軟土地區(qū)地鐵隧道常見病害及防治

楊偉

（綠地城市投資集團，上?！?00023）

軟土地區(qū)地鐵隧道常見病害及防治

楊偉

（綠地城市投資集團，上海200023）

地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全性與地鐵的正常運營密切相關(guān)，而地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的影響因素很多。本文以南京地鐵一號線西延線和地鐵二號線為依托，通過對地鐵隧道沉降和結(jié)構(gòu)病害的調(diào)查分析，指出地鐵隧道的結(jié)構(gòu)病害與沉降的關(guān)聯(lián)性，并提出隧道結(jié)構(gòu)變形和病害的整治措施。

地鐵工程；隧道病害；軟體地區(qū)；防治措施

當前我國許多城市的人口大量增長，交通壓力急劇增加，交通擁堵問題日益嚴重，而地鐵交通具有載客量大、速度快、不占用地面空間、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點，成為緩解大城市交通壓力的必然選擇。地鐵工程建設(shè)絕大多數(shù)工程量均為地下工程，地下工程受地基變形影響較大。從已開通運行的多條地鐵線路的病害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，許多早期運營的地鐵線路均出現(xiàn)了不同程度的不均勻沉降、裂縫、滲漏、道床隆起等病害，嚴重影響了乘坐的舒適度，甚至對地鐵的安全運行構(gòu)成威脅。盡管部分地鐵線路的管理單位花費大量的人力、物力、財力和時間進行處治工程病害問題，但當前仍沒有很好的解決方法。因此，對于地鐵隧道的病害問題，地鐵管養(yǎng)部門應(yīng)加強對地鐵線路的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)地鐵隧道的沉降變化和病害的發(fā)展問題，提出合理的治理措施，為既有地鐵工程和在建工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1　工程概況

隨著近年來城市化進程的加快，南京城市區(qū)域范圍不斷擴展。為有效銜接各個轄區(qū)，地鐵交通成為公共交通的首選，當前南京已建成6條地鐵線路，還有多條地鐵線路正在建設(shè)中。在建成的地鐵線路中，地鐵一號線于2005年建成通車，地鐵二號線于2010年建成通車，其他線路均在2014后建成通車，由于地鐵一號線和二號線建成時間稍長，在使用過程中已發(fā)現(xiàn)大量隧道結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)象，這對地鐵的行車安全構(gòu)成嚴重的威脅。

差異沉降是地鐵隧道工程最為常見的現(xiàn)象，而過大的差異沉降會引發(fā)地鐵隧道諸多病害，從地鐵一號線和二號線沿線路段沉降的測試數(shù)據(jù)可知，南京地鐵一號線和二號線部分路段出現(xiàn)了較為嚴重的差異沉降問題，從對隧道結(jié)構(gòu)病害的調(diào)查可知，地鐵隧道沉降較大的路段出現(xiàn)了較大范圍的裂縫、內(nèi)襯開裂、掉塊、滲漏等病害。大量調(diào)查數(shù)據(jù)表明，隧道的差異沉降與地質(zhì)情況、工程結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。南京地鐵一號線西延線位于長江流域的低漫灘地貌區(qū)，土質(zhì)主要為淤泥質(zhì)土和粉質(zhì)粘土，其承載力較低，在元通站、中勝站沿線路段出現(xiàn)了較大的差異沉降。南京地鐵二號線為東西走向，在東側(cè)馬群站-金馬路站區(qū)間，該地區(qū)土層主要為粉質(zhì)粘土，線路采用南北明挖施工和中間盾構(gòu)施工的形式，盾構(gòu)區(qū)間的埋深在4.4m～15m，部分區(qū)間穿越滬寧高速路基和百水河底，該路段路基加固較為復(fù)雜，隧道的局部地區(qū)出現(xiàn)了較為嚴重的沉降問題，并伴有裂縫、滲漏現(xiàn)象；其西側(cè)路段穿越長江漫灘地區(qū)，地層結(jié)構(gòu)主要為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉細沙等，地下水大量發(fā)育，并與長江、外秦淮河相連，水文條件和地質(zhì)條件均較差，這也導(dǎo)致該路段隧道差異沉降較為明顯，各類病害較多，而且曾出現(xiàn)突發(fā)性的洞門涌水涌砂險情。因此，需要對南京地鐵一號線和二號線典型區(qū)段進行病害的調(diào)查，分析病害的產(chǎn)生原因，從而提出針對性的治理措施。

