地铁盾构隧道管片破损修复技术研究

罗昭明;董志超

【摘 要】某地铁区间隧道挖掘贯通后,受后续施工的影响,产生了较大变形与位移,并导致管片错台、破损与局部开裂. 为避免隧道的进一步损坏以及确保盾构隧道的运营安全,需对隧道管片进行修复处理. 在分析该区域地质条件的基础上,经多方案比较,决定采用钢板内衬加固的方式对破损管片进行修复. 对钢板内衬加固所涉及的净空复核、管片受力复核、裂缝处理及环片加固等技术问题展开了详细论述. 工程实践表明,钢板内衬加固的方式效果良好,可供类似工程修复问题借鉴.%After the excavation of a metro tunnel, affected by subsequent construction, the surrounding rock mass has large de-formation and displacement, causing the dislocation, breakage and local cracking of the shield segment. To avoid further damage to the tunnel and ensure the operation safety of the shield tunnel, the shield segment should be repaired. On the basis of analy-zing the geological conditions in construction area, and through comparing the schemes, the inner steel lining reinforcement was adopted to repair the shield segment. The technical problems such as the clearance checking, review of internal force of segment pieces, crack treatment and ring reinforcement were discussed. The engineering practices show that the effect of inner steel lining reinforcement is satisfied, which can be recommended in other similar projects. 【期刊名称】《人民长江》 【年(卷),期】2015(046)024

【总页数】5页(P59-62,93)

【关键词】盾构隧道;管片修复;钢板内衬;地铁工程 【作 者】罗昭明;董志超

【作者单位】长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010;长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北 武汉 430010 【正文语种】中 文 【中图分类】U455.43

随着城市地铁及相关市政工程的大规模建设，盾构隧道在国内的应用也越来越多。绝大多数的盾构隧道采用单层衬砌结构，因此一旦盾构隧道管片发生变形、破损，修复较为困难。某工程盾构隧道掘进后，管片受后续施工的影响，发生明显位移与变形，导致管片破损严重而需进行修复。本文以该工程实例为基础，对管片修复的相关技术问题展开较为详细的阐述，为类似工程施工提供参考。 1 工程概况

某地铁区间右线隧道于2012年7月7日贯通，2012年12月28日准备进行车站端头的后浇洞门环梁施工时，在拆除0环管片后发生漏水涌砂现象(约80 m3)，进而导致该区间的609～614环共6环盾构管片出现较大变形及错台。

管片破损位置见图1，其中左线隧道已于先期施工完毕，左右线隧道中心距14 m，净距8．0 m。管片破损区域紧邻端头加固区，该区域地势较为平坦，地表为鱼塘。隧道断面为单线圆形隧道，管片外径6．0 m，内径5．4 m，全环由1块封顶块、2块邻接块、3块标准块共6块管片组成。管片厚度为0．3 m，环宽1．5 m，管片的环与环、块与块间均以M27(机械性能为8．8级)弯螺栓连接，采用错缝拼

装。

图1 管片破损位置示意(单位:mm)

隧道穿越地层主要为 (3-5)粉质黏土、粉土、粉砂互层、(4-1)粉细砂。(3-5)粉质黏土、粉土、粉砂互层为灰～灰褐色，粉质黏土呈软～可塑状，粉土呈中密状，粉砂呈松散状，各单层厚度约0．5～1．0 m。该层物理力学性质各向异性明显，强度一般，压缩性中等，含有过渡型孔隙承压水，对施工不利。(4-1)粉细砂为灰色，含石英、云母，局部夹薄层粉土或粉质黏土，呈饱和、稍密状态，强度尚可，压缩性中～低，该层中赋存的孔隙承压水对盾构隧道修复施工不利。 2 盾构管片受损情况

现场检查发现，管片接头处边角混凝土有挤碎现象，主要出现在608，609，614和615环管片的各螺栓孔位置，缺损块尺寸平均约300 mm×80 mm×50 mm，且局部螺栓屈服、拉出，如图2所示。 图2 螺栓屈服、拉出

发现变形后，立即对隧道拱顶、仰拱、水平直径方向左右两点的坐标与高程以及管片间的错台进行了测量，管片变形后的椭圆度与错台量如表1所示。 表1 管片椭圆度及错台量images/BZ_428_197_2027_11_2127.png608 5457 53 2 131 70 609 小里程5581小里程5307 4大里程 556里程 5304 38 31 610 小里程5568小里程5297 4大里程 554里程 52 42 24 611 小里程5550小里程5271 5大里程 5541大里程 5272 5 1 612 小里程5596小里程5268 5大里程 5569大里程 5255 10 5 613 小里程5567小里程5240 5大里程 5571大里程 5244 46 43 614 小里程5583小里程5247 5大里程 5574大里程 5250 160 47 615 5475 5363 2

