地鐵聯(lián)絡(luò)通道受損管片修復(fù)方法的適應(yīng)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(gòu)法是地鐵區(qū)間隧道施工的主要方法，而盾構(gòu)隧道在施工和運營階段會由于多種因素而引發(fā)相應(yīng)病害。在盾構(gòu)推進拼裝階段，隧道可能會因涌水、涌砂導(dǎo)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(fā)生隧道的位移和變形[5]，也會因為隧道老化、結(jié)構(gòu)腐蝕和施工不當?shù)仍驅(qū)е滤淼赖拈_裂、滲漏[6-7]。

針對管片破損問題，國內(nèi)外已有大量學(xué)者對預(yù)防檢測、原因分析和修復(fù)加固等方面進行研究。文獻[8]通過數(shù)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(shù)據(jù)的識別方法，以發(fā)現(xiàn)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(shù)及結(jié)構(gòu)變形的修復(fù)方案。內(nèi)張鋼圈整環(huán)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(fā)現(xiàn)，加固后結(jié)構(gòu)的破壞模式主要是鋼板與管片的黏結(jié)面破壞。

綜上可知，現(xiàn)有的地鐵盾構(gòu)區(qū)間受損管片修復(fù)加固技術(shù)大部分位于普通區(qū)間段，而對于聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)特殊管片區(qū)段的研究較少。本文在現(xiàn)有對聯(lián)絡(luò)通道的受損管片修復(fù)加固技術(shù)基礎(chǔ)上，依托深圳地鐵20號線會展北站至?xí)h中心站區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道項目，針對現(xiàn)場的管片破損程度進行分區(qū)，設(shè)計相應(yīng)的受損管片鋼板加固參數(shù)，在聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)設(shè)計減緩應(yīng)力集中的三角鋼片，并結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測對所設(shè)計的應(yīng)用效果進行分析，以期為類似的工程案例提供設(shè)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(qū)間周邊為待開發(fā)地塊及填海空地，區(qū)間地質(zhì)狀況屬于濱海灘涂地貌。該區(qū)間聯(lián)絡(luò)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(lián)絡(luò)通道上部涵蓋富水中粗砂層，在施作聯(lián)絡(luò)通道及泵房過程中存在地層卸載作用，地層應(yīng)力發(fā)生變化，聯(lián)絡(luò)通道局部發(fā)生涌水、涌沙，進而造成聯(lián)絡(luò)通道處附近管片出現(xiàn)破損和裂縫等病害。如圖1所示,受損管片的修復(fù)加固區(qū)域為受損管片存在隱患的258環(huán)至270環(huán),其中,262環(huán)處為聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道受損管片區(qū)域

本項目采用內(nèi)設(shè)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(huán)(259環(huán)至267環(huán))每環(huán)采用30 mm厚、環(huán)寬1 100 mm的鋼板進行加固；對受損較為嚴重的管片環(huán)(258環(huán)、268環(huán)至270環(huán))采用20 mm厚、環(huán)寬1 100 mm的鋼板進行加固;鋼板設(shè)置非騎環(huán)縫。聯(lián)絡(luò)通道已開洞管片應(yīng)在盾構(gòu)管片變形穩(wěn)定后方可進行加固鋼圈的施工。圖2以259環(huán)至263環(huán)為例,說明該施工方法的縱橫斷面設(shè)計方案。

2 聯(lián)絡(luò)通道受損管片鋼板加固模擬

2.1 建立計算模型

根據(jù)受損管片鋼板加固設(shè)計資料，基于圣維南原理，充分考慮邊界效應(yīng)的影響，采用FLAC3D有限元軟件建立三維數(shù)值仿真模型，如圖3 a)所示，數(shù)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(qū)間隧道管片結(jié)構(gòu)、等代層采用彈性實體單元進行模擬，加固鋼環(huán)采用shell單元進行模擬，如圖3 b)所示。地應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮。

2.2 計算參數(shù)選取

根據(jù)該涌砂區(qū)間的地質(zhì)勘察報告及土樣試驗資料，計算模型的地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，盾構(gòu)隧道的支護體系物理力學(xué)參數(shù)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(huán)至275環(huán)管片進行分析，其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力云圖如圖4所示。由圖4可知，受損管片經(jīng)鋼板加固后，混凝土的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力位于聯(lián)絡(luò)通道管片開口處，通道上部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，在通道下部墻腳出現(xiàn)較大壓應(yīng)力。從聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)管片開口位置向兩側(cè)延伸，其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)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(huán)至270環(huán)管片數(shù)據(jù)，繪制各環(huán)的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力直方圖，如圖5所示。從圖5 a)可以看出，經(jīng)過鋼板加固后管片的最大拉應(yīng)力峰值1.305 MPa位于開口環(huán)的262環(huán)，聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)兩側(cè)的受損管片應(yīng)力明顯減小，其原因是開口環(huán)未形成整環(huán)閉合，存在應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致出現(xiàn)管片加固后拉應(yīng)力仍然最大；從圖5 b)可以看出，管片最小主應(yīng)力集中在260環(huán)至263環(huán)，其峰值為4.692 MPa。與管片受到的拉應(yīng)力相比，受損管片壓應(yīng)力受到的影響范圍更廣。

a) 有限差分數(shù)值模型

b) 鋼板加固shell單元 圖3 涌砂區(qū)間內(nèi)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(xué)參數(shù)