2　地鐵隊道病害的現(xiàn)狀分析

2.1地鐵隊道常見病害

地鐵隧道的通車要求高，需要建設(shè)確保地鐵隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定，并建有大量的附屬設(shè)施。由于地鐵線路通常里程較長，需要穿越不同類型的土層，不同土層特性對隧道結(jié)構(gòu)的要求不同，容易引起隧道結(jié)構(gòu)的差異沉降，而隧道長期沉降會引發(fā)多種類型的隧道病害問題，如滲漏水、襯砌裂損、襯砌腐燭、襯砌凍害、道床損壞、洞門損壞和附屬建筑物損壞等，軟弱土地區(qū)地鐵隧道的差異沉降尤為顯著，其也成為當前地鐵建設(shè)工程項目研究的熱點［1］。從大量的地鐵隧道的病害調(diào)查數(shù)據(jù)來看，地鐵隧道的病害主要是由外力作用、材料劣化、材料缺陷引起，主要集中在混凝土結(jié)構(gòu)滲水、襯砌開裂和掉塊、道床脫空等幾個方面［2］。由于地鐵隧道的現(xiàn)場工程地質(zhì)條件的不同，各種病害出現(xiàn)的頻率和嚴重程度也存在一定的差異。因此，在地鐵隧道養(yǎng)護工作中，應(yīng)加強對地鐵隧道的狀體監(jiān)測，對地鐵結(jié)構(gòu)物的非正常變形預(yù)警，并采取適當?shù)念A(yù)防性養(yǎng)護措施延緩地鐵隧道病害的發(fā)生［3］。對于已產(chǎn)生病害的地鐵隧道，必須通過現(xiàn)場調(diào)查研究隧道病害的類型及成因，結(jié)合實際工程地質(zhì)條件和施工條件，及早采取合適的治理措施。

2.2地鐵隊道沉降情況

南京地鐵一號線在工程施工中預(yù)埋了沉降基標，沉降監(jiān)測系統(tǒng)的運行基本正常，少數(shù)沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障。從長期沉降監(jiān)測的統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，地鐵車站的沉降較小，而地鐵線路區(qū)間的沉降量較大，并且一號線西延線在奧體中心站到元通站、元通站到中勝站和中勝站到小行站線路區(qū)間范圍分別出現(xiàn)了2處、1處、1處較為明顯的沉降槽，最大累積沉降量超過115mm，不同路段沉降槽的沉降量差異較大，而且沉降槽的沉降量仍呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，其對地鐵隧道結(jié)構(gòu)物的影響較大，需重點研究和采取合理的技術(shù)措施。對于非沉降槽區(qū)段，地鐵線路區(qū)間的大部分路段的累積沉降量基本在50mm以下，但也發(fā)現(xiàn)一些鄰近沉降槽的路段的沉降發(fā)展較快，有與沉降槽共同沉降的趨勢。

南京地鐵二號線在東側(cè)馬群站-金馬路站區(qū)間和西側(cè)的雨潤大街站-元通站區(qū)間埋設(shè)了沉降基標進行沉降監(jiān)測，沉降監(jiān)測點采用永久性標志布設(shè)在地鐵道床的中央位置，沿線每20m設(shè)置測點，包括200個道床沉降測點和水平位移測點，可以測試地鐵線路沿線結(jié)構(gòu)物的垂直位移、車站與隧道差異沉降。隊道沉降監(jiān)測采用自動化為主、人工輔助的方式，每3個月對沉降數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。此外，對隊道沉降監(jiān)測的同時，還對地鐵隧道的直徑收斂、拱頂距道床凈距、管片接縫擠壓及全斷面變形情況進行監(jiān)測。從監(jiān)測結(jié)果來看，整個地鐵隧道監(jiān)測區(qū)間上下行行車方向的平均沉降量分別為-3.1mm和-4.0mm，相對軌后累計最大沉降量和相對運營累計最大沉降量出現(xiàn)在地鐵線路上行方向的K3+232處，相對軌后累計最大沉降量為-35.2mm，相對運營累計最大沉降量達到-18.8mm，而且隨著測試時間的推遲，整個線路監(jiān)測范圍局部測點的沉降出現(xiàn)略有增加的趨勢，特別是K3+600～K4+300路段表現(xiàn)的較為明顯，需進一步進行測試和評估沉降對地鐵結(jié)構(gòu)物的影響。

