基于注漿修復(fù)的地鐵隧道結(jié)構(gòu)穿孔風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與應(yīng)急修復(fù)方案研究

摘要：軌道交通隧道受外部施工作業(yè)影響導(dǎo)致被擊穿的情況越來越多，需明確各類修補(bǔ)措施的優(yōu)缺點(diǎn)并提出改進(jìn)方案，建立標(biāo)準(zhǔn)化處理措施，確保既有線安全運(yùn)營(yíng)。此次隧道穿孔事故采用了地面深孔注漿+洞內(nèi)注漿進(jìn)行圍巖加固，使用新型材料改性MPC特種水泥和高強(qiáng)防水涂料恢復(fù)隧道結(jié)構(gòu)。使用三維成像和雷達(dá)，分別對(duì)隧道修復(fù)結(jié)構(gòu)和地層檢測(cè)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，鋼筋清晰可見，地層也未見明顯反射，剖面較均勻，巖土體已經(jīng)密實(shí)，修補(bǔ)效果較好。最終得出，隧道中心線兩側(cè)30°～50°范圍為內(nèi)側(cè)拉壓轉(zhuǎn)換區(qū)域，一般短期內(nèi)隧道自身穩(wěn)定性可以得到保障，但長(zhǎng)期來看則會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重影響；地面注漿+洞內(nèi)注漿結(jié)合的修復(fù)方案，工期短，對(duì)周邊環(huán)境影響較小，對(duì)運(yùn)營(yíng)影響較小；對(duì)于傳統(tǒng)材料而言，新型材料在隧道穿孔事故中更具有實(shí)用性。

關(guān)鍵詞"：隧道；擊穿；應(yīng)急搶險(xiǎn)；修復(fù)方案

中圖分類號(hào)：U455 """""""""""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A """""""""""""文章編號(hào)：

Risk assessment and Emergency Repair Scheme of Subway Tunnel Perforation Based on Grouting Repair

LI Hanbing，F(xiàn)AN Tengfei，ZHANG wei

（Beijing Rail Transit Operation Management Co.，Ltd.，Beijing 100071，China）

Abstract：There are more and more cases of rail transit tunnels being broken down due to the influence of external construction operations，it is necessary to clarify the advantages and disadvantages of various repair measures and put forward improvement plans， establish standardized treatment measures， and ensure the safe operation of existing lines. In this tunnel perforation accident， the ground deep hole grouting + cave grouting was used to strengthen the surrounding rock， and the new material modified MPC special cement and high-strength waterproof paint were used to restore the tunnel structure. Three-dimensional imaging and radar were used to detect the tunnel repair structure and the formation， respectively，no obvious defects were found inside the structure， the steel bars were clearly visible， and the formation did not see obvious reflection，the profile was relatively uniform， and the rock and soil body was dense， and the repair effect was good. Finally， it is concluded that the 30° ～ 50° range on both sides of the tunnel center line is the inner tension and pressure conversion area，generally， the stability of the tunnel itself can be guaranteed in the short term， but in the long term， it will have a serious impact on the durability of the lining structure. The restoration scheme combining ground grouting and cave grouting has a short construction period， less impact on the surrounding environment and less impact on operation; For traditional materials， the new materials are more practical in tunnel perforation accidents.

Keywords： tunnel; breakdown;emergency rescue;repair scheme

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，地鐵隧道的安全問題逐漸受到關(guān)注。地鐵隧道結(jié)構(gòu)穿孔是一種常見的安全隱患，它可能會(huì)導(dǎo)致地鐵運(yùn)營(yíng)中斷、交通擁堵、人員傷亡等嚴(yán)重后果。因此，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)穿孔的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)急方案研究顯得尤為重要。目前，地鐵隧道結(jié)構(gòu)穿孔的修復(fù)方法主要包括注漿修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)加固、切割更換等。本文基于以上注漿修復(fù)方法，對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)穿孔的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，并制定相應(yīng)的應(yīng)急方案。

1 事故背景

"北京某地鐵公司管轄范圍內(nèi)，某一區(qū)間隧道由于外部門施工，隧道結(jié)構(gòu)被穿孔，孔洞直徑約15 cm，嚴(yán)重漏水并伴隨有砂石漏出。

