羅昭明;董志超

【摘 要】某地鐵區(qū)間隧道挖掘貫通后,受后續(xù)施工的影響,產(chǎn)生了較大變形與位移,并導(dǎo)致管片錯(cuò)臺(tái)、破損與局部開(kāi)裂. 為避免隧道的進(jìn)一步損壞以及確保盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)安全,需對(duì)隧道管片進(jìn)行修復(fù)處理. 在分析該區(qū)域地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,經(jīng)多方案比較,決定采用鋼板內(nèi)襯加固的方式對(duì)破損管片進(jìn)行修復(fù). 對(duì)鋼板內(nèi)襯加固所涉及的凈空復(fù)核、管片受力復(fù)核、裂縫處理及環(huán)片加固等技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)了詳細(xì)論述. 工程實(shí)踐表明,鋼板內(nèi)襯加固的方式效果良好,可供類似工程修復(fù)問(wèn)題借鑒.%After the excavation of a metro tunnel, affected by subsequent construction, the surrounding rock mass has large de-formation and displacement, causing the dislocation, breakage and local cracking of the shield segment. To avoid further damage to the tunnel and ensure the operation safety of the shield tunnel, the shield segment should be repaired. On the basis of analy-zing the geological conditions in construction area, and through comparing the schemes, the inner steel lining reinforcement was adopted to repair the shield segment. The technical problems such as the clearance checking, review of internal force of segment pieces, crack treatment and ring reinforcement were discussed. The engineering practices show that the effect of inner steel lining reinforcement is satisfied, which can be recommended in other similar projects. 【期刊名稱】《人民長(zhǎng)江》 【年(卷),期】2015(046)024

【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P59-62,93)

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)隧道;管片修復(fù);鋼板內(nèi)襯;地鐵工程 【作 者】羅昭明;董志超

【作者單位】長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010;長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430010 【正文語(yǔ)種】中 文 【中圖分類】U455.43

隨著城市地鐵及相關(guān)市政工程的大規(guī)模建設(shè)，盾構(gòu)隧道在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也越來(lái)越多。絕大多數(shù)的盾構(gòu)隧道采用單層襯砌結(jié)構(gòu)，因此一旦盾構(gòu)隧道管片發(fā)生變形、破損，修復(fù)較為困難。某工程盾構(gòu)隧道掘進(jìn)后，管片受后續(xù)施工的影響，發(fā)生明顯位移與變形，導(dǎo)致管片破損嚴(yán)重而需進(jìn)行修復(fù)。本文以該工程實(shí)例為基礎(chǔ)，對(duì)管片修復(fù)的相關(guān)技術(shù)問(wèn)題展開(kāi)較為詳細(xì)的闡述，為類似工程施工提供參考。 1 工程概況

某地鐵區(qū)間右線隧道于2012年7月7日貫通，2012年12月28日準(zhǔn)備進(jìn)行車站端頭的后澆洞門(mén)環(huán)梁施工時(shí)，在拆除0環(huán)管片后發(fā)生漏水涌砂現(xiàn)象(約80 m3)，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)間的609～614環(huán)共6環(huán)盾構(gòu)管片出現(xiàn)較大變形及錯(cuò)臺(tái)。

管片破損位置見(jiàn)圖1，其中左線隧道已于先期施工完畢，左右線隧道中心距14 m，凈距8．0 m。管片破損區(qū)域緊鄰端頭加固區(qū)，該區(qū)域地勢(shì)較為平坦，地表為魚(yú)塘。隧道斷面為單線圓形隧道，管片外徑6．0 m，內(nèi)徑5．4 m，全環(huán)由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊共6塊管片組成。管片厚度為0．3 m，環(huán)寬1．5 m，管片的環(huán)與環(huán)、塊與塊間均以M27(機(jī)械性能為8．8級(jí))彎螺栓連接，采用錯(cuò)縫拼

裝。

圖1 管片破損位置示意(單位:mm)

隧道穿越地層主要為 (3-5)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層、(4-1)粉細(xì)砂。(3-5)粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層為灰～灰褐色，粉質(zhì)黏土呈軟～可塑狀，粉土呈中密狀，粉砂呈松散狀，各單層厚度約0．5～1．0 m。該層物理力學(xué)性質(zhì)各向異性明顯，強(qiáng)度一般，壓縮性中等，含有過(guò)渡型孔隙承壓水，對(duì)施工不利。(4-1)粉細(xì)砂為灰色，含石英、云母，局部夾薄層粉土或粉質(zhì)黏土，呈飽和、稍密狀態(tài)，強(qiáng)度尚可，壓縮性中～低，該層中賦存的孔隙承壓水對(duì)盾構(gòu)隧道修復(fù)施工不利。 2 盾構(gòu)管片受損情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，管片接頭處邊角混凝土有擠碎現(xiàn)象，主要出現(xiàn)在608，609，614和615環(huán)管片的各螺栓孔位置，缺損塊尺寸平均約300 mm×80 mm×50 mm，且局部螺栓屈服、拉出，如圖2所示。 圖2 螺栓屈服、拉出

