淺談地鐵盾構(gòu)隧道的耐久性設(shè)計(jì)

中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司 天津 300133

摘要：隨著中國(guó)城市化的發(fā)展，城市軌道交通在我國(guó)各大城市交通中發(fā)揮著越來越重要的作用。作為“百年工程”，城市軌道交通的耐久性設(shè)計(jì)是必須要考慮的問題。文章結(jié)合地鐵盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)體系及構(gòu)造特點(diǎn)，根據(jù)目前傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，總結(jié)了耐久性設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，并引述國(guó)內(nèi)出現(xiàn)的改善耐久性的新工法。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道；耐久性設(shè)計(jì)；環(huán)境類別和作用等級(jí)；管片制作；構(gòu)造措施

0.引言

隨著國(guó)家城市化進(jìn)程的加快，傳統(tǒng)道路交通的低利用率以及結(jié)構(gòu)性缺陷等原因，已無法滿足現(xiàn)代都市的交通需求。交通擁堵造成的生活不便、環(huán)境污染、城市運(yùn)營(yíng)成本增加等一系列問題，是政府普遍面臨的難題，到目前為止，城市軌道交通是長(zhǎng)久解決交通擁堵的較好方案，已成為各中大型城市爭(zhēng)先發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，至2014年末，我國(guó)累計(jì)有19個(gè)城市建成地鐵運(yùn)營(yíng)里程2539km，預(yù)計(jì)到2020年全國(guó)擁有軌道交通的城市將達(dá)到50個(gè)，屆時(shí)我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將超過6000km，也就是說未來幾年城市軌道交通的建設(shè)將保持高速增長(zhǎng)。

現(xiàn)行《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50157-2013）規(guī)定了地鐵主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期（使用年限）為100年，對(duì)于地鐵這類投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、質(zhì)量要求高的“百年工程”，其地下結(jié)構(gòu)耐久性至關(guān)重要，這一要求在工程設(shè)計(jì)和施工中如何具體反映和體現(xiàn)，是目前工程界人士日益關(guān)注的問題。

地鐵盾構(gòu)隧道與巖土、地下水等介質(zhì)緊密接觸，并不斷受到侵蝕，并且要承受疲勞、超載、地震等外來作用，同時(shí)結(jié)構(gòu)所用材料自身的性能也會(huì)不斷退化，從而使隧道各部分產(chǎn)生不同程度的損傷和劣化，產(chǎn)生一系列危害（如隧道漏水、變形過大、差異沉降、裂損、坍塌等）。例如上世紀(jì)70年代建成的香港地鐵部分區(qū)間隧道，運(yùn)營(yíng)20年之后發(fā)現(xiàn)內(nèi)排鋼筋銹蝕，導(dǎo)致混凝土保護(hù)層剝落，影響到運(yùn)營(yíng)安全及使用壽命。香港地鐵花費(fèi)了大量資金，在不影響正常運(yùn)營(yíng)的前提下，利用夜間停運(yùn)的短暫幾個(gè)小時(shí)，采用超高壓水刀鏟除內(nèi)排鋼筋及其保護(hù)層，然后噴鋼纖維混凝土（植筋）后再添扎內(nèi)排鋼筋，用聚合物混凝土補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)；國(guó)內(nèi)地鐵區(qū)間隧道、過江隧道等一些地下工程也遇到了類似問題。地鐵建設(shè)資金投入大，后期維修、改建困難，因此對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性要求更高。本文就地鐵盾構(gòu)隧道耐久性設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述。

1.地鐵盾構(gòu)隧道耐久性的影響因素分析

國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道一般采用預(yù)制平板型鋼筋混凝土管片，混凝土結(jié)構(gòu)埋置于地下巖土中，同時(shí)受到地下水或其它侵蝕性介質(zhì)的影響，其耐久性影響因素存在較大的復(fù)雜性和不確定性，主要因素包括如下幾個(gè)方面：

（1）環(huán)境因素，包括巖土、隧道內(nèi)外部溫濕度、地下水、CO2、特殊離子環(huán)境、侵蝕性物質(zhì)環(huán)境、雜散電流等。

（2）材料因素，包括水泥品種、水膠比、摻合料、外加劑、螺栓的耐腐蝕性、密封墊的耐久性、防腐涂料等。

（3）結(jié)構(gòu)因素，包括結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造、應(yīng)力狀態(tài)及水平、裂縫程度、不均勻沉降、砂層液化、外荷變化、地震作用、爆炸沖擊波等。

（4）施工因素，管片的生產(chǎn)、運(yùn)輸及安裝過程中引起的管片損壞，現(xiàn)場(chǎng)尤其以管片拼裝時(shí)碰撞、管片就位與盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)不一致、盾構(gòu)糾偏時(shí)管片頂力分布不均勻最容易造成管片缺棱掉角，甚至管片崩裂；另外，管片拼裝后的同步注漿分布，能否有效形成管片背后的保護(hù)圈，也對(duì)管片耐久性至關(guān)重要。

