地鐵盾構(gòu)法隧道大變形受損管片加固設(shè)計(jì)方案研究

趙玉同

摘要：地鐵盾構(gòu)法隧道在區(qū)間貫通后以及運(yùn)營(yíng)期間，由于工作井透水、周邊深基坑開(kāi)挖或堆載等原因會(huì)發(fā)生隧道結(jié)構(gòu)變形受損等問(wèn)題，部分事故由于發(fā)生初期沒(méi)有引起足夠重視，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了不可恢復(fù)的大變形。某城市地鐵盾構(gòu)法隧道因左線接收井發(fā)生透水事故，產(chǎn)生了較大變形與位移，最大收斂位移達(dá)380mm。為保證區(qū)間盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)此受損區(qū)段進(jìn)行腰部增設(shè)鋼格柵的變剛度鋼圈加固修復(fù)設(shè)計(jì)，并通過(guò)三維有限元模型分析了鋼圈加固形式，結(jié)果表明其能夠有效控制大變形受損盾構(gòu)管片的水平和豎向變形。本案例能夠?yàn)榻窈蟠笞冃问軗p盾構(gòu)管片的加固修復(fù)提供參考，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐價(jià)值。

關(guān)鍵詞：地鐵隧道 ?盾構(gòu)管片 ?大變形 ?鋼格柵 ?變剛度加固設(shè)計(jì)

隨著城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)許多城市的軌道交通都在進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)。其中廣泛應(yīng)用的盾構(gòu)法隧道的結(jié)構(gòu)形式為多鉸圓拱結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全性嚴(yán)重依賴(lài)側(cè)向土抗力，當(dāng)隧道周邊出現(xiàn)局部超載、水土流失或側(cè)邊意外卸載等，都會(huì)導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，其結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和耐久性將嚴(yán)重降低。目前受損隧道結(jié)構(gòu)一般采用內(nèi)表面鋼圈加固或其他組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)設(shè)計(jì)，以避免結(jié)構(gòu)失效 [1-3]。孫倩[4]、劉庭金等[5]對(duì)盾構(gòu)法隧道內(nèi)粘鋼板加固的機(jī)理進(jìn)行了研究。隨著地鐵盾構(gòu)隧道受損變形事件的不斷增加，也出現(xiàn)了一部分極端情況，如本文介紹的隧道收斂變形達(dá)380mm的透水事件等。上述極端情況在常規(guī)加固方案的基礎(chǔ)上也有著自己顯著的特征。以下將從某城市地鐵隧道最大變形達(dá)380mm的實(shí)際工程出發(fā)，詳細(xì)介紹大變形受損盾構(gòu)管片加固修復(fù)設(shè)計(jì)方案，可以為今后類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

某市軌道交通區(qū)間隧道斷面為單線圓形隧道，管片外徑為?6.2m，內(nèi)徑為?5.5m，全環(huán)由1塊封頂塊（K）、2塊鄰接塊（B1、B2）、3塊標(biāo)準(zhǔn)塊（A1、A2、A3）共6塊管片組成，分塊角度分別為21.5°、68°、67.5°。管片厚度為35cm，環(huán)寬為1.5m，管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P12。管片縱縫與環(huán)縫采用平接頭，不設(shè)置凹凸榫。管片的環(huán)與環(huán)、塊與塊間均以M30彎螺栓連接（機(jī)械性能等級(jí)為6.8級(jí)），采用通用襯砌環(huán)錯(cuò)縫拼裝。本區(qū)間地貌單元為黃河沖洪積平原（A區(qū)）。隧道結(jié)構(gòu)主要位于粉質(zhì)粘土層、黏質(zhì)粉土層和細(xì)砂層中，地下水位埋深5.90～11.40m。盾構(gòu)隧道襯砌圓環(huán)圖見(jiàn)圖1。

因左線接收井發(fā)生透水事故，左線隧道在917～928環(huán)范圍內(nèi)出現(xiàn)環(huán)間錯(cuò)臺(tái)、水平位移、橫向收斂變化量都較大的現(xiàn)象，橫向最大收斂380mm（以向外擴(kuò)張為正），豎向最大收斂-300mm，同時(shí)此范圍內(nèi)管片明顯存在環(huán)、縱縫接縫張開(kāi)以及滲漏水情況嚴(yán)重的現(xiàn)象。為保證區(qū)間盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)安全和運(yùn)營(yíng)安全，需對(duì)此受損區(qū)段進(jìn)行修復(fù)加固設(shè)計(jì)。

