城市地鐵隧道襯砌病害分析及加固方法研究

董光輝，吳鋒

（1.天津市地下鐵道集團(tuán)有限公司，天津 300000；2.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028）

1 引言

近幾十年我國城市規(guī)?？焖贁U(kuò)張，市區(qū)交通不暢問題日益嚴(yán)峻。城市地鐵作為一種現(xiàn)代化交通方式，以便捷、準(zhǔn)時及安全等特點成為人們優(yōu)先選擇的一種出行方式。截至2018 年年底，我國已有35 個城市開通了城市軌道交通。其中，地鐵運(yùn)營里程高達(dá)4 354.3km，占總里程的75.6%。

但由于地下環(huán)境復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)，且施工技術(shù)受周邊既有建筑限制，導(dǎo)致地鐵設(shè)計中不確定性因素倍增，襯砌結(jié)構(gòu)病害難以控制【1～3】。如 2012 年杭州地鐵 1 號線在開通不到一周時間出現(xiàn)3 次滲水事故，導(dǎo)致大規(guī)模停運(yùn)。隨著運(yùn)營時間及里程的增長，隧道結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)性能劣化，進(jìn)一步加劇了病害的發(fā)生概率及危害。如2012 年1 月下旬，為消除隧道不均勻沉降的累積影響，上海地鐵對4 號線海倫路區(qū)段封站大修，嚴(yán)重影響了市民出行。由此可見，合理辨別隧道襯砌的病害特征，分析其發(fā)生原因并提出切實有效的加固方法是十分重要和必要的。

2 城市地鐵隧道襯砌病害及原因分析

襯砌結(jié)構(gòu)作為隧道的骨架，其力學(xué)和耐久性能直接關(guān)乎隧道的運(yùn)營安全。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對隧道所處環(huán)境和施工技術(shù)的不同，通過大量實踐調(diào)查，對襯砌結(jié)構(gòu)的典型病害進(jìn)行了研究，取得了顯著成效【4，5】?，F(xiàn)結(jié)合既有成果，針對地鐵隧道襯砌病害表現(xiàn)與機(jī)理間的關(guān)系，從以下3 方面進(jìn)行分析總結(jié)。

2.1 襯砌滲漏水

滲漏水是隧道襯砌的一種最主要病害形式，不但會影響地鐵電氣設(shè)備的使用安全性，帶有侵蝕性介質(zhì)的長期滲漏水還會顯著降低襯砌結(jié)構(gòu)的承載力，在襯砌后土體中形成空洞，威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全。

使用明挖法和礦山法施工的地鐵隧道，襯砌結(jié)構(gòu)多采用整體式澆筑。滲漏水的位置一般出現(xiàn)在施工縫、變形縫以及混凝土結(jié)構(gòu)自身開裂的位置處。使用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道，襯砌為裝配式管片，分布數(shù)量眾多的接縫和栓孔。管片間縱、環(huán)接縫，以及螺栓孔和注漿孔是主要滲漏水的位置。

從以往統(tǒng)計來看，施工技術(shù)及質(zhì)量是影響滲漏水的重要因素。整體澆筑的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)控混凝土的澆筑質(zhì)量、工藝及材料配合比。針對裝配式管片，應(yīng)在檢查制作和運(yùn)輸過程中保證管片質(zhì)量的同時，嚴(yán)控密封材料的性能。在施工工程中，管片拼合不嚴(yán)、錯位碎裂及變形均會導(dǎo)致密封墊與管片間缺乏可靠黏結(jié)而發(fā)生滲漏水。

2.2 襯砌裂縫及脫落

裂縫作為隧道的另一種重要病害形式，其數(shù)量和形態(tài)在一定程度上反映了襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)和耐久性能?，F(xiàn)場澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)，施工工藝和技術(shù)不足極易導(dǎo)致襯砌開裂。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隧洞超挖導(dǎo)致的襯砌缺乏可靠支撐和背后空洞積水壓力，以及欠挖造成的襯砌局部應(yīng)力集中是襯砌開裂的重要原因。

有調(diào)查表明，盾構(gòu)隧道的襯砌發(fā)生裂縫、破損的比例超過80%發(fā)生在組裝施工過程中。管片拼裝時的碰撞、錯位、受力超限等因素是主要原因。此外，地下水變化導(dǎo)致的沉降、背洞以及地表超載壓力也會致使隧道產(chǎn)生較大變形。裝配式的管片接縫在發(fā)生較大縱、橫向變形時會發(fā)生錯臺和張開。這種裂縫下的襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不合理，裂縫在表面和內(nèi)部進(jìn)行封堵的同時還需要進(jìn)一步采用結(jié)構(gòu)加固措施。