2.3地鐵隧道的病害情況

2.3.1隧道襯砌裂縫

為全面了解當前地鐵隧道的病害情況，對地鐵一號線西延線進行了現(xiàn)場病害檢測，當前整個隧道內(nèi)出現(xiàn)的各類裂縫達到1918條，裂縫類型和數(shù)量見表1。

表1　地鐵一號線西延線隧道的裂縫數(shù)量統(tǒng)計

由表1的統(tǒng)計結(jié)果可知，由于地鐵一號線西延線投入使用時間較大，而且隧道穿越軟土地區(qū)，地鐵隧道出現(xiàn)了較多的裂縫，其中環(huán)向貫通裂縫、結(jié)構(gòu)邊墻裂縫、中隔墻裂縫等三類裂縫數(shù)量占所有裂縫的90％以上，裂縫大都是兩側(cè)邊墻向拱頂延伸形成的。

結(jié)合沉降觀測的數(shù)據(jù)來看，地鐵隧道內(nèi)的裂縫中有65％的裂縫處在沉降槽內(nèi)，表明地鐵隧道的裂縫與結(jié)構(gòu)物沉降密切相關(guān)。而且全斷面貫穿裂縫幾乎全部在沉降槽，最大裂縫寬度基本在0.40mm～0.8mm，個別全斷面貫穿裂縫寬度達到0.85mm，遠超正常使用極限狀態(tài)的裂縫寬度，必須采取合理的措施進行處理。

2.3.2隧道管片裂縫

相比地鐵一號線建成10年的年限，地鐵二號線通車時間只有5年，其隧道的病害情況也略少。從對西側(cè)的雨潤大街站-元通站區(qū)間隧道內(nèi)病害的統(tǒng)計結(jié)果來看，隧道內(nèi)出現(xiàn)的各類裂縫有242條，主要為管片的裂縫，裂縫分布于區(qū)間多段范圍內(nèi)，而且上行方向的裂縫數(shù)量遠多于下行方向，上行方向有100環(huán)管片上出現(xiàn)了裂縫，而下行只有2環(huán)的管片存在裂縫。從裂縫的分布和發(fā)展情況來看，本區(qū)間管片的裂縫大都位于拱頂接觸網(wǎng)兩側(cè)，逐漸由縱向貫穿管片。為衡量隧道裂縫的發(fā)展情況，對其中15環(huán)管節(jié)的裂縫寬度變化進行了統(tǒng)計與分析，裂縫數(shù)量和寬度的變化情況見表2。

表2　15環(huán)裂縫數(shù)量和寬度的變化情況

從對其中15環(huán)裂縫的發(fā)展情況來看，有少量原寬度小于0.3mm的裂縫寬度略有增加，裂縫寬度大于1mm的裂縫數(shù)量沒有增加，表明該路段隧道的裂縫發(fā)展穩(wěn)定，但應(yīng)注意采取適當?shù)拇胧┓乐沽芽p的進一步擴展引發(fā)滲漏問題。

此外，在病害調(diào)查中還發(fā)現(xiàn)地鐵二號線西側(cè)隧道的內(nèi)襯局部區(qū)域出現(xiàn)斑點，大部分螺栓出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，需要采取適當?shù)玫酱胧┻M行恢復(fù)。而地鐵二號線東側(cè)馬群站-金馬路站區(qū)間的拱頂、拱腰也出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度大都在1.0mm～0.3mm，非滲漏管片中，在123環(huán)管節(jié)的裂縫寬度達到3.0mm，129環(huán)管節(jié)的裂縫最大深度為13.8cm，而且127環(huán)管節(jié)的裂縫以出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。