2 受損區(qū)間盾構(gòu)管片現(xiàn)狀調(diào)查分析

為把握襯砌結(jié)構(gòu)目前的狀態(tài)，對(duì)受損區(qū)間隧道加固方案的制定提供依據(jù)和建議，首先對(duì)左線910～933環(huán)管片進(jìn)行受損情況調(diào)查，主要包括管片變形、管片裂縫、管片破損、環(huán)間錯(cuò)臺(tái)等幾個(gè)方面。

2.1 管片變形

管片結(jié)構(gòu)頂?shù)鬃冃我韵騼?nèi)收縮為主，水平向以向外擴(kuò)張為主，主要集中發(fā)生于917～928環(huán)，各環(huán)管片頂?shù)准把渴諗拷y(tǒng)計(jì)圖見(jiàn)圖2。其中第923環(huán)最大豎向變形量接近300mm，最大水平變形量接近380mm，變形數(shù)值均為目前國(guó)內(nèi)最大。這表明透水事故發(fā)生時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)由于側(cè)向水土流失，頂?shù)?、腰部變形明顯增大，管片本體及接縫處彎矩明顯增加、軸壓力減少，受力狀態(tài)惡化。常規(guī)的鋼圈加固整環(huán)為相同剛度（截面）且只能在隧道內(nèi)側(cè)進(jìn)行安裝，這能夠有效抵抗隧道結(jié)構(gòu)頂?shù)椎恼龔澗?，但是?duì)于腰部區(qū)域結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)效果有限。因?yàn)閷?duì)于負(fù)彎矩而言，內(nèi)部安裝的鋼板僅僅是增大了一小部分受壓面積，無(wú)法對(duì)于外側(cè)已經(jīng)屈服的鋼筋和螺栓進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。由于本案例中隧道結(jié)構(gòu)最大水平變形量已達(dá)到380mm，外側(cè)鋼筋及螺栓已經(jīng)屈服，隧道腰部和頂部需要采用不同剛度的鋼板截面以滿足不同區(qū)域的加固需求。

2.2 管片裂縫

左線910～933環(huán)范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)裂縫32條，分別位于918環(huán)與920～924環(huán)。裂縫分布于隧道拱頂左右30°的范圍內(nèi)，形態(tài)為沿隧道縱向的通長(zhǎng)裂縫，長(zhǎng)度范圍為0.20～0.85m，寬度范圍為0.10 ～0.72mm，深度范圍為11～94mm。裂縫的統(tǒng)計(jì)結(jié)果與前述管片變形結(jié)果基本保持一致，這表明920～925環(huán)管片受損嚴(yán)重，需要采取相對(duì)較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)措施。

2.3 管片破損

隧道左線910～933環(huán)共計(jì)發(fā)現(xiàn)管片破損10處，其中918～927環(huán)共發(fā)現(xiàn)破損5處，管片破損主要出現(xiàn)在縱向螺栓附近，是由于襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)與環(huán)之間發(fā)生相對(duì)變形而造成混凝土拉裂掉塊。

2.4 環(huán)間錯(cuò)臺(tái)

隧道0°、90°、270°環(huán)間錯(cuò)臺(tái)在910～918環(huán)均穩(wěn)定在0mm附近;在919～925環(huán)產(chǎn)生較大波動(dòng)，最大錯(cuò)臺(tái)量約15mm，發(fā)生在922環(huán)和923環(huán)之間;在926～933環(huán)繼續(xù)穩(wěn)定至0mm附近。環(huán)間錯(cuò)臺(tái)結(jié)果與上述管片破損統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，這表明隧道在919～925環(huán)環(huán)間變形不協(xié)調(diào)較大，沿隧道縱向軸向方向受力，需要進(jìn)行此區(qū)段環(huán)間結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)。

3 內(nèi)張鋼圈法加固設(shè)計(jì)方案

鋼圈加固設(shè)計(jì)采用整環(huán)加固和騎環(huán)縫加固兩種形式，鋼圈加固圓環(huán)圖見(jiàn)圖3。常規(guī)加固設(shè)計(jì)方法這里不再贅述，具體可參見(jiàn)文后參考文獻(xiàn)。

