of secondary lining after segment replacement

由圖21對比置換前后內力及變形可知： 其襯砌豎向位移由8.23 mm變為4 mm；其襯砌結構的裂縫寬度由0.04 mm變為0.03 mm，襯砌的變形及裂縫寬度均減小，說明采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片后，結構的安全性進一步提高了。

5 新型臺車在管片置換中的應用

利用復合式襯砌置換管片時，為確保原盾構隧道結構體系的穩定，保證施工安全，做到快速施工，針對本工程，開發了一種新型臺車及其施工方法，新型臺車的應用可使缺陷盾構隧道處置做到流水化作業，大大縮短處置工期，同時節省工程投資。

5.1 新型臺車的構成

新型臺車包括支撐桁架和縱向連系梁。支撐桁架由縱向連系梁連接形成整體結構，用于置換管片時支撐工作面前后管片。支撐桁架由型鋼立柱、型鋼橫梁及型鋼斜支撐組成。每榀支撐桁架立柱底部設有輪軌，方便移動，支撐桁架底部設有液壓千斤頂式可調節支腿，形成每榀支撐桁架的著力點，縱向設有6榀，用于支撐工作面前后管片結構體系。型鋼橫梁上設有可調節絲桿及可橫向移動的手動葫蘆，方便施工材料的運輸。支撐桁架立柱底部輪軌間距滿足材料運輸要求，同時亦可滿足電瓶車的通行，保證施工材料的運輸順暢。在第3、4榀桁架之間設置施工平臺，可對缺陷盾構隧道管片進行處理。可調節支腿、可調節絲桿與盾構隧道管片之間設有鋼墊板，減小支撐傳力點與管片之間的應力集中。新型臺車如圖22所示。

(a) 平面圖

(b) A-A剖面圖 (c) B-B剖面圖

5.2 施工方法

1)確定需要置換的缺陷盾構隧道管片的位置。

2)將移動臺車的施工平臺中心與需置換的管片中心重合。

3)在固定環管片內鋪設鋼墊板，調節液壓千斤頂式可調節支腿長度，使支撐桁架立柱下的輪軌上抬，調節橫梁上絲桿長度，使各絲桿與固定環管片頂緊。

4)拆除處理環管片。

5)施工系統錨桿、格柵鋼架及初期支護噴射混凝土。

按照步驟1)—5)順序依次利用復合式襯砌初期支護置換后續管片。

新型臺車在本工程中的應用,實現了洞內流水化作業置換缺陷盾構隧道管片，縮短了工期，費用低，且不影響地面交通和地下管線，可在類似工程中進行推廣。

6 結論與建議

1) 對于盾構掘進施工引起的沿設計軸向偏差，首先應考慮通過調線調坡處理以滿足行車運營要求。若由于盾構姿態控制困難，發生管片上浮，施工單位在進行盾構姿態糾偏時應緩慢過渡，不應使盾構姿態產生較大的突變，只要糾偏時保證一定的線形，即使盾構偏離了設計軸線一定距離，一般情況下經過調線調坡處理能夠解決軸線偏移問題。

2) 在調線調坡處理時，應首先保證接觸網、軌道等專業的安裝限界要求，并考慮盾構隧道后期的工后沉降變形要求，若在考慮允許偏差后仍不能滿足要求，需考慮對隧道結構進行破除重建。

3) 采用模糊綜合評價法對處置方案進行模糊比選，在軟巖地層中，洞內暗挖法處置缺陷盾構隧道管片方案具有明顯技術上的優勢，類似工程中可考慮。

4) 采用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片時，施工的安全性與一次性拆除管片的環數密切相關，考察一次性拆除不同環數管片圍巖及鄰近管片的應力狀態，發現隨著管片拆除環數的增加，圍巖的拱頂豎向位移逐漸增大，位移最大值均位于拆除范圍的中點；鄰近第1環管片向隧道內豎向位移逐漸增大，向隧道外水平位移逐漸增大，隧道呈現逐漸被壓扁的趨勢，同時，管片的彎矩、軸力也逐漸增大，結構的安全性也逐漸降低。

5) 拆除1環管片時，圍巖基本無塑性區出現，不影響原地層應力塑性狀態，施工較為安全；拆除2環管片時，拆除區域內局部出現塑性區，但未連通；拆除3環、4環管片時，拆除區域內出現較大范圍的塑性區，且基本全環連通，施工風險增加，因此，建議施工時一次拆除管片環數不宜過多，盡量不要超過2環。

6) 新型臺車的應用，可使管片支撐、管片拆除、初支施工做到流水化作業，增加了管片置換工效，縮短了缺陷盾構隧道處置的工期，節省了投資，宜在類似工程中進行推廣。

7) 對處于硬塑狀黏土、巖石等地層中的隧道，利用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片時，其相對于明挖法處理方案優勢明顯，但對處于砂層、圓礫和卵石等富水地層中的隧道，管片置換施工存在一定的風險，需輔以一定的輔助措施，建議下階段針對富水地層條件下利用復合式襯砌置換缺陷盾構隧道管片技術進行進一步的研究，拓寬其適用條件。

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