2.3.3隧道裂縫的滲漏

從地鐵一號線和地鐵二號線的滲水情況觀測發(fā)現(xiàn)，當前地鐵隧道內(nèi)總體保持干燥狀態(tài)，滲漏現(xiàn)象較少，滲漏情況變化相對穩(wěn)定。有部分裂縫存在濕縫現(xiàn)象，特別是環(huán)縱縫口部位較為潮濕，但未出現(xiàn)滴水。但也有少量裂縫在拱頂未出現(xiàn)滴漏，而在隧道腰部以下部位出現(xiàn)滲漏，滲漏較為嚴重的是在一號線西延線沉降槽附近的幾處裂縫和二號線東側(cè)K3+232處附近的環(huán)向貫通裂縫。

2.3.4隧道道床情況

當前地鐵一號線和二號線的隧道道床均未出現(xiàn)嚴重的病害問題，也未因此引起列車的安全事故。從對地鐵隧道道床病害的調(diào)查來看，監(jiān)測區(qū)間范圍內(nèi)地鐵隧道道床相對穩(wěn)定，縱向施工縫基本未出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，只有兩處管片與道床結(jié)合部的縱向施工縫出現(xiàn)輕度的剝離。地鐵二號線西側(cè)線路的局部區(qū)域滲漏，導(dǎo)致道床兩側(cè)及水溝內(nèi)存在少量淤泥滯留現(xiàn)象，在對淤泥清理后有少量地下水滲漏通過道床伸縮縫滲出，需要采取合理的措施進行堵漏。

3　地鐵隊道病害整治對策

3.1隊道結(jié)構(gòu)的變形分析

地鐵隧道的大部分病害都與隧道結(jié)構(gòu)的沉降有關(guān)，而地鐵隧道沿線的土體性質(zhì)、土層分布、施工工藝、地面荷載、隧道滲漏水和周邊工程施工均導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)的沉降［4］。地鐵一號線西延線地面荷載、周邊建筑施工對沉降的影響均較小，導(dǎo)致該路段產(chǎn)生沉降的主要原因是地質(zhì)問題。該地區(qū)分布大量的軟弱土層，軟弱土層在運營荷載、施工擾動的影響下，土體沉降會加劇發(fā)展，導(dǎo)致地鐵隧道的累積沉降量較大，隧道結(jié)構(gòu)物作為剛性體，無法與土體協(xié)同變形，極易導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的開裂，進而引起多種病害問題。地鐵二號線東側(cè)隧道沿線地質(zhì)情況良好，但局部路段存在突變的沉降變形和多種隧道病害問題，調(diào)查表明該路段地鐵隧道的非正常變形是由于隧道上方堆積大量的外來工程棄土，土體高度達14m，導(dǎo)致土體的變形急劇增加，并引起了隧道結(jié)構(gòu)的破壞。地鐵二號線西側(cè)隧道局部路段也存在較大的沉降和隧道結(jié)構(gòu)病害，調(diào)查表明其與隧道周邊的工程施工相關(guān)，周邊土建工程基坑的開挖對隧道周圍土體產(chǎn)生較大擾動和土體內(nèi)部受力特性的改變，引起了地鐵隧道結(jié)構(gòu)物的開裂，同時基坑蓄水水位的變化，引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)的滲水和漏沙，加劇地鐵隧道結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展。