根據(jù)前述分析，920～925環(huán)隧道結(jié)構(gòu)受損十分嚴(yán)重，其中第923環(huán)最大收斂變形已達(dá)到380mm，內(nèi)外側(cè)鋼筋及螺栓已經(jīng)屈服，塑性鉸已達(dá)到一定數(shù)量，處于不穩(wěn)定狀態(tài)。常規(guī)等剛度的鋼圈加固均只能在隧道內(nèi)部進(jìn)行安裝，其對(duì)于盾構(gòu)隧道腰部剛度和負(fù)彎矩抵抗能力提高效果有限，僅僅只是增加了一小部分受壓面積。

鑒于隧道水平向?yàn)橄蛲鈹U(kuò)張，在滿足限界的前提下空間尚有一定富余，為了更好地增強(qiáng)鋼圈加固在隧道腰部的補(bǔ)強(qiáng)效果，設(shè)計(jì)方案在鋼圈加固完成后根據(jù)限界條件對(duì)其腰部進(jìn)行鋼格柵加肋處理，此措施尚屬?lài)?guó)內(nèi)首次，鋼格柵布置示意圖見(jiàn)圖4。增設(shè)的鋼格柵能夠有效增大隧道腰部的截面高度，加固剛度顯著高于頂部鋼板，即使在外側(cè)鋼筋和螺栓失效的情況下，仍然可以利用組合的型鋼截面抵抗外部荷載，能夠較大地提高隧道腰部抵抗負(fù)彎矩的能力，有效滿足了盾構(gòu)隧道不同區(qū)域的加固需求。

從現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，919～925環(huán)環(huán)間變形不協(xié)調(diào)較大，沿隧道縱向方向受力，需要對(duì)此區(qū)段環(huán)間結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。以往的鋼圈加固通常會(huì)將整環(huán)加固鋼圈和騎環(huán)縫加固鋼圈間斷設(shè)置，在保證隧道結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)效果的基礎(chǔ)上盡量保證隧道沿縱向上的柔性[6]。由于此次隧道破損情況十分嚴(yán)重，且范圍較大，鑒于此范圍隧道周邊土體已進(jìn)行充分注漿加固，地層情況較好，為提高此區(qū)段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度，國(guó)內(nèi)首次采用3cm厚、環(huán)寬600mm和900mm的鋼圈同時(shí)進(jìn)行加固，環(huán)寬600mm鋼圈騎環(huán)縫設(shè)置，各環(huán)鋼圈間連續(xù)滿焊形成鋼筒的設(shè)計(jì)方案，具體見(jiàn)圖5。后續(xù)將對(duì)此區(qū)段加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，為今后類(lèi)似工程提供參考。

4受損區(qū)間盾構(gòu)管片加固后效果評(píng)估

為了進(jìn)一步評(píng)估鋼圈加固效果，采用能考慮管片大變形的數(shù)值分析模型，以水平收斂變形最大（收斂變形達(dá)到380mm）的管片作為分析對(duì)象，分析透水事故工況發(fā)生后，加固管片在目標(biāo)工況下（1m覆土荷載下）的受力變形分析。分析時(shí)以單環(huán)、收斂變形最不利管片作為分析對(duì)象，不考慮縱向螺栓約束作用。

4.1 計(jì)算模型介紹

計(jì)算模型采用荷載-結(jié)構(gòu)模型，模型中按照對(duì)稱(chēng)簡(jiǎn)化原則，采用半環(huán)模型進(jìn)行分析，外部水土荷載采用水土分算原則，荷載計(jì)算模型示意圖見(jiàn)圖6。以管片變形最大的923環(huán)為研究對(duì)象，對(duì)管片進(jìn)行加載以模擬外部水土壓力，管片達(dá)到原始設(shè)計(jì)狀態(tài)后，通過(guò)不斷撤去腰部側(cè)向抗力PP來(lái)模擬管片周邊的水土流失，待管片計(jì)算變形與實(shí)際變形基本吻合后，安裝加固鋼圈，并采用界面單元和固定螺栓將加固鋼圈與管片固定。管片混凝土強(qiáng)度C50，管片內(nèi)徑為5500mm，外徑為6200mm，鋼板采用Q345，厚度為30mm。計(jì)算模型示意圖見(jiàn)圖7。

鋼筋混凝土管片采用三維實(shí)體單元，材料本構(gòu)采用總應(yīng)變裂縫模型，彈性模量為34500MPa，混凝土抗壓函數(shù)取常量函數(shù)，抗拉函數(shù)取Thorenfeldt函數(shù)，其中抗壓強(qiáng)度取32.4MPa，抗拉強(qiáng)度考慮考慮鋼筋受拉影響，等效取30MPa。

