成型隧道發生病害分析及治理措施

孔垂磊

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司， 北京 100000)

0 引言

近年來，隨著城市化進程的速度加快，地下工程建設也在突飛猛進，致使地下結構事故時有發生。因對已完工的地下結構保護經驗不足，后期引發病害，對隧道結構安全造成了一定的影響。

本文結合某臨海鐵路隧道，區間隧道完成后，隧道局部發生升降變形，導致隧道結構發生受損情況。事故發生后，通過對隧道周邊場地的施工情況調查、隧道位移監測數據分析及水位變化誘發隧道管片沉降，探討誘發隧道病害的主要原因。采取相應的加固措施后，整治后對隧道的安全性進行了研究，可滿足安全使用要求。

1 工程簡介

某鐵路隧道采用盾構法施工，盾構段為雙洞單線布置，隧道管片內徑7.7m，外徑8.5m，管片厚40cm。雙洞間按不大于500 米設置一處橫通道。

橫通道采用礦山法開挖，開挖尺寸：寬4.3m，高4.93m，長度約8.5m。

圖1 橫通道斷面形式

區間左、右線均已施工完成，橫通道采用礦山法施工，在施工過程中出現涌水現象，使周邊水文地質發生變化，導致隧道區間左、右線管片受力沉降變形。

2 隧道內出現主要病害

管片破損主要發生在橫通道左、右線成型隧道兩側。存在缺陷：管片縱橫向錯臺、滲漏水，管片破損、裂縫及環向及縱向連接螺栓不密貼現象。

2.1 管片錯臺

橫通道附近，錯臺位置分別有4 處和9 處，最大錯臺量分別為10cm 和12cm，部分存在滲漏水。

2.2 管片裂縫

橫通道附近，最大縱向裂縫分別為0.4mm 和0.3mm,存在其他環向及局部裂縫。

2.3 管片背后空洞

通過地質雷達檢測分析管片后空洞情況，部分位置不同程度的檢測到空洞、土層擾動、土層不密實、土層含水等情況。

2.4 局部管片橢圓度超限

對橫通道附近左線、右線相關管片進行了橢圓度測量，部分管環橢圓度超過規范要求的±6‰。

3 主要病害的現狀分析

根據現場實測斷面的內輪廓變形情況，對照現場施工記錄和裂縫開展位置，反演分析橫通道上方注漿作用范圍和壓力，進而分析結構內力狀態，推算管片外側現狀結構狀態，并為管片是否需要進行加固提供基礎資料。

圖2 實測內輪廓與設計內輪廓對比圖

3.1 裂縫寬度

建立盾構隧道梁彈簧模型分析，推算注漿荷載位置，注漿壓力取0.2～1.4MPa，采用三角形分布。根據現場實測，管片內側裂縫為0.4 mm，疊加正常工況外荷載后，分析管片受力狀態和管片背后裂縫寬度。

圖3 注漿荷載位置

圖4 梁彈簧模型

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管片上注漿壓力暫定為0.4MPa 時，管片內側裂縫0.407mm，可推斷該工況為管片現階段狀態該工況下，管片外側未出現裂縫，最不利位置結構安全系數為3.07。

圖5 標準工況

圖6 附加0.2MPa 注漿壓力工況

圖7 附加0.4MPa 注漿壓力工況

在0.4MPa 注漿荷載工況，隧道裂縫寬度與變形形態與實測數據基本相符，可作為現階段狀態分析依據，該狀態管片內側不利截面裂縫寬度0.407mm，結構安全系數為1.58，不滿足規范要求，管片外側未出現裂縫，結構最小安全系數為3.07，滿足規范要求。主要考慮對管片內側進行病害處理。

3.2 隧道橢圓度

經過計算分析，并類比相關工程，得出橢圓度＜25‰或單向變形率＜ 12.7‰時隧道結構整體變形處于彈性變形階段，超過以上變形時，結構進入塑性變形。

1、橢圓度＞20‰或單向變形率＞12‰：接近塑性變形，擬對隧道進行結構加固。

2、橢圓度=12‰～20‰或單向變形率=9‰～12‰，且無明顯縱向裂縫、其他較嚴重破損時：處于彈性受力階段，考慮管片拼裝質量的影響，采取弱加固。

3、橢圓度=6‰～12‰，盾構管片環整體性較完整。該病害地段洞身基本位于全～中風化混合花崗巖地層，未受外界擾動情況下的隧道結構基本穩定。可不加固。

3.3 管片錯臺、接縫張開

一般情況下，錯臺與接縫張開過大的地段均有滲漏水，需對環、縱縫進行堵水處理。

管片錯臺大將影響管片之間的連接，大范圍管片錯臺將導致結構整體剛度下降，需進行加固處理。

4 應急搶險處理措施

4.1 受損隧道臨時加固措施

采取管片背后注改性聚氨酯的段落，必須施作臨時內支撐。主要采取的措施，每環管片設置2 榀鋼架，工22a，鋼架中心距為0.6m，距離管片邊0.5m。管片背后注漿前鑿除仰拱填充，環形鋼架封閉成環，確保注漿時結構安全。

