運營隧道內(nèi)襯修復技術(shù)及其適用性分析

羅 濤

（中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070）

1 概述

文章依托既有盾構(gòu)管片鋼內(nèi)襯修復設(shè)計、施工工程項目，對盾構(gòu)法隧道應(yīng)用鋼內(nèi)襯修復技術(shù)的可行性、關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)及突出問題進行研究。通過工程類比、理論分析、數(shù)值模擬、考察調(diào)研與現(xiàn)場施工、監(jiān)測相結(jié)合的研究手段，將理論與實際相結(jié)合，力求掌握鋼內(nèi)襯修復技術(shù)。

2 內(nèi)襯修復技術(shù)

2.1 技術(shù)簡介

盾構(gòu)法是地鐵區(qū)間隧道施工中常用的工法之一，具有施工速度快、地面沉降小、施工過程安全、環(huán)境影響小、造價可控等優(yōu)點，在國內(nèi)城市地鐵建設(shè)實踐中得到了大量推廣和全面應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

然而盾構(gòu)法由于其自身施工工藝特點，對于成型隧道病害的處理存在其特有的難點，一是由于土體共同作用，隧道變形往往伴隨周邊巖土體的變形，結(jié)構(gòu)侵限后處理后恢復難度大。一般僅有調(diào)線調(diào)坡、壓縮限界、重新修建三個途徑。二是由于結(jié)構(gòu)厚度較小，一般僅為300～350mm，發(fā)生損壞后修復手段少。當管片結(jié)構(gòu)受到如裂縫、崩角、小程度錯臺之類的損傷，可采用高強度材料封堵裂縫、修補結(jié)構(gòu)等較為簡單的工藝處理解決；但如果出現(xiàn)橫、縱向收斂變形，結(jié)構(gòu)不均勻沉降后一般伴隨區(qū)域性的結(jié)構(gòu)破損，限界侵限，情況嚴重的可能會導致隧道管片結(jié)構(gòu)的百年耐久性受到影響，需要采取較強措施彌補管片的結(jié)構(gòu)性能損失。因此，當盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)展到一定程度后，受某些因素影響排除置換管片結(jié)構(gòu)的方案后，一般可供建設(shè)方選擇的方案就只有隧道內(nèi)壁附著鋼內(nèi)襯的補強方案。

2.2 鋼內(nèi)襯實施的前提條件

一般的隧道結(jié)構(gòu)破壞不是非常嚴重，隧道內(nèi)凈空滿足限界條件，經(jīng)注漿、卸載等各種處理措施后隧道沉降、變形穩(wěn)定，內(nèi)襯實施期間無滲漏水時，可使用鋼內(nèi)襯技術(shù)。

2.3 鋼內(nèi)襯加固材料及工藝

（1）材料。①鋼板：Q345鋼材，厚度20mm、30mm。②螺栓：適用于開裂混凝土特種M16錨栓。臨時固定錨栓應(yīng)使用能迅速進入受力狀態(tài)的機械錨栓；其他部位應(yīng)使用化學錨栓，其材料耐久性能應(yīng)盡可能與地鐵隧道結(jié)構(gòu)服役時間相匹配。③剛性環(huán)氧樹脂粘貼劑。④軌底橡膠絕緣墊片。⑤阻燃型SPUR涂層。

（2）施工工藝。①隧道內(nèi)輪廓掃描，鋼內(nèi)襯制作。②管線改排。③堵漏。④手孔封堵。⑤鋼環(huán)安裝。鋼內(nèi)襯緊貼既有限界，由下往上對成安裝，用膨脹螺栓臨時固定，空腔部分采用環(huán)氧樹脂填充。道床兩側(cè)設(shè)置牛腿支架，并在道床上部通過鋼拉條連接，從而形成整環(huán)受力結(jié)構(gòu)。壓注環(huán)氧樹脂，環(huán)形鋼板就位后采用環(huán)氧膠泥進行封堵；利用鋼板面預留的壓漿嘴及鋼環(huán)側(cè)邊的溢漿孔安裝壓漿嘴，壓注樹環(huán)環(huán)氧樹脂。

