某濱海填土區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道翻漿冒泥病害治理分析

徐世達(dá)

摘 要：某濱海填土區(qū)地鐵盾構(gòu)隧道，在運(yùn)營 8 年后出現(xiàn)道床翻漿冒泥病害。結(jié)合區(qū)間隧道所在地區(qū)地質(zhì)情況及結(jié)構(gòu)特征分析病害發(fā)生的原因：①地質(zhì)情況復(fù)雜，隧道處于淤泥質(zhì)地層中，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻變形;②道床結(jié)構(gòu)與襯砌管片之間不密實，道床與管片結(jié)構(gòu)變形不協(xié)調(diào)。根據(jù)病害原因，制定以適用的材料填充道床結(jié)構(gòu)與管片結(jié)構(gòu)間縫隙的病害整治方案。

關(guān)鍵詞：地鐵;盾構(gòu);隧道;翻漿冒泥;治理

中圖分類號：U213.7

0 引言

在區(qū)間隧道內(nèi)，整體道床因其具有穩(wěn)定、耐久、軌道平順性高、剛度均勻性好、少維修等優(yōu)點，在地鐵隧道內(nèi)得到大規(guī)模使用，為地鐵運(yùn)營提供了一個平穩(wěn)舒適的營運(yùn)環(huán)境。但隨著地鐵的運(yùn)營，道床結(jié)構(gòu)暴露出了開裂、翻漿冒泥、軌道間距變化、列車通過時晃車等問題。

關(guān)于道床病害的處理方法，國內(nèi)已有不少學(xué)者、工程師根據(jù)現(xiàn)場情況提出了治理思路，主要有疏導(dǎo)地下水、局部調(diào)整線路坡度、壓降填塞及翻修、化學(xué)灌漿法、低壓注漿補(bǔ)縫技術(shù)等，核心原理有以下2點：①封閉道床結(jié)構(gòu)底部空隙，防止微裂隙在列車動荷載作用下病害持續(xù)劣化;②處理水源問題，封堵地下水的滲入路徑以及隧道水溝內(nèi)水滲入道床底部的路徑。本文主要結(jié)合某濱海填土區(qū)盾構(gòu)隧道道床翻漿冒泥病害進(jìn)行原因分析，介紹治理工藝，為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

某地鐵線路于2011年開通，線路距離海域最近處僅2 km，部分區(qū)間處于濱海填土地區(qū)。區(qū)間隧道主體為盾構(gòu)隧道，襯砌管片外徑6 m，管片厚度30 cm。區(qū)域地質(zhì)情況較為復(fù)雜，包含人工填土及建筑垃圾、填碎石層、填塊石層、海積淤泥層，淤泥層分布廣、厚度大，人工填筑無規(guī)律，且硬巖突起。在該盾構(gòu)隧道建成后，其周邊在建和擬建項目較多，周圍建筑環(huán)境復(fù)雜。

運(yùn)營維保人員于2018年發(fā)現(xiàn)，隧道兩側(cè)水溝出現(xiàn)大量泥沙、黏土質(zhì)淤泥，主要從水溝混凝土與管片、道床交接縫隙處涌出。根據(jù)隧道斷面掃描數(shù)據(jù)，隧道水平最大變形達(dá)到12.6 cm，整個隧道管片都發(fā)生了不同程度變形，道床結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生了橫向裂縫。根據(jù)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特征，可推測道床結(jié)構(gòu)與襯砌管片之間產(chǎn)生了不同程度的脫空。為防止道床結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破損，最終影響到地鐵列車的正常運(yùn)營，需對該病害進(jìn)行整治。

2 翻漿冒泥病害特征

2.1 病害現(xiàn)場情況

如圖1、圖2所示，隧道內(nèi)側(cè)溝涌現(xiàn)大量黏土質(zhì)淤泥、泥沙，主要來自排水溝與道床及襯砌管片間的縫隙。排水溝涌泥、涌砂的區(qū)段內(nèi)大量管片接縫發(fā)生滲漏，管片間發(fā)生錯動，最大錯動量達(dá)到3 cm。