地下工程具有工程前期投資大、工程隱蔽性強(qiáng)、后期修復(fù)困難等特點(diǎn)，一旦耐久性出現(xiàn)問題，一是難以發(fā)現(xiàn)，日積月累，釀成重大安全事故；二是即使發(fā)現(xiàn)，也不得不花費(fèi)大量的資金去修復(fù)加固。要提高地鐵盾構(gòu)隧道的耐久性能，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、使用管理等方面綜合考慮，針對(duì)各種影響耐久性的因素采取相應(yīng)的措施。作為工程設(shè)計(jì)人員，設(shè)計(jì)之初就應(yīng)當(dāng)引入耐久性的概念，加強(qiáng)對(duì)盾構(gòu)隧道預(yù)制管片、接頭螺栓、密封墊等部位的保護(hù)，切實(shí)做到降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用及增加工程使用壽命。

2.地鐵盾構(gòu)隧道耐久性設(shè)計(jì)方法和內(nèi)容

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)可分為傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法和定量計(jì)算方法。目前定量計(jì)算方法主要應(yīng)用在特殊工程、教學(xué)科研上，尚未達(dá)到在工程中普遍應(yīng)用的程度。國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所采用的仍然是傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)方法或改進(jìn)的傳統(tǒng)方法，即將環(huán)境作用按其嚴(yán)重程度定性地劃分成幾個(gè)作用等級(jí)，在工程經(jīng)驗(yàn)類比的基礎(chǔ)上，對(duì)于不同環(huán)境作用等級(jí)下的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件，由規(guī)范直接規(guī)定混凝土材料的耐久性質(zhì)量要求和鋼筋保護(hù)層厚度等構(gòu)造要求。

對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道，耐久性設(shè)計(jì)主要依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）、《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB/T50476-2008）進(jìn)行，同時(shí)要滿足城市軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》（CJJ49-92）中對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。歸納起來，地鐵隧道的耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容：

（1）明確結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限、環(huán)境類別和作用等級(jí)，作為開展耐久性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）提出混凝土原材料品質(zhì)、配合比及耐久性指標(biāo)要求，作為施工階段檢測(cè)和驗(yàn)收的依據(jù)。

（3）明確混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制要求，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和后期維護(hù)的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）采用有利于減輕環(huán)境作用的結(jié)構(gòu)形式、布置和構(gòu)造，如結(jié)構(gòu)尺寸、保護(hù)層厚度要求等。

（5）針對(duì)嚴(yán)重環(huán)境作用，采取防腐蝕附加措施或多重防護(hù)策略。

（6）對(duì)于地鐵隧道，需要考慮雜散電流的腐蝕，采取針對(duì)性的防護(hù)措施。

（7）提出耐久性所需的施工質(zhì)量控制要求和驗(yàn)收要求。

（8）提出結(jié)構(gòu)使用階段的維護(hù)與檢測(cè)要求。

3.環(huán)境類別和作用等級(jí)

按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先需要明確環(huán)境類別和作用等級(jí)。目前，國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)于環(huán)境類別定義存在差異，按《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》，地鐵隧道處于無凍融、無海洋氯化物、無化學(xué)腐蝕的條件下，腐蝕機(jī)理為混凝土碳化引起的鋼筋銹蝕，環(huán)境類別為一般環(huán)境（I類）。

對(duì)于一般環(huán)境，判別環(huán)境作用等級(jí)時(shí)，需要考慮的環(huán)境因素主要是濕度（水）、溫度、CO2與O2的供給程度。如圖1所示，由于地鐵隧道長(zhǎng)期埋置于地下水位以下，外側(cè)與水和土壤直接接觸，可按永久的靜水浸沒環(huán)境考慮，環(huán)境作用等級(jí)為I-B。對(duì)于隧道內(nèi)側(cè)，一般按非干濕交替的室內(nèi)潮濕環(huán)境考慮，環(huán)境作用等級(jí)為I-B。也有觀點(diǎn)認(rèn)為，地鐵隧道內(nèi)側(cè)處于干濕交替環(huán)境中，管片厚度不大，臨水面也無防護(hù)層，且常有結(jié)露水，環(huán)境作用等級(jí)應(yīng)為I-C。由于地鐵隧道內(nèi)存在地下水滲漏情況，隨著隧道內(nèi)溫度和通風(fēng)條件的變化，隧道內(nèi)的濕度也隨之改變，但是否達(dá)到干濕交替的程度，目前還沒有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為依據(jù)。另一方面，目前的規(guī)范對(duì)干濕交替僅作定性的規(guī)定，未明確定量的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，建議針對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道內(nèi)的溫度、濕度及其變化情況，在一定時(shí)期內(nèi)（如一年）進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，為判斷地鐵隧道內(nèi)環(huán)境作用等級(jí)提供依據(jù)。