表2 盾構(gòu)隧道的支護體系物理力學(xué)參數(shù)

a) 最大拉應(yīng)力

b) 最大壓應(yīng)力

a) 最大拉應(yīng)力分布

b) 最大壓應(yīng)力分布

通過計算得到所加固區(qū)域受損管片的安全系數(shù)。鋼板加固后，盾構(gòu)管片受拉安全系數(shù)的最小值為3.8(261環(huán)管片拱底處)，該值大于TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的抗拉要求(3.6)；盾構(gòu)管片受壓安全系數(shù)最小值為4.5(263環(huán)管片邊墻靠近聯(lián)絡(luò)通道處)，其值大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的抗壓要求(2.4)。因此，鋼板加固后的管片混凝土滿足設(shè)計安全系數(shù)要求。

2.4 加固后鋼板強度分析

受損管片經(jīng)鋼板加固完成后，鋼板自身的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力云圖如圖6所示。

a) 最大拉應(yīng)力

b) 最大壓應(yīng)力

從圖6可以得到，加固鋼板的拉應(yīng)力峰值區(qū)間位于258環(huán)處，最大值為1.162 MPa；加固鋼板的壓應(yīng)力峰值位于258環(huán)處，最大值為2.084 MPa。提取1#～15#加固鋼板的最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力數(shù)據(jù)作進一步分析，得到1#～15#加固鋼板最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力曲線,如圖7～8所示。

注：262環(huán)中部的白色區(qū)域為聯(lián)絡(luò)通道開口位置。

a) 最大拉應(yīng)力分布

b) 最大壓應(yīng)力分布

從圖7和圖8可以得到，由于鋼板加固設(shè)計中聯(lián)絡(luò)通道左、右側(cè)鋼板的加固范圍不對稱，導(dǎo)致258環(huán)的加固鋼板遠離聯(lián)絡(luò)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(yīng)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(lián)絡(luò)通道開口，加固鋼板的拉、壓應(yīng)力越小。

3 受損管片鋼板加固實測效果分析

聯(lián)絡(luò)通道受損管片經(jīng)修復(fù)之后，為監(jiān)測管片的應(yīng)力變化情況，在現(xiàn)場采用預(yù)埋式JTM-V1000D型振弦式應(yīng)力計、JTM-MV20A系列智能型振弦式傳感器采集箱進行數(shù)據(jù)采集。依據(jù)現(xiàn)場的處理情況，在聯(lián)絡(luò)通道和廢水泵房施工完成且盾構(gòu)管片變形穩(wěn)定后，對該區(qū)間受損嚴重的區(qū)段管片進行加固。修復(fù)加固完成后記錄受損管片的應(yīng)力變化值，其結(jié)果如圖9所示。

a) 拉應(yīng)力

b) 壓應(yīng)力

由圖9的實際監(jiān)測值可知：受損嚴重的254環(huán)至270環(huán)管片經(jīng)過鋼板加固修復(fù)后，其拉、壓應(yīng)力均滿足管片的安全評定標準，受損管片應(yīng)力分布規(guī)律與模型模擬的規(guī)律一致，聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)(262環(huán))處的管片應(yīng)力峰值最大。

4 結(jié)語

1) 受損管片經(jīng)鋼板加固后，其最大拉應(yīng)力、最大壓應(yīng)力位于聯(lián)絡(luò)通道管片開口處，在通道上部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，在通道下部墻腳出現(xiàn)較大壓應(yīng)力。沿縱向分布的規(guī)律為：從聯(lián)絡(luò)通道盾構(gòu)管片開口位置向兩側(cè)延伸，最大拉壓力、最大壓應(yīng)力逐漸減小。

2) 受損管片修復(fù)完成后均滿足設(shè)計要求。其中:盾構(gòu)管片的受拉安全系數(shù)最小值為3.8，出現(xiàn)在261環(huán)管片拱底處；受壓安全系數(shù)最小值為4.5，出現(xiàn)在263環(huán)管片邊墻(靠近聯(lián)絡(luò)通道)處。

3) 依據(jù)設(shè)計方案修復(fù)之后，加固鋼板自身最大拉應(yīng)力峰值為1.162 MPa，位于258環(huán)處；加固鋼板最大壓應(yīng)力峰值為2.084 MPa，也位于258環(huán)處。這是由于設(shè)計中加固范圍不對稱，導(dǎo)致1#加固鋼板的拉、壓應(yīng)力普遍較大，具體施工時可適當提高較弱側(cè)的加固參數(shù)。

4) 本工程聯(lián)絡(luò)通道采用全環(huán)鋼板加固，且在聯(lián)絡(luò)通道開口處的鋼板環(huán)設(shè)計有三角鋼板塊，可有效減小聯(lián)絡(luò)通道開口環(huán)位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象。依據(jù)實測數(shù)據(jù)，所設(shè)計的鋼板修復(fù)加固方案應(yīng)用性良好。