裂缝检测结果表明，611环管片在A3块有4条裂缝、612环管片在A1块有2条裂缝、613环管片在B2块有4条裂缝，裂缝宽度在0．1～1．75 mm之间，且

每块管片都有一条沿深度方向的贯穿裂缝。强度检测结果表明管片混凝土强度值均满足设计要求。 3 修复方案比选

根据盾构隧道管片的损坏情况，提出了以下3种修补方法:第一种是在管片内侧设置钢环片来对管片进行加固(钢片内衬);第二种方法是对地层加固后采用暗挖法对已破损管片进行替换(暗挖法);第三种方法是从地面采用明挖，对破损管片区进行重新施工(明挖法)。这3种方法的优劣对比如表2所示。

表2 隧道修复方法优劣比较images/BZ_428_1288_903_2280_970.png方案1 较容易 安全 3个月方案2 较困难 风险较高 4个月方案3 较困难 较安全 8个月

方案1需要对隧道净空进行详细计算与复核，并且钢环片施工需要保证精度，后期地铁运营过程中如再发生变形则易造成净空不足，影响行车安全;方案2需先对已破损隧道周边地层进行加固，其加固施工易对左线隧道产生不利影响，且暗挖施工风险较大;方案3工艺成熟、风险小，且后期施工隧道衬砌质量好，但造价高、工期长，不满足年底通车的要求。经综合考虑，决定采用方案1对破损管片进行修复。

4 钢环片内衬修复方法介绍

根据现场检查结果可知，该工程中管片加固范围为600～620环，其中608，609，614与615环为错台严重区，610～613环为变形严重区，600～607环、616～620环为轻微影响区。

钢环片内衬修复主要按净空复核、管片受力复核、管片破损与裂缝处理、钢环片加固等几个步骤进行。 4．1 净空复核

变形后的隧道应满足限界要求，按照相关规范规定，增加钢板内衬后设备限界至侧

壁的距离满足规范要求(大于200 mm)，因此，修复前对线路进行了调坡处理(下调10 cm/15 cm)，保证钢板内衬后设备限界至侧壁有204 mm/251 mm的距离。608环主要破损区的净空复核如图3所示。 4．2 管片受力复核 4．2．1 计算模型与参数

为验算钢环片内衬补强后管片的受力情况，采用有限元软件Ansys进行三维计算分析。结构分析采用地层-结构计算模式，计算模型如图4所示，共包含12 700个单元，14 542个节点。

本次计算选择变形最大的第613环(椭圆度按5%进行计算)，盾构管片及钢板内衬均采用实体单元来模拟，其中盾构管片厚度为300 mm，钢板内衬厚度为30 mm，管片和钢板均采用横轴5 567 mm，竖轴5 240 mm的椭圆进行实体建模，盾构管片内侧与钢板外侧共用相同的节点，两者共同受力共同变形，以此来模拟混凝土管片与钢板之间的叠合作用。

对于管片裂缝，要求在钢板加固前采用灌注环氧树脂浆液的方法进行处理，因此本次计算时假定管片为连续体。

图3 608环主要破损区净空复核(单位:mm) 图4 数值模型

计算所取参数仍采用详堪报告中的建议值(详见表3)，其中土体泊松比根据侧压力计算得到，ν=K0/(1+K0);弹性模量根据压缩模量换算得到，Eo=βEs，其中 β =1-2ν2/(1- ν);混凝土管片及钢板内衬的相关计算参数如表4所示。

表3 土层计算参数表地层编号及岩土名称饱和重度γat/(kN·m-3)内聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)fak/kPa Es MPa静止侧压力系数K0水平基床系数K'/(MPa·m-1)垂直基床系数K(MPa·m-1)渗透系数/(cm·s-1)16．5 7 5 50 2．5 0．72 6 3 2．0E-6(3-1)黏土 19．1 20 11 1205．5 0．43 40 20 6．0E-7(3-2)粉质黏

土 17．1 12 5 70 3．2 0．53 20 10 1．9E-7(3-5)粉质黏土、17．7 12 13 110 7．0 0．43 24 12 1．4E-2 18．8 0 28 155 13．5 0．40 24 12 19．0 0 33 200 18．0 0．38 36 18粉土、粉砂互层(1-3)淤泥(4-1)粉细砂(4-2)粉细砂

表4 混凝土管片及钢板内衬计算参数混凝土等级混凝土容重γc/(N·m-3)混凝土弹模Ec/MPa混凝土泊松比νc钢板内衬钢板容重γs/(N·m-3)钢板弹模Es/MPa钢板泊松比νsimages/BZ_429_1284_545_2284_594.png 4．2．2 计算结果