2.3 襯砌性能劣化

地鐵運(yùn)營環(huán)境下，按照規(guī)范進(jìn)行耐久性設(shè)計的隧道混凝土襯砌通常能滿足設(shè)計年限要求。但由于上述滲漏水和開裂病害的影響，襯砌性能的劣化也是地鐵隧道不可忽視的重要病害形式之一。

長期的滲漏水容易導(dǎo)致襯砌混凝土風(fēng)化剝落，水中的侵蝕性介質(zhì)還會加劇混凝土的劣化。襯砌開裂后，內(nèi)壁空氣中的二氧化碳和外壁地下水中的腐蝕離子侵入速度大大加快，混凝土的碳化速度和劣化速度顯著增加。同時，混凝土保護(hù)層的失效會導(dǎo)致鋼筋直接接觸外部潮濕空氣和地下水，發(fā)生銹蝕膨脹，進(jìn)一步加劇襯砌開裂，以致發(fā)生局部襯砌脫落。這使得襯砌的耐久性能往往難以滿足預(yù)計的設(shè)計年限要求。

3 襯砌加固方法

對滲漏水而言，需要根據(jù)滲漏水程度并結(jié)合滲透部位，采取不同的加固方法。通常對于僅出現(xiàn)濕漬的位置，一般采取跟蹤觀察的方法，暫不進(jìn)行特殊處理。如出現(xiàn)滲水、滴漏甚至帶泥沙等情況，通常采取加壓灌注環(huán)氧樹脂類、水泥基結(jié)晶類等材料進(jìn)行封堵處理。由于混凝土材料收縮、溫度變化等自身的問題引起的滲漏，采用以上方法或許可以達(dá)到要求，但如果伴隨著外荷載、沉降等因素，出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，還需要判斷裂縫的成因并進(jìn)行加固處理。

對于襯砌開裂及脫落而言，目前的加固措施一般分為襯砌內(nèi)部和外部的加固方法。襯砌的外部加固方法主要為微擾動注漿方法。通過灌注水泥基漿液填充外部的孔隙和背洞，使得襯砌外部約束均勻，但也會導(dǎo)致地下水滲流路徑變化，外部土體發(fā)生固結(jié)沉降。內(nèi)部加固的方法通常采用鋼拱架、鋼板、FRP 以及TRC 等材料進(jìn)行內(nèi)壁加固，提高襯砌的力學(xué)強(qiáng)度，減緩或制止襯砌裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。其中，鋼拱架的效果最好，能提高區(qū)段襯砌的整體力學(xué)性能，但造價也通常較高，空間占用率也較大。對于局部部位的加固，可以采用黏結(jié)鋼板的方法提高襯砌的抗拉強(qiáng)度。但由于隧道環(huán)境潮濕，鋼板的耐久性不易保證，又出現(xiàn)了FRP 等聚合物纖維布材料的使用來提高加固構(gòu)件的耐久性。近幾年，TRC 或FRCM 等水泥基基體-FRP組合的加固體系出現(xiàn)，又進(jìn)一步增加了FRP 材料的耐火性且滿足在潮濕狀況下的施工條件。

對于襯砌劣化而言，需要根據(jù)混凝土強(qiáng)度的下降程度、碳化的深度以及鋼筋的銹蝕程度采用不同的加固方法。對于混凝土碳化深度未達(dá)到保護(hù)層厚度的，可保持觀察或僅對表面裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。對混凝土出現(xiàn)局部疏松、脫落的部分，需要剔除該部分混凝土，并重新澆筑混凝土。若鋼筋出現(xiàn)銹蝕，需要進(jìn)行除銹和防銹處理。若襯砌出現(xiàn)較大面積或區(qū)段的強(qiáng)度顯著下降，則需要采用內(nèi)表面鋼拱架、黏結(jié)FRP 或鋼板等抗拉材料，外部錨桿支護(hù)等方法進(jìn)行加固，提高襯砌的力學(xué)強(qiáng)度。

4 結(jié)語

在國內(nèi)外相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，針對城市地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的特點，總結(jié)了襯砌結(jié)構(gòu)的3 種常見病害形式，分別針對現(xiàn)澆和裝配襯砌結(jié)構(gòu)，分析了病害的起因和形成機(jī)理?？偨Y(jié)了不同病害下的加固方法以及適用性。研究表明，地鐵襯砌的施工技術(shù)和水平是引起病害的主要原因，新型聚合物纖維及水泥基體加固材料和技術(shù)的應(yīng)用是今后加固技術(shù)的發(fā)展趨勢，還有待于進(jìn)一步發(fā)展。