3 某地鐵鋼內(nèi)襯修復項目

3.1 項目背景

某城市地鐵盾構(gòu)隧道施工期間右線始發(fā)掘進約200m后盾構(gòu)機發(fā)生機械故障，掘進能力急劇下降，為保證施工安全和節(jié)點工期，同時考慮到事故區(qū)域道路下方的市政管線較多、車流量較大、人口密集，無法改用明挖工藝，在短時間內(nèi)應(yīng)急處置后，于右線掘進方向前一段距離自行設(shè)計、施工一座寬11.7m、長15.7m的臨時盾構(gòu)工作井，用于應(yīng)急拆解更換盾構(gòu)機。

盾構(gòu)機拆解更換之后，未慎重考慮過渡方案，采用盾構(gòu)空推通過盾構(gòu)井。通過后豎井采用雜填土配合型鋼梁支撐的方式回填，直接造成井內(nèi)回填土的壓實度較差，引發(fā)持續(xù)的工后沉降。后續(xù)空推通過時因盾構(gòu)機二次始發(fā)反力不足，上部千斤頂無法正常加力，導致隧道環(huán)向變形和縱向錯臺及變形嚴重，尤其上部管片拼裝錯臺嚴重超過規(guī)范。

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘及數(shù)據(jù)采集、分析顯示，區(qū)間左線208環(huán)前后隧道發(fā)生較嚴重變形。橫軸外擴達到15.6cm，縱軸收斂最大值也達到了約14cm。發(fā)生橢變大于50mm的管片結(jié)構(gòu)共有10環(huán)，均位于豎井結(jié)構(gòu)之內(nèi)。

截至治理方案確定，204～215環(huán)范圍內(nèi)管片收斂徑長與標準圓差值范圍為37～181.4mm。管片開裂64處，多為長度1.2m的貫穿裂縫，裂縫寬度范圍0.31～1.32mm不等，裂縫深度12～30cm不等。但出現(xiàn)滲水情況較少，偶爾可見拱腰裂縫及二次注漿孔滲水，豐水季節(jié)可見大面積濕漬。

3.2 修復標準

修復工作開展初期，工作組首先需要對損傷區(qū)間制訂一個合理的處理標準。如在何種情況下需要啟動鋼內(nèi)襯修復工藝，以及采用多厚、多寬如何分幅的鋼板，采用何種牛腿形式及注漿材料。考慮當時暫定每1.2m為40萬元的處理價格，若修復范圍過大將帶來較高的運營處理費用，而過小也會使后期運營期間的風險無法消除。鑒于當?shù)夭o相關(guān)的工程案例、經(jīng)驗，工作組首先對國內(nèi)有施工經(jīng)驗的幾個城市進行了考察，部分考察情況如下：（1）深圳地鐵1號線鋼板加固控制指標：≥0.2mm裂縫注漿封閉處理，管片環(huán)水平拉伸變形量≥70mm或管片縱向貫穿裂縫≥0.2mm。（2）武漢地鐵4號線：管片受損較嚴重，受損面積達到5%約1m2左右，采用整環(huán)不騎縫加固，寬度800mm。隧道徑向變形較大，橫徑變形＞80mm，豎徑變形＞100mm，設(shè)置整環(huán)加強鋼環(huán)。（3）廣州地鐵1號線：裂縫寬度＞0.3mm或者橢變率超過25‰，徑向收斂達到80mm以上的管片，采用850mm寬鋼內(nèi)襯支護。（4）上海地鐵：外徑6200mm，內(nèi)徑5500mm，350mm管片，直徑變化量120mm（鋼板襯結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)）。

工作組在綜合考慮上述城市的實際事實及實施標準后按照當?shù)氐罔F公司的相關(guān)指導意見，暫定對橢變＞80mm的管片環(huán)實施不騎縫鋼內(nèi)襯加固，加固管片環(huán)內(nèi)表面內(nèi)襯厚度20mm，牛腿內(nèi)襯鋼板厚度30mm。

4 鋼內(nèi)襯應(yīng)力的模擬

鋼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)安裝以后，管片結(jié)構(gòu)變成了一個由原有鋼筋混凝土管片+螺栓與剛性環(huán)氧樹脂、內(nèi)襯鋼板、連接錨栓形成的多相綜合應(yīng)力結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力狀態(tài)較為復雜，傳統(tǒng)的力學模型及理論較難對其實際應(yīng)力狀態(tài)做出準確模擬。因此有必要通過有限元分析的手段進行模擬分析，同時進行現(xiàn)場足尺全環(huán)加載試驗。參照同濟大學及華南理工大學相關(guān)實驗數(shù)據(jù)及結(jié)論，根據(jù)試驗荷載位移曲線，可將管片襯砌破壞過程劃分為四個階段：