3.2地鐵隧道病害的整治措施

地鐵隧道的過大沉降和不均勻沉降是引起隧道結(jié)構(gòu)病害的重要原因。對于地鐵隧道沉降的處治，應(yīng)根據(jù)沉降引起的原因采取有針對性的病害處治措施［5］。地鐵一號線西延線的地鐵隧道沉降主要是由于軟土的自身變形引起，在對地鐵隧道裂縫的修復(fù)中應(yīng)對結(jié)構(gòu)沉降進行控制，可在隧道外墻與圍護樁之間采用旋噴樁進行加固，可避免破壞隧道的施工縫，沉降監(jiān)測的測試結(jié)果表明該方法具有良好的加固效果，使軟土路段的隧道沉降趨于穩(wěn)定。對于地鐵隧道該路段的裂縫病害，不滲水的微裂縫采用水泥漿或環(huán)氧樹脂砂嵌補，可能引起滲漏水的裂縫根據(jù)寬度的不同分別采用不同的措施。對于寬度較小的裂縫（＜0.3mm）可暫時不處理或采用無機水性高滲透性密封劑涂刷，并進一步觀測其擴展狀況；對于寬度較大的裂縫（＞1.0mm）可采用較細的研磨水泥灌裝處理；而裂縫寬度為0.3mm～1.0mm的裂縫可先采用灌注水泥漿堵漏、再涂刷有機膠乳的方式進行封閉。

地鐵二號線東側(cè)地鐵隧道的異常沉降主要是由于地面覆土過厚導(dǎo)致，該路段地鐵隧道結(jié)構(gòu)的修復(fù)必須先清除地面的覆土至設(shè)計的荷載水平，然后采用鋼環(huán)加固變形量較大（＞1.15D）的管片，變形量小于1.15D的管節(jié)采用粘貼芳綸布的方法進行加固。對于管片環(huán)向的裂縫，采用在拱頂灌注剛性環(huán)氧樹脂、兩側(cè)灌注彈性環(huán)氧樹脂的方式進行封閉。地鐵隧道結(jié)構(gòu)加固完成后，再進行管線修復(fù)、管片修補和道床水溝恢復(fù)的工作。地鐵二號線西側(cè)地鐵隧道的沉降主要是由于周邊的工程施工導(dǎo)致，需要采取注漿方法加固地基，并進行保護性監(jiān)測，對于破壞嚴重的管節(jié)可采用鋼環(huán)加固，保持地鐵隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。對于未產(chǎn)生滲漏的裂縫，可采用地鐵一號線西延線的處治方法，而已經(jīng)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象的裂縫，應(yīng)先清除縫內(nèi)的泥土，并采用柔性環(huán)氧或水溶性聚氨酯漿材進行封堵，已經(jīng)銹蝕的螺栓應(yīng)清除銹跡并進行防銹處理。

4　結(jié)語

影響地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的因素眾多，本文結(jié)合南京地鐵一號線和二號線出現(xiàn)的病害問題進行分析，得出如下結(jié)論：

4.1通過調(diào)查分析可知，地鐵一號線西延線的過大沉降是由于軟土自身變形引起，而二號線的非正常沉降是由于地面覆土多厚和周邊工程施工引起的。

4.2對于地鐵隧道軟土地基的加固，采用在隧道外墻與圍護樁之間進行旋噴樁處理的方法具有良好的效果。

4.3對于破壞較為嚴重的隧道管節(jié)，可采用鋼環(huán)進行加固，而地鐵隧道內(nèi)部的裂縫可根據(jù)裂縫寬度的不同采取不同的封閉措施。

4.4地鐵隧道結(jié)構(gòu)的病害大都由于差異沉降引起，在地鐵運營過程中，應(yīng)加強隧道結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測，有助于及時發(fā)現(xiàn)問題和采取應(yīng)對措施。

［1］葉耀東，朱合華，王如路.軟土地鐵運營隧道病害現(xiàn)狀及成因分析［J］.地下空間與工程學(xué)報，2007（1）：76-79.

［2］趙振江，喬小雷.地鐵隧道整體道床病害機理及防治措施［J］.城市軌道交通研究，2014，17（12）：98-100.

［3］石太偉.某地鐵盾構(gòu)隧道破損機理分析及加固設(shè)計［J］.鐵道標準設(shè)計，2014（6）：116-119.

［4］劉涌濤.廣州地鐵一號線暗挖區(qū)間隧道整治［J］.鐵道建筑，2006（8）：52-54.

［5］許少平.隧道監(jiān)測對地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全的重要性［J］.建筑安全，2012，27（6）：40-42.

楊偉（1979.6-）男，本科，工程師，研究方向：軌道交通投資建設(shè)管理。

U455.43；U456.3

文章編號：1003-5168（2015）-12-0151-3