圖1 地鐵隧道環(huán)境作用示意圖

4.預(yù)制管片的材料選擇及制作

盾構(gòu)隧道耐久性的關(guān)鍵是混凝土材料的制備及預(yù)制混凝土管片的制作?；炷恋臐B透性影響著水和侵蝕性介質(zhì)在混凝土中的傳輸速率及聚集效應(yīng)，因此提高混凝土的抗?jié)B性是改善其耐久性的重點(diǎn)。根據(jù)目前工程經(jīng)驗(yàn)，可通過提高混凝土密實(shí)度、降低水膠比至0.35以下、減少水泥用量至130kg/m3以下、摻入活性礦物摻和料等措施，且保證管片的混凝土保護(hù)層有足夠的厚度，可有效阻止外部侵蝕性介質(zhì)滲透至鋼筋表面，避免鋼筋銹蝕，從而大幅度提高管片的耐久性。

另外，可在管片外部涂刷防腐涂料，隔絕或減輕地下水及侵蝕性介質(zhì)與管片的接觸，減少各種化學(xué)腐作用；特殊條件下，可摻入鋼筋阻銹劑，促使鋼筋表面的氧化物鈍化膜趨于穩(wěn)定，使整個(gè)鋼筋被鈍化膜包裹，從而起到抑制鋼筋銹蝕的作用。

目前國(guó)內(nèi)地鐵盾構(gòu)隧道，提出了雙層襯砌理念，即在單層預(yù)制管片襯砌的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)側(cè)，增加一層現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。盾構(gòu)隧道采用雙層襯砌，雖然增加了前期工程投資，但從一定程度上改善了管片的受力，也彌補(bǔ)了由于管片安裝過程中形成的裂縫對(duì)隧道耐久性的影響。

5.地鐵盾構(gòu)隧道耐久性構(gòu)造措施

5.1 密封墊

對(duì)于地鐵盾構(gòu)隧道，預(yù)制管片需要采用大量的螺栓進(jìn)行拼接，接縫采用密封墊進(jìn)行防水，接縫總長(zhǎng)度是隧道長(zhǎng)度的20余倍，確保接縫防水材料防水性能的耐久性至關(guān)重要。

密封墊按按功能可分為三類：彈性密封墊、遇水膨脹橡膠密封墊、彈性密封墊與遇水膨脹橡膠復(fù)合密封墊。密封墊設(shè)計(jì)除了要滿足防水性能外，還應(yīng)提出耐久性指標(biāo)。根據(jù)國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)規(guī)范，密封墊材料的一般以硬度、拉伸強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等拉伸力學(xué)指標(biāo)來評(píng)價(jià)防水材料的耐久性。上海長(zhǎng)江隧道工程對(duì)密封墊進(jìn)行了專題研究，提出以接觸應(yīng)力松弛的時(shí)變特性來表征防水密封墊防水性能的耐久性。

5.2 管片連接螺栓

螺栓表面一般采用鋅基鉻酸鹽涂層進(jìn)行防腐處理。為提高外露螺栓的耐久性和隧道防水效果，管片手孔一般采用微膨脹水泥進(jìn)行封堵。根據(jù)已運(yùn)營(yíng)的盾構(gòu)區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)檢查情況，存在管片手孔封堵材料凸起和掉落的情況，對(duì)運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生不利影響。因此，為確保運(yùn)營(yíng)安全，頂部手孔可不作封堵，改為對(duì)外露螺栓進(jìn)行補(bǔ)充防銹處理。

5.3 聯(lián)絡(luò)通道特殊襯砌環(huán)

目前聯(lián)絡(luò)通道特殊襯砌環(huán)有三種做法：混凝土管片（后期切割）、全環(huán)鋼管片、鋼管片與混凝土管片組合。從耐久性角度出發(fā)，特殊襯砌環(huán)宜采用混凝土管片。當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法對(duì)地層進(jìn)行加固時(shí)，需要在管片上鉆孔以安裝凍結(jié)管，如圖2所示。如某地鐵盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道，采用凍結(jié)法加固，需要在聯(lián)絡(luò)通道左右各3環(huán)管片上凍結(jié)管鉆孔，開孔總數(shù)一般達(dá)到72個(gè)，開孔直徑130mm，而管片主筋凈距85～140mm，不可避免會(huì)對(duì)管片結(jié)構(gòu)造成損傷，甚至破壞管片鋼筋。因此，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法對(duì)地層進(jìn)行加固時(shí)，宜采用鋼管片。采用鋼管片時(shí)，應(yīng)注意以下耐久性問題：