發(fā)現(xiàn)變形后，立即對(duì)隧道拱頂、仰拱、水平直徑方向左右兩點(diǎn)的坐標(biāo)與高程以及管片間的錯(cuò)臺(tái)進(jìn)行了測(cè)量，管片變形后的橢圓度與錯(cuò)臺(tái)量如表1所示。 表1 管片橢圓度及錯(cuò)臺(tái)量images/BZ_428_197_2027_11_2127.png608 57 53 2 131 70 609 小里程5581小里程5307 4大里程 556里程 5304 38 31 610 小里程5568小里程5297 4大里程 5里程 52 42 24 611 小里程5550小里程5271 5大里程 51大里程 5272 5 1 612 小里程5596小里程5268 5大里程 5569大里程 5255 10 5 613 小里程5567小里程5240 5大里程 5571大里程 5244 46 43 614 小里程5583小里程5247 5大里程 5574大里程 5250 160 47 615 75 5363 2

裂縫檢測(cè)結(jié)果表明，611環(huán)管片在A3塊有4條裂縫、612環(huán)管片在A1塊有2條裂縫、613環(huán)管片在B2塊有4條裂縫，裂縫寬度在0．1～1．75 mm之間，且

每塊管片都有一條沿深度方向的貫穿裂縫。強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果表明管片混凝土強(qiáng)度值均滿足設(shè)計(jì)要求。 3 修復(fù)方案比選

根據(jù)盾構(gòu)隧道管片的損壞情況，提出了以下3種修補(bǔ)方法:第一種是在管片內(nèi)側(cè)設(shè)置鋼環(huán)片來(lái)對(duì)管片進(jìn)行加固(鋼片內(nèi)襯);第二種方法是對(duì)地層加固后采用暗挖法對(duì)已破損管片進(jìn)行替換(暗挖法);第三種方法是從地面采用明挖，對(duì)破損管片區(qū)進(jìn)行重新施工(明挖法)。這3種方法的優(yōu)劣對(duì)比如表2所示。

表2 隧道修復(fù)方法優(yōu)劣比較images/BZ_428_1288_903_2280_970.png方案1 較容易 安全 3個(gè)月方案2 較困難 風(fēng)險(xiǎn)較高 4個(gè)月方案3 較困難 較安全 8個(gè)月

方案1需要對(duì)隧道凈空進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算與復(fù)核，并且鋼環(huán)片施工需要保證精度，后期地鐵運(yùn)營(yíng)過(guò)程中如再發(fā)生變形則易造成凈空不足，影響行車安全;方案2需先對(duì)已破損隧道周邊地層進(jìn)行加固，其加固施工易對(duì)左線隧道產(chǎn)生不利影響，且暗挖施工風(fēng)險(xiǎn)較大;方案3工藝成熟、風(fēng)險(xiǎn)小，且后期施工隧道襯砌質(zhì)量好，但造價(jià)高、工期長(zhǎng)，不滿足年底通車的要求。經(jīng)綜合考慮，決定采用方案1對(duì)破損管片進(jìn)行修復(fù)。

4 鋼環(huán)片內(nèi)襯修復(fù)方法介紹

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果可知，該工程中管片加固范圍為600～620環(huán)，其中608，609，614與615環(huán)為錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重區(qū)，610～613環(huán)為變形嚴(yán)重區(qū)，600～607環(huán)、616～620環(huán)為輕微影響區(qū)。

鋼環(huán)片內(nèi)襯修復(fù)主要按凈空復(fù)核、管片受力復(fù)核、管片破損與裂縫處理、鋼環(huán)片加固等幾個(gè)步驟進(jìn)行。 4．1 凈空復(fù)核

變形后的隧道應(yīng)滿足限界要求，按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，增加鋼板內(nèi)襯后設(shè)備限界至側(cè)

壁的距離滿足規(guī)范要求(大于200 mm)，因此，修復(fù)前對(duì)線路進(jìn)行了調(diào)坡處理(下調(diào)10 cm/15 cm)，保證鋼板內(nèi)襯后設(shè)備限界至側(cè)壁有204 mm/251 mm的距離。608環(huán)主要破損區(qū)的凈空復(fù)核如圖3所示。 4．2 管片受力復(fù)核 4．2．1 計(jì)算模型與參數(shù)