根據(jù)地勘報(bào)告得知，該區(qū)域勘察鉆孔處為砂卵石地層，主要包含圓礫卵石、粉細(xì)砂、粉土，地下水豐富，水位標(biāo)高28 m，隧道結(jié)構(gòu)頂板標(biāo)高20 m，地下水位于區(qū)間隧道拱頂以上8 m，水壓過大，易發(fā)生涌水。水文地質(zhì)情況見圖1。

2 隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估

建立三維有限元精細(xì)化模型對(duì)既有地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析得知本區(qū)段隧道屬于典型的壓彎構(gòu)件，根據(jù)內(nèi)側(cè)彎矩分布情況，將隧道上半斷面分成3個(gè)區(qū)域，即受拉區(qū)、受壓區(qū)和拉壓過渡區(qū)，見圖2。

本次事故，擊穿部位位于隧道斜上方60°，范圍在隧道中心線兩側(cè)"30°～"50°，屬于隧道內(nèi)側(cè)拉壓轉(zhuǎn)換區(qū)域（"即Ⅱ區(qū)）。地質(zhì)鉆機(jī)成孔過程中打穿地鐵隧道，一般短期內(nèi)隧道自身穩(wěn)定性可以得到保障，但長(zhǎng)期來看則存在較大安全隱患。被擊穿的隧道，在最短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)營(yíng)，主要是利用地層自穩(wěn)能力與隧道結(jié)構(gòu)安全余量。地層的短期自穩(wěn)能力主要是隧道上方土體塌落拱尚未完全破壞，上方地層仍能在一定程度上維持自承載穩(wěn)定。已成型隧道與圍巖處于一個(gè)整體受力狀態(tài)，即使是管片襯砌，由于環(huán)與環(huán)之間、塊與塊之間的約束，再加上圍巖的整體約束，局部小范圍破碎后，短期內(nèi)隧道的整體安全仍在可控范圍。

被擊穿的隧道如得不到及時(shí)修補(bǔ)，由于地鐵列車運(yùn)行振動(dòng)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布，一方面臨時(shí)封堵只能起到暫時(shí)緩解的效果，但耐久性不能確定，另一方面隧道上方地層為砂卵地層，隨著地層被破壞，砂的流出，自穩(wěn)能力逐漸降低，塌落拱逐漸向地表發(fā)展，最終可能導(dǎo)致隧道上方全土柱荷載，可能影響隧道安全。

由以上分析可知，類似地質(zhì)鉆孔等外部作業(yè)引起的管片襯砌破損范圍較小，此時(shí)依靠管片襯砌的整體受力與圍巖的約束，隧道仍能在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)維持穩(wěn)定，然而，從長(zhǎng)期來看，將對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)隧道荷載模式的轉(zhuǎn)變會(huì)引起隧道內(nèi)力值急劇增加、管片裂縫寬度顯著增大，宜盡早修補(bǔ)破損區(qū)域[1]。

3 隧道應(yīng)急方案

事故發(fā)生后，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，經(jīng)過多次添乘，多次查看研判，漏水事故暫時(shí)無(wú)擴(kuò)大趨勢(shì)，為把損失降到最小，暫定停運(yùn)后進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)處理。首先，為了避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大，安排了專人持續(xù)申請(qǐng)?zhí)沓?，觀察孔洞滲漏是否有擴(kuò)大趨勢(shì)、隧道是否積水、是否影響運(yùn)營(yíng)。其次，邀請(qǐng)專家組根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋情況擬定臨時(shí)封堵方案；選擇有類似搶險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)施工隊(duì)伍；準(zhǔn)備應(yīng)急搶險(xiǎn)物資。列車停運(yùn)，接觸網(wǎng)斷電后，邀請(qǐng)專家組進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，確定封堵方案后，由專業(yè)施工隊(duì)伍進(jìn)行孔洞封堵施工?？辈煦@孔現(xiàn)場(chǎng)見圖3。