圖8 管片臨時加固大樣圖

4.2 管片背后注漿措施

隧道管片缺陷部位考慮管片壁后可能出現空洞，根據檢測報告對壁后空洞的環管片進行改性聚氨酯注漿。一方面作為管片壁后填充。另一方面可有效的對滲漏水部位進行止水。在管片缺陷治理各項措施實施前先進行壁后注漿。

4.3 管片清理及環、縱縫注漿處理

主要加固措施：

①管片環、縱縫內側嵌縫補強。

②沿縫斜向鉆注漿孔。

③注彈性環氧漿液。

④注漿壓力≤0.2MPa。

4.4 鋼板環加固設計

1、主要加固措施：

①采用Q345 鋼板，每環分6 塊，居中設置，厚度0.3cm、環寬1.3mm；管片與鋼板環間灌注剛性環氧漿液；

②縱向連接鋼板厚度1cm，采用貼焊連接。

2、適用范圍：

①橢圓度≥20‰，或豎向變形率≥12‰；

②裂縫≥0.2mm。

圖9 鋼板環加固圖

4.5 芳綸纖維布+環氧樹脂涂料

1、主要加固措施：

①沿環縫設置直徑20mm 半圓形PVC 管引排水；

②粘貼芳綸纖維布+涂布3mm 厚環氧樹脂涂料；

③芳綸纖維布騎縫設置，縫兩側各0.5m。

2、適用范圍：

①橢圓度12‰～20‰，或豎向變形率9‰～12‰；

②環間局部錯臺≥15mm，單處＞2m，拱墻設置芳綸纖維布；

③環間局部錯臺≥15mm，單處≤2m。拱墻∑L＞5m，拱墻設置芳綸纖維布。拱墻∑L≤5m，局部設置芳綸纖維布。

圖10 芳綸纖維布加固圖

5 運營期隧道縱向結構安全性分析

運營期隧道縱向結構分析采用彈性地基梁模型，將隧道簡化為梁單元，梁截面采用隧道斷面形式，梁單元縱向長度取為400m，隧道運營期荷載包括隧道上部水土荷載、列車荷載、隧道結構自重。

圖11 縱向計算模型

圖12 縱向彎矩圖

圖13 剪力圖

圖14 變形圖

由盾構隧道縱向計算結果可知，隧道縱向彎矩最大為122kN·m，最大剪力為368kN，列車運營產生隧道縱向受力較小，隧道結構縱向抗彎抗剪滿足要求。列車運營產生隧道最大豎向沉降差為0.2mm，滿足要求。

6 結論

6.1 針對隧道病害事故取得的主要教訓

（1）左線隧道掘進期間，地面是淤泥處理場，采用攪拌樁加固進行軟基處理，土層受到擾動，上下水力聯系貫通，盾構掘進過程中不宜保持土壓力，盾構姿態控制受到一定的影響，致使管片拼裝出現錯臺；

（2）橫通道采用旋噴樁加固，在加固完成后，橫通道沒有及時施工，因施工區域臨近海邊，地下水腐蝕性較強，又受潮汐影響，加固體效果受到一定影響。

（3）由于海邊、潮汐、礪巖對加固效果認識不足，旋噴樁加固效果不理想。

（4）對強風化巖在遇水后易發生崩解泥化的認識欠缺。

6.2 針對隧道病害事故取得的主要經驗

（1）隧道病害出現后，立即針對隧道位移、橫向、縱向收斂等開展相關監測工作，及時掌握隧道位移及斷面收斂的發展趨勢。

（2）立即采取安全應急措施，如隧道內架設臨時鋼支撐加固、部分管片環底進行注漿加固等，控制隧道病害的繼續發展。

（3）針對盾構隧道病害的主要原因進行分析和論證，評估了地鐵盾構隧道結構的安全現狀，為今后的隧道病害治理提供依據。