（1）鋼管片的厚度除了要滿足受力要求外，還應(yīng)考慮鋼管片在使用階段的銹蝕，適當(dāng)加固鋼板厚度。

（2）對(duì)于使用階段外露的鋼管片，應(yīng)采取防腐措施；并對(duì)鋼管片內(nèi)側(cè)空腔回填混凝土，形成鋼構(gòu)件的混凝土保護(hù)層。

（3）考慮到防腐涂層在施工過程中的磨損，聯(lián)絡(luò)通道施工完成后，應(yīng)對(duì)鋼管片進(jìn)行補(bǔ)充防銹處理，涂刷防腐涂料，增強(qiáng)鋼構(gòu)件的耐久性。

圖2 區(qū)間聯(lián)通通道凍結(jié)孔布置示意圖

5.4 后錨固施工

在地鐵機(jī)電安裝階段，需要在區(qū)間隧道內(nèi)壁上布設(shè)大量供電、通風(fēng)空調(diào)、給排水、動(dòng)力照明、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（FAS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）、通信、信號(hào)、導(dǎo)向等系統(tǒng)設(shè)備管線的支架，以及區(qū)間疏散平臺(tái)等附屬結(jié)構(gòu)（如圖3、4所示）。

目前，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)地鐵均采用后錨固的方式與隧道結(jié)構(gòu)連接，需要在管片上鉆大量的孔洞，削弱管片的受力性能，甚至有時(shí)引起管片開裂、鋼筋被破壞，影響管片耐久性能。為此，應(yīng)加強(qiáng)設(shè)計(jì)接口協(xié)調(diào)和機(jī)電安裝階段后錨固鉆孔施工控制：

（1）電纜支架間距模數(shù)與管片寬度統(tǒng)一，控制錨栓到管片邊緣的距離，避免錨栓設(shè)于管片接縫。

（2）嚴(yán)格控制錨固孔洞施工誤差：錨孔深度偏差不得大于10mm，垂直度偏差不得大于5°。

（3）打孔前應(yīng)采用鋼筋探測(cè)儀進(jìn)行探測(cè)管片鋼筋，錨孔應(yīng)盡量避開受力主筋。如螺栓孔與管片鋼筋沖突，應(yīng)調(diào)整螺栓孔位置，嚴(yán)禁破壞管片鋼筋。如有廢孔，應(yīng)用化學(xué)錨固膠或高強(qiáng)度等級(jí)的環(huán)氧樹脂水泥砂漿填實(shí)。

為了避免后錨固施工對(duì)隧道管片的不利影響，鋼滑槽、絕緣尼龍?zhí)坠艿阮A(yù)埋件技術(shù)在臺(tái)灣、日本等地區(qū)得到了普遍的應(yīng)用。深圳地鐵9號(hào)線是國(guó)內(nèi)首條在全線盾構(gòu)法區(qū)間采用全環(huán)預(yù)埋滑槽技術(shù)的地鐵線路。

圖3 區(qū)間隧道管線布設(shè)示意圖

6.結(jié)論

影響地鐵盾構(gòu)隧道耐久性的因素很多，綜合本文所述，耐久性設(shè)計(jì)應(yīng)特別重視如下兩點(diǎn)：①受濕度、溫度、地鐵雜散電流等因素影響，地鐵隧道內(nèi)的環(huán)境作用較為復(fù)雜，耐久性設(shè)計(jì)中的環(huán)境作用等級(jí)取值應(yīng)考慮上述不利因素的綜合影響；②由于地鐵盾構(gòu)隧道的特殊性，其耐久性設(shè)計(jì)除了混凝土耐久性相關(guān)內(nèi)容外，應(yīng)高度重視管片制作、接縫防水、連接螺栓、后期鉆孔等細(xì)部構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。

工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)借鑒國(guó)內(nèi)外取得的成功經(jīng)驗(yàn)，吸取國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)的新概念、新技術(shù)，結(jié)合工程實(shí)際，運(yùn)用科學(xué)合理的設(shè)計(jì)方法，以提高地鐵區(qū)間隧道的耐久性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王振信.盾構(gòu)法隧道的耐久性[J].地下工程與隧道，2002（2）

[2]孫鈞.崇明長(zhǎng)江隧道盾構(gòu)管片襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)[J]，建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008（3）

[3]呂志剛.淺析地鐵結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)[J]，建筑設(shè)計(jì)，2007（11）

[4]混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范，GB/T50476-2008，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2009（5）

[5]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，GB50010-2010，中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2011（7）

作者簡(jiǎn)介：

唐志輝（1981-），男，湖南瀏陽人，2005年畢業(yè)于中南大學(xué)土木工程專業(yè)，本科，工程師，現(xiàn)主要從事隧道及地下工程的設(shè)計(jì)及研究工作。