地鐵聯絡通道受損管片修復方法的適應性研究

姜智彬

(中鐵二十五局集團第五工程有限公司， 266101， 青島∥高級工程師)

盾構法是地鐵區間隧道施工的主要方法，而盾構隧道在施工和運營階段會由于多種因素而引發相應病害。在盾構推進拼裝階段，隧道可能會因涌水、涌砂導致地表塌陷[1-2]，管片會由于頂推力過大而開裂、破損[3]，隧道還可能存在錯臺、變形等缺陷[4]。在運營階段，可能會由于近接施工發生隧道的位移和變形[5]，也會因為隧道老化、結構腐蝕和施工不當等原因導致隧道的開裂、滲漏[6-7]。

針對管片破損問題，國內外已有大量學者對預防檢測、原因分析和修復加固等方面進行研究。文獻[8]通過數值模擬方法研究了多裂紋的演化特征及其對隧道襯砌性能的影響。文獻[9]提出了1種新的基于隧道變形數據的識別方法，以發現隧道襯砌中的損傷。文獻[10]介紹了日本隧道的無損檢測技術及結構變形的修復方案。內張鋼圈整環加固方法是控制大變形的常用方法，文獻[11]研究此加固方法后發現，加固后結構的破壞模式主要是鋼板與管片的黏結面破壞。

綜上可知，現有的地鐵盾構區間受損管片修復加固技術大部分位于普通區間段，而對于聯絡通道內特殊管片區段的研究較少。本文在現有對聯絡通道的受損管片修復加固技術基礎上，依托深圳地鐵20號線會展北站至會議中心站區間的聯絡通道項目，針對現場的管片破損程度進行分區，設計相應的受損管片鋼板加固參數，在聯絡通道開口環設計減緩應力集中的三角鋼片，并結合數值模擬和現場監測對所設計的應用效果進行分析，以期為類似的工程案例提供設計參考。

1 工程概況

深圳國際會展中心配套市政項目會展北站—會議中心站區間周邊為待開發地塊及填海空地，區間地質狀況屬于濱海灘涂地貌。該區間聯絡通道兼廢水泵房頂部埋深約18.6 m，泵房底板埋深約26.2 m。由于聯絡通道上部涵蓋富水中粗砂層，在施作聯絡通道及泵房過程中存在地層卸載作用，地層應力發生變化，聯絡通道局部發生涌水、涌沙，進而造成聯絡通道處附近管片出現破損和裂縫等病害。如圖1所示,受損管片的修復加固區域為受損管片存在隱患的258環至270環,其中,262環處為聯絡通道開口環。

圖1 聯絡通道受損管片區域

本項目采用內設鋼圈的形式對受損隧道進行加固。施工方案為:對收斂變形嚴重的管片環(259環至267環)每環采用30 mm厚、環寬1 100 mm的鋼板進行加固；對受損較為嚴重的管片環(258環、268環至270環)采用20 mm厚、環寬1 100 mm的鋼板進行加固;鋼板設置非騎環縫。聯絡通道已開洞管片應在盾構管片變形穩定后方可進行加固鋼圈的施工。圖2以259環至263環為例,說明該施工方法的縱橫斷面設計方案。

2 聯絡通道受損管片鋼板加固模擬

2.1 建立計算模型

根據受損管片鋼板加固設計資料，基于圣維南原理，充分考慮邊界效應的影響，采用FLAC3D有限元軟件建立三維數值仿真模型，如圖3 a)所示，數值模型長(x方向)、寬(y方向)、高(z方向)的尺寸為60.3 m×33.0 m×47.0 m。區間隧道管片結構、等代層采用彈性實體單元進行模擬，加固鋼環采用shell單元進行模擬，如圖3 b)所示。地應力場按自重應力場考慮。

2.2 計算參數選取

根據該涌砂區間的地質勘察報告及土樣試驗資料，計算模型的地層物理力學參數如表1所示，盾構隧道的支護體系物理力學參數如表2所示。

2.3 加固后混凝土強度分析

鋼板加固完成后，選取受損管片254環至275環管片進行分析，其最大拉應力、最大壓應力云圖如圖4所示。由圖4可知，受損管片經鋼板加固后，混凝土的最大拉應力、最大壓應力位于聯絡通道管片開口處，通道上部出現較大拉應力，在通道下部墻腳出現較大壓應力。從聯絡通道盾構管片開口位置向兩側延伸，其最大拉應力、最大壓應力逐漸>減小。