接縫螺栓為一維桁架單元，材料本構(gòu)采用范梅賽斯模型，彈性模量為206000MPa，彈性模量為200000MPa，初始屈服應(yīng)力為480MPa。

加固鋼圈采用二維板單元，材料本構(gòu)采用總應(yīng)變裂縫模型，彈性模量為206000MPa，抗拉及抗壓函數(shù)均為常量函數(shù)，抗拉及抗壓強(qiáng)度均取310MPa。

固定錨栓螺栓采用一維梁?jiǎn)卧?，材料本?gòu)采用總應(yīng)變裂縫模型，彈性模量為206000MPa，抗拉函數(shù)為多線函數(shù)，抗拉強(qiáng)度為40MPa。

界面單元為鋼筋混凝土管片與加固鋼圈的連接單元，材料本構(gòu)采用非線性彈性模型，其中法向剛度模量為6.75MPa，剪切剛度模量為2.68MPa。

4.2 透水工況模型結(jié)果分析

透水工況下，管片豎向位移及水平位移云圖如圖8和圖9所示，其中管片水平收斂變形為385mm，頂部位移為-311mm，與管片實(shí)際變形（水平：380mm;頂?shù)?00mm）基本吻合，能夠作為分析目標(biāo)工況下鋼圈加固效果的基礎(chǔ)。

4.3 目標(biāo)工況下鋼圈加固效果評(píng)估

計(jì)算模型模擬到透水工況后，激活加固鋼圈、固定錨栓及界面單元，繼續(xù)加載1m覆土荷載達(dá)到目標(biāo)工況。圖10和圖11為鋼圈加固后目標(biāo)工況下盾構(gòu)隧道水平位移云圖和豎向位移云圖，圖12和圖13為鋼圈未加固目標(biāo)工況下盾構(gòu)隧道水平位移云圖和豎向位移云圖，可以看出：目標(biāo)工況下，進(jìn)行鋼圈加固時(shí)管片水平收斂變形406mm，頂部位移334mm（向下），較前一級(jí)工況分別增加了16mm和17mm;未進(jìn)行鋼圈加固時(shí)管片水平收斂變形453mm，頂部位移383mm（向下），較前一級(jí)工況分別增加了69mm和72mm。

由此可以看出，管片在收斂變形達(dá)到380mm后，受壓區(qū)部分混凝土被壓碎，管片頂、底接縫螺栓屈服，依靠自身結(jié)構(gòu)其變形難以穩(wěn)定，采用變剛度鋼圈加固可以有效控制管片水平和豎向變形。

截至目前，此隧道已安全運(yùn)營(yíng)近3年，運(yùn)營(yíng)期間盾構(gòu)隧道幾乎沒(méi)有變形，表明變剛度內(nèi)張鋼圈的加固修復(fù)設(shè)計(jì)方法，以及采取的設(shè)計(jì)措施和構(gòu)造是安全可靠的，現(xiàn)場(chǎng)鋼圈加固完成后實(shí)景圖見(jiàn)圖14。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)某城市地鐵隧道大變形受損盾構(gòu)管片，在前期受損盾構(gòu)管片現(xiàn)狀調(diào)查分析的基礎(chǔ)上，選擇采用了內(nèi)張鋼圈的加固形式。在滿足限界的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)首次采用了變剛度的鋼圈加固形式，即在鋼圈腰部增設(shè)了鋼格柵，有效增大了鋼圈支撐剛度和抵抗負(fù)彎矩的能力。另外，為了進(jìn)一步提高受損最嚴(yán)重（380mm）區(qū)段盾構(gòu)隧道的剛度，國(guó)內(nèi)首次采取了13環(huán)鋼圈連續(xù)滿焊連接形成鋼筒的設(shè)計(jì)方案。而通過(guò)三維有限元模型進(jìn)行分析，可知此鋼圈加固形式能夠有效控制大變形受損盾構(gòu)管片的水平和豎向變形?，F(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)結(jié)果也證實(shí)了內(nèi)張鋼圈的加固修復(fù)設(shè)計(jì)方法以及采取的設(shè)計(jì)措施和構(gòu)造是安全可靠的，為今后類(lèi)似工程的修復(fù)設(shè)計(jì)提供了參考，具有較強(qiáng)的工程實(shí)踐價(jià)值。

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