2.2 隧道及道床變形

病害區(qū)段道床變形比較明顯，對道床沉降變形進(jìn)行長期的變形監(jiān)測，如圖3所示。數(shù)據(jù)表明，道床最大下沉量達(dá)到30 mm，最大隆起量達(dá)到18.3 mm。為保證地鐵列車正常運(yùn)行，已多次對接觸網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，保證接觸網(wǎng)導(dǎo)高。若變形繼續(xù)，超過接觸網(wǎng)的調(diào)節(jié)限值，地鐵列車的安全運(yùn)行將受到嚴(yán)重影響。

道床縱向沉降變形的直接誘因是襯砌管片的不均勻變形，故對襯砌管片的變形進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖4所示，隧道水平最大寬度變化峰值超過10 cm。

2.3 結(jié)構(gòu)安全檢算

結(jié)合管片變形數(shù)據(jù)及地層、結(jié)構(gòu)信息，對結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行數(shù)值計算，圖5中計算結(jié)果表明，襯砌管片最大拉應(yīng)力達(dá)到1.851 MPa。襯砌管片為C50鋼筋混凝土管片，其抗拉強(qiáng)度設(shè)計值為1.89 MPa，強(qiáng)度儲備僅剩余2%?，F(xiàn)場已發(fā)現(xiàn)多處襯砌管片拱頂部位發(fā)生開裂、管片破損的情況，如圖6所示。

對道床底部不同空隙大小工況條件進(jìn)行道床應(yīng)力計算，在離縫（道床結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)脫離形成空隙）出現(xiàn)前后，道床受力狀態(tài)由受壓變?yōu)榫植渴軓?，結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力由0.69 MPa增加到1.43MPa，如圖7所示。應(yīng)力超過道床混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值，導(dǎo)致道床結(jié)構(gòu)開裂?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)病害區(qū)段每段道床表面均有裂縫產(chǎn)生，且道床變形縫擴(kuò)大，如圖8所示。

3 原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)因素

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)特征如圖9所示，在盾構(gòu)管片拼裝完成后再施做道床結(jié)構(gòu)，道床結(jié)構(gòu)與襯砌結(jié)構(gòu)之間存在一個不連續(xù)界面。道床一般為每段長度不大于12.5 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌為長度1.5 m或1.2 m的鋼筋混凝土管片結(jié)構(gòu)，道床結(jié)構(gòu)與襯砌管片各為剛體，變形不協(xié)調(diào)。當(dāng)襯砌管片發(fā)生不均勻變形（即不同環(huán)管片間發(fā)生相對位移）時，管片與道床結(jié)構(gòu)的不協(xié)調(diào)變形導(dǎo)致二者之間產(chǎn)生空隙。管片變形過大將導(dǎo)致管片接縫局部防水體系失效，地下水滲入隧道內(nèi)部環(huán)境，存儲在管片與道床結(jié)構(gòu)間的空隙中。在列車荷載作用下，道床將發(fā)生一定的向下彎折變形，對整個空隙內(nèi)存儲的地下水形成擠壓，地下水在道床的擠壓作用下將沿著道床與管片的縫隙發(fā)生擴(kuò)散。道床結(jié)構(gòu)兩側(cè)厚度較薄，抗水壓能力相對較為薄弱，地下水進(jìn)而沿著兩側(cè)擴(kuò)散，從水溝與管片、道床結(jié)構(gòu)之間的縫隙中涌出，形成表觀的道床翻漿冒泥現(xiàn)象。

3.2 擾動因素

襯砌管片間采用螺栓連接，盾構(gòu)隧道整體是一個柔性結(jié)構(gòu)，在圍巖發(fā)生變形時，襯砌管片將伴隨圍巖發(fā)生一定程度變形。該區(qū)間地處濱海填土區(qū)，如圖10所示，地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越不同地質(zhì)層。隧道開挖擾動后，不同地質(zhì)層對擾動的響應(yīng)不同，將導(dǎo)致周圍地層的不均勻沉降，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌管片的不均勻變形。