尺寸單位：mm

b) 橫剖面

為進一步定量分析，在鋼板加固后提取258環至270環管片數據，繪制各環的最大拉應力、最大壓應力直方圖，如圖5所示。從圖5 a)可以看出，經過鋼板加固后管片的最大拉應力峰值1.305 MPa位于開口環的262環，聯絡通道開口環兩側的受損管片應力明顯減小，其原因是開口環未形成整環閉合，存在應力集中，從而導致出現管片加固后拉應力仍然最大；從圖5 b)可以看出，管片最小主應力集中在260環至263環，其峰值為4.692 MPa。與管片受到的拉應力相比，受損管片壓應力受到的影響范圍更廣。

a) 有限差分數值模型

b) 鋼板加固shell單元 圖3 涌砂區間內受損管片鋼板加固計算模型 表1 計算模型的地層物理力學參數

表2 盾構隧道的支護體系物理力學參數

a) 最大拉應力

b) 最大壓應力

a) 最大拉應力分布

b) 最大壓應力分布

通過計算得到所加固區域受損管片的安全系數。鋼板加固后，盾構管片受拉安全系數的最小值為3.8(261環管片拱底處)，該值大于TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》的抗拉要求(3.6)；盾構管片受壓安全系數最小值為4.5(263環管片邊墻靠近聯絡通道處)，其值大于《鐵路隧道設計規范》的抗壓要求(2.4)。因此，鋼板加固后的管片混凝土滿足設計安全系數要求。

2.4 加固后鋼板強度分析

受損管片經鋼板加固完成后，鋼板自身的最大拉應力、最大壓應力云圖如圖6所示。

a) 最大拉應力

b) 最大壓應力

從圖6可以得到，加固鋼板的拉應力峰值區間位于258環處，最大值為1.162 MPa；加固鋼板的壓應力峰值位于258環處，最大值為2.084 MPa。提取1#～15#加固鋼板的最大拉應力、最大壓應力數據作進一步分析，得到1#～15#加固鋼板最大拉應力、最大壓應力曲線,如圖7～8所示。

注：262環中部的白色區域為聯絡通道開口位置。

a) 最大拉應力分布

b) 最大壓應力分布

從圖7和圖8可以得到，由于鋼板加固設計中聯絡通道左、右側鋼板的加固范圍不對稱，導致258環的加固鋼板遠離聯絡通道開口位置而沒有附加鋼板來分擔土壓力荷載，使得1#加固鋼板的拉、壓應力普遍較大；相反，由于存在有較多鋼板分擔了壓力荷載，因而越遠離聯絡通道開口，加固鋼板的拉、壓應力越小。

3 受損管片鋼板加固實測效果分析

聯絡通道受損管片經修復之后，為監測管片的應力變化情況，在現場采用預埋式JTM-V1000D型振弦式應力計、JTM-MV20A系列智能型振弦式傳感器采集箱進行數據采集。依據現場的處理情況，在聯絡通道和廢水泵房施工完成且盾構管片變形穩定后，對該區間受損嚴重的區段管片進行加固。修復加固完成后記錄受損管片的應力變化值，其結果如圖9所示。

a) 拉應力

b) 壓應力

由圖9的實際監測值可知：受損嚴重的254環至270環管片經過鋼板加固修復后，其拉、壓應力均滿足管片的安全評定標準，受損管片應力分布規律與模型模擬的規律一致，聯絡通道開口環(262環)處的管片應力峰值最大。

4 結語

1) 受損管片經鋼板加固后，其最大拉應力、最大壓應力位于聯絡通道管片開口處，在通道上部出現較大拉應力，在通道下部墻腳出現較大壓應力。沿縱向分布的規律為：從聯絡通道盾構管片開口位置向兩側延伸，最大拉壓力、最大壓應力逐漸減小。

2) 受損管片修復完成后均滿足設計要求。其中:盾構管片的受拉安全系數最小值為3.8，出現在261環管片拱底處；受壓安全系數最小值為4.5，出現在263環管片邊墻(靠近聯絡通道)處。

3) 依據設計方案修復之后，加固鋼板自身最大拉應力峰值為1.162 MPa，位于258環處；加固鋼板最大壓應力峰值為2.084 MPa，也位于258環處。這是由于設計中加固范圍不對稱，導致1#加固鋼板的拉、壓應力普遍較大，具體施工時可適當提高較弱側的加固參數。

4) 本工程聯絡通道采用全環鋼板加固，且在聯絡通道開口處的鋼板環設計有三角鋼板塊，可有效減小聯絡通道開口環位置的應力集中現象。依據實測數據，所設計的鋼板修復加固方案應用性良好。