臨時(shí)封堵方案如下。①該處地下水豐富，水壓過大，正面封堵難度較大，為提高封堵效率，減少非必要的時(shí)間浪費(fèi)情況，首先在勘察孔洞旁，使用手電鉆斜向開4個(gè)10 mm泄壓孔（開孔數(shù)量及孔徑大小可結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定），以在封堵勘察鉆孔洞時(shí)用來泄壓；泄壓孔布置見圖4。②使用錘子、鋼絲刷清理基面，同時(shí)使用刮板、抹子及水桶，將封堵材料按“料：水=1：0.25～0.35”配比攪拌，攪拌好的材料發(fā)熱時(shí)，沿著勘察鉆孔四周，由外到內(nèi)，順次封堵。封堵材料選用速凝型堵漏靈，速凝型堵漏靈是由硫鋁酸鹽水泥混合外加劑制作而成，是一種具備快速抗?jié)B堵漏性能的無(wú)機(jī)粉料。具有凝結(jié)時(shí)間快、抗壓、抗折強(qiáng)度高、黏結(jié)力強(qiáng)的特點(diǎn)。封堵順序見圖5。③勘察鉆孔使用堵漏靈封堵完畢后，分別在泄壓孔內(nèi)安裝注漿嘴，并同時(shí)注入丙烯酸鹽混合液和環(huán)氧樹脂漿液兩種封堵材料，至不再有明水流出，比例按照“丙烯酸鹽混合液：環(huán)氧樹脂漿液=1：1”。完成臨時(shí)封堵現(xiàn)場(chǎng)情況見圖6[2]。

4 隧道修復(fù)方案

勘察鉆孔地面施工場(chǎng)地為封閉空地，施工條件較好，施工不受時(shí)間影響，但要考慮地面深孔注漿對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響，所以整體計(jì)劃全部選擇在夜間列車停運(yùn)后施工。首先，在施工前，使用地質(zhì)雷達(dá)儀對(duì)混凝土管片壁后缺陷進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)深度范圍2.5 m、平均深度約2 m 土體存在不密實(shí)區(qū)和富水區(qū)，需處理的巖土體體積為6 m×4 m×2 m=48 m3。

地面注漿過程中，隧道內(nèi)需實(shí)時(shí)做好監(jiān)控和測(cè)量，數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確傳達(dá)給外部注漿操作人員，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，立即停止作業(yè)。

洞內(nèi)修復(fù)隧道結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行地層加固質(zhì)量探測(cè)，對(duì)孔洞前后各一環(huán)管片范圍進(jìn)行檢查，探測(cè)孔利用管片注漿孔觀察，探測(cè)孔深＞50 cm，要打穿盾構(gòu)管片背后注漿層，如探測(cè)無(wú)明水流出，即可進(jìn)行施工作業(yè)。

結(jié)構(gòu)修復(fù)施工完成后，使用地質(zhì)雷達(dá)再次對(duì)混凝土管片壁后缺陷進(jìn)行檢測(cè)，兩次檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)比，判斷管片質(zhì)量缺陷。同時(shí)，使用超聲三維成像儀對(duì)結(jié)構(gòu)修補(bǔ)質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。

4.1 深孔注漿加固

深孔注漿加固具體步驟及參數(shù)如下。

1）"鉆孔：使用鉆機(jī)在注漿區(qū)域進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度應(yīng)達(dá)到需要加固的深度。

2）"清洗孔道：將鉆孔內(nèi)的雜物清理干凈，保證注漿材料能夠順利注入。

3）"安裝管道：將注漿管道安裝在鉆孔中，管道應(yīng)緊密貼合鉆孔壁，以避免注漿材料流失。

4）"注漿：在管道中注入注漿材料，注漿材料應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇，常用的有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、水泥等。

5）"停留時(shí)間：注漿材料進(jìn)入巖體后，需要在巖體內(nèi)停留一定時(shí)間，以保證注漿材料充分固化。

6）"檢測(cè)：注漿完成后，需要對(duì)注漿區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)，確保注漿效果符合要求。

7）"注漿材料：水泥水玻璃漿液配比為1：1。

8）"注漿壓力為0.5 MPa。

9）"注漿加固范圍：被打穿管片環(huán)及其前后各1環(huán)，共3環(huán)。

10）"注漿完成后，在被打穿的孔洞四周形成1個(gè)寬約6 m，長(zhǎng)約4 m，厚約3 m的加固體。要求加固后土體的無(wú)側(cè)向抗壓強(qiáng)度≥2 MPa，滲透系數(shù)＜1×10-7cm/s，注漿管距離管片頂距離≥1.5 m，防止注漿對(duì)管片受力造成不利影響[3]。

4.2 洞內(nèi)修復(fù)技術(shù)