除了隧道開挖的擾動，隧道建成后周邊不間斷的物業(yè)開發(fā)將導(dǎo)致反復(fù)擾動，形成反復(fù)的加載、卸載作用，加劇了地層的不均勻沉降。

4 治理措施

為防止病害的進(jìn)一步劣化，離縫的進(jìn)一步擴(kuò)張，對該道床翻漿冒泥病害進(jìn)行緊急治理。治理目標(biāo)為填充離縫，使道床與襯砌結(jié)構(gòu)間無存水存泥空隙，防止離縫內(nèi)儲存的地下水在列車周期性荷載作用下進(jìn)一步擠壓擴(kuò)散，控制離縫范圍的擴(kuò)大。

4.1 填充材料

考慮到運(yùn)營線路作業(yè)時間短、治理結(jié)束隨即正常運(yùn)營的特點，需要材料滿足以下條件。

（1）凝結(jié)時間快，作業(yè)結(jié)束約2 h后，線路將恢復(fù)正常運(yùn)營，故要求材料2 h內(nèi)必須固結(jié)并達(dá)到一定強(qiáng)度;

（2）力學(xué)強(qiáng)度夠，材料固結(jié)后抗壓強(qiáng)度應(yīng)不低于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免充填材料在應(yīng)用過程中壓潰，同時材料與離縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)還應(yīng)該具有一定的粘結(jié)強(qiáng)度;

（3）在有水條件下應(yīng)能夠正常固結(jié);

（4）具有較強(qiáng)的滲透性，能夠?qū)?xì)微縫隙進(jìn)行充填，以保證道床結(jié)構(gòu)與襯砌管片間的密實性。

根據(jù)上述條件選擇強(qiáng)度及適應(yīng)變形能力強(qiáng)的HM-24型改性環(huán)氧材料，采取高壓注漿的方式將填充材料注入離縫空隙內(nèi)。性能參數(shù)如表1所示。

4.2 治理工藝

對翻漿冒泥段排水溝與管片交接的位置、排水溝與道床交接的位置進(jìn)行鑿槽，并用速凝水泥進(jìn)行封閉，以防注漿過程中漿液溢出。病害區(qū)段注漿孔布置如圖11～圖13所示。

注漿過程中遵循Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ序孔的順序進(jìn)行注漿，注漿初始壓力為0.1～0.3 MPa，終壓為0.5MPa。當(dāng)達(dá)到如下標(biāo)準(zhǔn)時注漿結(jié)束：①注漿壓力達(dá)到0.5MPa，達(dá)到終壓后穩(wěn)定5～7 min即可停止注漿;②注漿量減小，通過注漿料筒觀察漿液不再減少后，穩(wěn)定3～5 min即可停止注漿。

5 結(jié)語

上述措施在該濱海地鐵線路病害區(qū)域，取得了較好的治理效果，治理完成后，道床沉降基本穩(wěn)定，無繼續(xù)發(fā)展趨勢。雖然從隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)入手，能夠解決當(dāng)前翻漿冒泥病害問題，但對隧道整體形變無抑制作用。長遠(yuǎn)看來，還應(yīng)從穩(wěn)固隧道襯砌結(jié)構(gòu)出發(fā)，綜合隧道內(nèi)外治理措施。

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收稿日期 2019-10-16

責(zé)任編輯 孫銳嬌

Analysis on measures on mud pumping in a metro shield tunnel in coastal reclamation area

Xu Shida

Abstract： As a metro shield tunnel in a coastal reclamation area， the track malfunction of mud pumping from the track bed appears after 8 years of operation. Based on the geological conditions and structural characteristics in the tunnel area， the causes of the disease are analyzed： （1） the geological conditions are complex， the tunnel is in the muddy stratum， and the lining structure has uneven deformation， （2） the track bed structure and the lining segment are not compact， and the deformation of the track bed and segment structure are not matched. Based on the cause of the disease， the scheme to take measures of filling the gap between the track bed structure and the segment structure with proper materials is made.

Keywords： subway， shield， tunnel， mud pumping， measures