為驗(yàn)算鋼環(huán)片內(nèi)襯補(bǔ)強(qiáng)后管片的受力情況，采用有限元軟件Ansys進(jìn)行三維計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)分析采用地層-結(jié)構(gòu)計(jì)算模式，計(jì)算模型如圖4所示，共包含12 700個(gè)單元，14 2個(gè)節(jié)點(diǎn)。

本次計(jì)算選擇變形最大的第613環(huán)(橢圓度按5%進(jìn)行計(jì)算)，盾構(gòu)管片及鋼板內(nèi)襯均采用實(shí)體單元來(lái)模擬，其中盾構(gòu)管片厚度為300 mm，鋼板內(nèi)襯厚度為30 mm，管片和鋼板均采用橫軸5 567 mm，豎軸5 240 mm的橢圓進(jìn)行實(shí)體建模，盾構(gòu)管片內(nèi)側(cè)與鋼板外側(cè)共用相同的節(jié)點(diǎn)，兩者共同受力共同變形，以此來(lái)模擬混凝土管片與鋼板之間的疊合作用。

對(duì)于管片裂縫，要求在鋼板加固前采用灌注環(huán)氧樹(shù)脂漿液的方法進(jìn)行處理，因此本次計(jì)算時(shí)假定管片為連續(xù)體。

圖3 608環(huán)主要破損區(qū)凈空復(fù)核(單位:mm) 圖4 數(shù)值模型

計(jì)算所取參數(shù)仍采用詳堪報(bào)告中的建議值(詳見(jiàn)表3)，其中土體泊松比根據(jù)側(cè)壓力計(jì)算得到，ν=K0/(1+K0);彈性模量根據(jù)壓縮模量換算得到，Eo=βEs，其中 β =1-2ν2/(1- ν);混凝土管片及鋼板內(nèi)襯的相關(guān)計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表3 土層計(jì)算參數(shù)表地層編號(hào)及巖土名稱飽和重度γat/(kN·m-3)內(nèi)聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)fak/kPa Es MPa靜止側(cè)壓力系數(shù)K0水平基床系數(shù)K'/(MPa·m-1)垂直基床系數(shù)K(MPa·m-1)滲透系數(shù)/(cm·s-1)16．5 7 5 50 2．5 0．72 6 3 2．0E-6(3-1)黏土 19．1 20 11 1205．5 0．43 40 20 6．0E-7(3-2)粉質(zhì)黏

土 17．1 12 5 70 3．2 0．53 20 10 1．9E-7(3-5)粉質(zhì)黏土、17．7 12 13 110 7．0 0．43 24 12 1．4E-2 18．8 0 28 155 13．5 0．40 24 12 19．0 0 33 200 18．0 0．38 36 18粉土、粉砂互層(1-3)淤泥(4-1)粉細(xì)砂(4-2)粉細(xì)砂

表4 混凝土管片及鋼板內(nèi)襯計(jì)算參數(shù)混凝土等級(jí)混凝土容重γc/(N·m-3)混凝土彈模Ec/MPa混凝土泊松比νc鋼板內(nèi)襯鋼板容重γs/(N·m-3)鋼板彈模Es/MPa鋼板泊松比νsimages/BZ_429_1284_5_2284_594.png 4．2．2 計(jì)算結(jié)果

混凝土管片的第一主應(yīng)力σ1、第三主應(yīng)力σ3分布如圖5和圖6所示，從圖中可以看出，整個(gè)盾構(gòu)管片大部分位置處于受壓狀態(tài)，只是在拱腰外側(cè)及拱底內(nèi)側(cè)出現(xiàn)局部的拉應(yīng)力，其中第一主應(yīng)力為-0．8～11．6 MPa，第三主應(yīng)力為 -14 ～0．28 MPa。

圖5 混凝土管片σ1分布 圖6 混凝土管片σ3分布

根據(jù)上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，按截面將應(yīng)力積分轉(zhuǎn)化為內(nèi)力值(彎矩、軸力)，結(jié)果如表5所示。利用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)管片內(nèi)力進(jìn)行配筋與裂縫驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果表明，管片受力滿足要求。

表5 混凝土管片內(nèi)力值軸力N/kN 0°(拱頂) 97．57 1173．86 180°(拱底) 111．20 1367．74 90°(拱腰) 110．11 739．19 270°(拱腰) 109．75 735．20位置 彎矩M/(kN·m)軸力N/kN 位置 彎矩M/(kN·m)

鋼板內(nèi)襯的第一主應(yīng)力σ1、第三主應(yīng)力σ3分布如圖7和8所示，從圖中可以看出，鋼板內(nèi)襯第一主應(yīng)力 σ1為 -0．3 ～40．7 MPa，第三主應(yīng)力 σ3為 -55．9 ～-0．55 MPa，小于 Q345鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值295 MPa，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