1）"從區(qū)間隧道內(nèi)剔除干凈管片孔內(nèi)搶險(xiǎn)階段注入的臨時(shí)堵漏材料，然后使用凹槽專用打磨機(jī)對(duì)孔洞進(jìn)行打磨，沿著孔壁四周打磨“凹槽”，將孔洞打磨成內(nèi)大外小，用打磨機(jī)及吹風(fēng)機(jī)將浮渣清理干凈。

2）"將管片的孔洞鑿毛、剔槽形成上大下小的漏斗型孔洞。

3）"用高壓水槍沖洗干凈槽壁。

4）"在洞口植入2根φ14 mm的鋼筋。

5）"孔洞修補(bǔ)尺寸：被打穿孔洞直徑，深度為管片厚度外延5 cm。

6）"注入改性MPC特種水泥封閉孔洞。

7）"在修補(bǔ)完成的孔洞及其周邊500 mm范圍內(nèi)刷涂高防水涂料（水泥色）。

4.3 施工監(jiān)測(cè)

1）"施工中采取人工監(jiān)測(cè)法，對(duì)施工期間管片結(jié)構(gòu)及軌道幾何變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用的儀器為天寶電子水準(zhǔn)儀及軌道尺，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)規(guī)范要求，施工期間對(duì)地鐵線路該處進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2）"①軌道結(jié)構(gòu)豎向變形控制值：預(yù)警值1 mm，報(bào)警值2 mm，累計(jì)控制值3 mm；速率控制值0.05 mm/ min；②隧道結(jié)構(gòu)變形控制值：預(yù)警值2 mm，報(bào)警值3 mm，累計(jì)控制值5 mm；速率控制值0.1 mm/min。

4.4 結(jié)構(gòu)修補(bǔ)質(zhì)量檢測(cè)

本次管片孔洞治理采用組合探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多層次、分步驟對(duì)管片混凝土修補(bǔ)質(zhì)量問題進(jìn)行檢測(cè)評(píng)價(jià)。

應(yīng)用設(shè)備：超聲波三維成像儀。

主要特點(diǎn)：三維成像，實(shí)現(xiàn)病害的精準(zhǔn)探測(cè)，三維全矩陣數(shù)據(jù)采集模式。

探測(cè)精度：理論圓柱體缺陷1 cm；理論球體缺陷2.5 cm，探測(cè)深度0.75 m。

通過B-Scan，C-Scan，D-Scan視圖和3D視圖的觀測(cè)以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，可清晰看出管片下鋼筋顯示情況，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，管片后部未顯示較強(qiáng)的反射體，修補(bǔ)效果較好。超聲波三維成像儀監(jiān)測(cè)如圖7所示[4]。

4.5 地層檢測(cè)

1）應(yīng)用設(shè)備：雙屏蔽空氣耦合雷達(dá)（900 MHz+400 MHz天線）。

2）主要特點(diǎn)：空氣耦合無(wú)需與地面接觸、雙天線加強(qiáng)信息提高探測(cè)精度、雙屏蔽提高反射信號(hào)接收率、降低發(fā)射信號(hào)損失率。

3）注漿修復(fù)處理后，在注漿前的相同位置使用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，地質(zhì)雷達(dá)剖面圖顯示，檢測(cè)區(qū)域的管片背后未見明顯反射，地質(zhì)雷達(dá)剖面較均勻，巖土體已經(jīng)密實(shí)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)此次隧道結(jié)構(gòu)被打穿事件，明確了應(yīng)急搶險(xiǎn)方案，并對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，從分析結(jié)果可看出隧道的受力情況，根據(jù)受力分析，提出了合理的修復(fù)方案。本次事件的處理方法，較傳統(tǒng)方案相比，大幅節(jié)省了作業(yè)時(shí)間，縮短了修復(fù)周期，降低了對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響。本次結(jié)構(gòu)修復(fù)使用了新型補(bǔ)強(qiáng)材料，對(duì)修復(fù)后的隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集和研究，修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)后的隧道結(jié)構(gòu)雖不能恢復(fù)到原生狀態(tài)，但能使地鐵隧道結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，滿足了本次修復(fù)補(bǔ)強(qiáng)最初的要求，也驗(yàn)證了新型材料的實(shí)用性，為以后類似事件的處理積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參"考"文"獻(xiàn)

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編輯：楊洋