（1）螺栓應(yīng)力不增加階段（0～110kN）。管片變形量線性增加，變形量較小。

（2）螺栓屈服前（110～250kN）。螺栓應(yīng)力逐漸增大，襯砌結(jié)構(gòu)變形增大，管片結(jié)構(gòu)剛度逐漸減小。

（3）螺栓強化階段（250～418kN）。螺栓屈服后，螺栓剛度減小，管片結(jié)構(gòu)剛度進一步減小，變形速率增大。

（4）螺栓達到極限應(yīng)力（418～446kN）。接縫外弧面混凝土達到極限強度后，管片結(jié)構(gòu)剛度大大降低，結(jié)構(gòu)變形加快，直至結(jié)構(gòu)破壞。

加載試驗期間采用了施加鋼內(nèi)襯加固和未加固的兩套結(jié)構(gòu)進行對比試驗，對比試驗結(jié)果顯示，鋼內(nèi)襯加固后，管片襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)剛度大大提高，結(jié)構(gòu)變形大大減??；鋼內(nèi)襯加固后，管片襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載力試驗結(jié)果為568kN，管片襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)極限承載力提高了38%。接縫位置及張開量如圖1所示。

5 內(nèi)襯技術(shù)適用性分析

5.1 限界適用性

根據(jù)現(xiàn)有管線改排經(jīng)驗，一般橫向橢變最為緊張的是頂部接觸網(wǎng)位置。以6m外徑管片限界為例，從隧道頂部往下依次要滿足合計4375mm的限界空間，而隧道軌面距離隧道頂部理論距離為特殊減震4480mm，一般減震為4560mm。如果計入規(guī)范允許的工后沉降及施工誤差累加100mm，剩余空間為特殊減震4380mm，一般減震為4460mm，僅剩余5～95mm縱軸形變量，無疑是非常緊張的。

5.2 材料耐久性

圖1 接縫位置及張開量圖表

鋼內(nèi)襯中與管片結(jié)構(gòu)相錨固的化學錨栓，作為鋼內(nèi)襯應(yīng)力安全儲備的一個環(huán)節(jié)，其耐久性難以與內(nèi)襯及管片結(jié)構(gòu)相匹配。問題主要體現(xiàn)在化學錨固膠的老化，隨著使用時間的推移其力學性能逐步下降，最終使錨栓連同錨固膠一同拔出錨固體并被破壞。目前，僅部分廠家可提供錨固膠50年及以上耐久性的認證報告（企業(yè)認證），但其與管片的百年設(shè)計使用壽命仍有一定差距。

5.3 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的可置換方案

由于鋼內(nèi)襯結(jié)構(gòu)存在耐久性不匹配的風險，因此有必要研究其拆卸替換的方案。同時，當其施工質(zhì)量出現(xiàn)局部缺陷時，拆卸內(nèi)襯也是較好的彌補方案。

6 結(jié)論

（1）隧道形變病害治理的根本在于隧道自身結(jié)構(gòu)與外界巖土環(huán)境之間的協(xié)調(diào)，任何的隧道修復技術(shù)均需要從了解隧道的外界巖土環(huán)境入手，從根本上消除隧道形變的根源后，方可啟動內(nèi)部修復工作。

（2）隧道施加鋼內(nèi)襯之后其結(jié)構(gòu)承載能力有所增強，對變形也有良好的抑制作用，隨鋼板寬度、厚度、環(huán)氧樹脂的抗拉強度的增加而上升。

（3）鋼內(nèi)襯承受超負荷荷載之后，環(huán)氧樹脂與混凝土管片結(jié)合面剝離形式被破壞，但其破壞征兆不明顯，表現(xiàn)為脆性破壞。未充分發(fā)揮鋼板的力學強度，從結(jié)構(gòu)力學的角度上來講是有些浪費的，后期有待新技術(shù)、新工藝在這個方面做出突破。

（4）目前已完成的鋼內(nèi)襯修復實體，投入使用至今不足10年，其耐久性與隧道設(shè)計壽命匹配的情況還存在疑問。