混凝土管片的第一主应力σ1、第三主应力σ3分布如图5和图6所示，从图中可以看出，整个盾构管片大部分位置处于受压状态，只是在拱腰外侧及拱底内侧出现局部的拉应力，其中第一主应力为-0．8～11．6 MPa，第三主应力为 -14 ～0．28 MPa。

图5 混凝土管片σ1分布 图6 混凝土管片σ3分布

根据上述应力计算结果，按截面将应力积分转化为内力值(弯矩、轴力)，结果如表5所示。利用《混凝土结构设计规范》对管片内力进行配筋与裂缝验算，计算结果表明，管片受力满足要求。

表5 混凝土管片内力值轴力N/kN 0°(拱顶) 97．57 1173．86 180°(拱底) 111．20 1367．74 90°(拱腰) 110．11 739．19 270°(拱腰) 109．75 735．20位置 弯矩M/(kN·m)轴力N/kN 位置 弯矩M/(kN·m)

钢板内衬的第一主应力σ1、第三主应力σ3分布如图7和8所示，从图中可以看出，钢板内衬第一主应力 σ1为 -0．3 ～40．7 MPa，第三主应力 σ3为 -55．9 ～-0．55 MPa，小于 Q345钢的强度设计值295 MPa，满足强度设计要求。

图7 钢板内衬σ1分布 图8 钢板内衬σ3分布 4．3 管片破损与裂缝处理

混凝土管片的破损与裂缝可能产生渗漏，甚至影响结构的耐久性，因此应对其进行修补处理。对于管片破损位置，先凿除破碎混凝土，然后再用环氧水泥砂浆修补;而对于裂缝，处理方式如下所述。

(1)用钢丝刷和砂轮仔细清理裂缝两侧各30 mm的表面。 (2)清除油污、松动混凝土、浮尘，确保裂缝清晰。

(3)选择和确认混凝土裂缝上的注浆点(原则上要求相邻两个注浆点的间距不超过裂缝本身的深度)，预定注浆点间距为300 mm。

(4)沿裂缝开凿宽和深各40 mm的“V”型槽。冲洗干净后，埋设注浆管嘴，然后在槽内涂刷树脂基液。

(5)待基液开始初凝时，沿裂缝走向60 mm范围内用抹刀刮抹SD环氧粘合剂，尽量一次完成。

(6)采用低压灌注DP40环氧树脂进行注浆，注浆顺序为由低到高、一侧向另一侧逐渐靠近。 4．4 钢环片加固

错台严重的608，609，614与615环采用三环厚度30 mm，环宽600 mm和1 200 mm的钢板进行加固，中间钢板内衬环采用环宽1 200 mm的钢板进行骑环缝设置，具体加固剖面如图9所示;变形严重的610～613环采用厚30 mm，环宽1 200 mm的钢板进行整环加固，钢板内衬非骑环缝设置;影响较小的600～607环，616～620环采用厚20 mm，环宽1 200 mm的钢板进行整环加固，钢板内衬非骑环缝设置。

图9 错台严重管片钢板内衬加固剖面(单位:mm)

钢板沿衬砌环内弧面布置，形成钢圈。钢板内衬分6块制作，现场焊接拼装，选用Q235B级钢材。钢板与管片内弧面紧贴，间隙采用环氧树脂填充密实。钢板内衬分块长度根据施工工艺作调整，确保钢板内衬通缝拼装。

钢板内衬采用M16不锈钢内膨胀螺栓固定在管片上，膨胀螺栓位置应避开管片钢筋，钻孔深入管片100 mm。沿衬砌内弧面以钢板内衬作加固时，钢板内衬顶部及底部应预设压环氧树脂的进浆孔和出浆孔，钢板内衬加固圆环如图10所示。 图10 钢板内衬加固圆环

对于管片与钢圈之间的空隙，在钢圈加固作业前用高强度混凝土挂网填充(600～607环、616～620环除外)，并与钢板外侧预留10 mm间隙，钢圈加固后，采用刚性环氧浆液填充。 5 结语

针对某地铁工程盾构隧道管片破损的情况，在分析该区域地质条件和施工进度的基础上，经仔细比选，最后采用钢板内衬的方法进行修复，介绍了修复过程所涉及的净空复核、管内受力复核、裂缝处理及环片加固等技术难题。目前，该区间隧道已顺利运营近2 a，表明本文所介绍的钢板内衬加固破损盾构管片法是安全可靠的，为今后类似工程的顺利实施提供了参考。