圖7 鋼板內(nèi)襯σ1分布 圖8 鋼板內(nèi)襯σ3分布 4．3 管片破損與裂縫處理

混凝土管片的破損與裂縫可能產(chǎn)生滲漏，甚至影響結(jié)構(gòu)的耐久性，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)處理。對(duì)于管片破損位置，先鑿除破碎混凝土，然后再用環(huán)氧水泥砂漿修補(bǔ);而對(duì)于裂縫，處理方式如下所述。

(1)用鋼絲刷和砂輪仔細(xì)清理裂縫兩側(cè)各30 mm的表面。 (2)清除油污、松動(dòng)混凝土、浮塵，確保裂縫清晰。

(3)選擇和確認(rèn)混凝土裂縫上的注漿點(diǎn)(原則上要求相鄰兩個(gè)注漿點(diǎn)的間距不超過(guò)裂縫本身的深度)，預(yù)定注漿點(diǎn)間距為300 mm。

(4)沿裂縫開(kāi)鑿寬和深各40 mm的“V”型槽。沖洗干凈后，埋設(shè)注漿管嘴，然后在槽內(nèi)涂刷樹(shù)脂基液。

(5)待基液開(kāi)始初凝時(shí)，沿裂縫走向60 mm范圍內(nèi)用抹刀刮抹SD環(huán)氧粘合劑，盡量一次完成。

(6)采用低壓灌注DP40環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行注漿，注漿順序?yàn)橛傻偷礁?、一?cè)向另一側(cè)逐漸靠近。 4．4 鋼環(huán)片加固

錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重的608，609，614與615環(huán)采用三環(huán)厚度30 mm，環(huán)寬600 mm和1 200 mm的鋼板進(jìn)行加固，中間鋼板內(nèi)襯環(huán)采用環(huán)寬1 200 mm的鋼板進(jìn)行騎環(huán)縫設(shè)置，具體加固剖面如圖9所示;變形嚴(yán)重的610～613環(huán)采用厚30 mm，環(huán)寬1 200 mm的鋼板進(jìn)行整環(huán)加固，鋼板內(nèi)襯非騎環(huán)縫設(shè)置;影響較小的600～607環(huán)，616～620環(huán)采用厚20 mm，環(huán)寬1 200 mm的鋼板進(jìn)行整環(huán)加固，鋼板內(nèi)襯非騎環(huán)縫設(shè)置。

圖9 錯(cuò)臺(tái)嚴(yán)重管片鋼板內(nèi)襯加固剖面(單位:mm)

鋼板沿襯砌環(huán)內(nèi)弧面布置，形成鋼圈。鋼板內(nèi)襯分6塊制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝，選用Q235B級(jí)鋼材。鋼板與管片內(nèi)弧面緊貼，間隙采用環(huán)氧樹(shù)脂填充密實(shí)。鋼板內(nèi)襯分塊長(zhǎng)度根據(jù)施工工藝作調(diào)整，確保鋼板內(nèi)襯通縫拼裝。

鋼板內(nèi)襯采用M16不銹鋼內(nèi)膨脹螺栓固定在管片上，膨脹螺栓位置應(yīng)避開(kāi)管片鋼筋，鉆孔深入管片100 mm。沿襯砌內(nèi)弧面以鋼板內(nèi)襯作加固時(shí)，鋼板內(nèi)襯頂部及底部應(yīng)預(yù)設(shè)壓環(huán)氧樹(shù)脂的進(jìn)漿孔和出漿孔，鋼板內(nèi)襯加固圓環(huán)如圖10所示。 圖10 鋼板內(nèi)襯加固圓環(huán)

對(duì)于管片與鋼圈之間的空隙，在鋼圈加固作業(yè)前用高強(qiáng)度混凝土掛網(wǎng)填充(600～607環(huán)、616～620環(huán)除外)，并與鋼板外側(cè)預(yù)留10 mm間隙，鋼圈加固后，采用剛性環(huán)氧漿液填充。 5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某地鐵工程盾構(gòu)隧道管片破損的情況，在分析該區(qū)域地質(zhì)條件和施工進(jìn)度的基礎(chǔ)上，經(jīng)仔細(xì)比選，最后采用鋼板內(nèi)襯的方法進(jìn)行修復(fù)，介紹了修復(fù)過(guò)程所涉及的凈空復(fù)核、管內(nèi)受力復(fù)核、裂縫處理及環(huán)片加固等技術(shù)難題。目前，該區(qū)間隧道已順利運(yùn)營(yíng)近2 a，表明本文所介紹的鋼板內(nèi)襯加固破損盾構(gòu)管片法是安全可靠的，為今后類似工程的順利實(shí)施提供了參考。