软土地区地铁隧道常见病害及防治

2015-10-14杨伟

河南科技 2015年23期

关键词：一号线路段病害

杨伟

（绿地城市投资集团，上海　200023）

软土地区地铁隧道常见病害及防治

杨伟

（绿地城市投资集团，上海200023）

地铁隧道结构的安全性与地铁的正常运营密切相关，而地铁隧道结构安全的影响因素很多。本文以南京地铁一号线西延线和地铁二号线为依托，通过对地铁隧道沉降和结构病害的调查分析，指出地铁隧道的结构病害与沉降的关联性，并提出隧道结构变形和病害的整治措施。

地铁工程；隧道病害；软体地区；防治措施

当前我国许多城市的人口大量增长，交通压力急剧增加，交通拥堵问题日益严重，而地铁交通具有载客量大、速度快、不占用地面空间、节能环保等突出优点，成为缓解大城市交通压力的必然选择。地铁工程建设绝大多数工程量均为地下工程，地下工程受地基变形影响较大。从已开通运行的多条地铁线路的病害调查发现，许多早期运营的地铁线路均出现了不同程度的不均匀沉降、裂缝、渗漏、道床隆起等病害，严重影响了乘坐的舒适度，甚至对地铁的安全运行构成威胁。尽管部分地铁线路的管理单位花费大量的人力、物力、财力和时间进行处治工程病害问题，但当前仍没有很好的解决方法。因此，对于地铁隧道的病害问题，地铁管养部门应加强对地铁线路的监控，及时发现地铁隧道的沉降变化和病害的发展问题，提出合理的治理措施，为既有地铁工程和在建工程提供指导和借鉴。

1　工程概况

随着近年来城市化进程的加快，南京城市区域范围不断扩展。为有效衔接各个辖区，地铁交通成为公共交通的首选，当前南京已建成6条地铁线路，还有多条地铁线路正在建设中。在建成的地铁线路中，地铁一号线于2005年建成通车，地铁二号线于2010年建成通车，其他线路均在2014后建成通车，由于地铁一号线和二号线建成时间稍长，在使用过程中已发现大量隧道结构病害现象，这对地铁的行车安全构成严重的威胁。

差异沉降是地铁隧道工程最为常见的现象，而过大的差异沉降会引发地铁隧道诸多病害，从地铁一号线和二号线沿线路段沉降的测试数据可知，南京地铁一号线和二号线部分路段出现了较为严重的差异沉降问题，从对隧道结构病害的调查可知，地铁隧道沉降较大的路段出现了较大范围的裂缝、内衬开裂、掉块、渗漏等病害。大量调查数据表明，隧道的差异沉降与地质情况、工程结构密切相关。南京地铁一号线西延线位于长江流域的低漫滩地貌区，土质主要为淤泥质土和粉质粘土，其承载力较低，在元通站、中胜站沿线路段出现了较大的差异沉降。南京地铁二号线为东西走向，在东侧马群站-金马路站区间，该地区土层主要为粉质粘土，线路采用南北明挖施工和中间盾构施工的形式，盾构区间的埋深在4.4m～15m，部分区间穿越沪宁高速路基和百水河底，该路段路基加固较为复杂，隧道的局部地区出现了较为严重的沉降问题，并伴有裂缝、渗漏现象；其西侧路段穿越长江漫滩地区，地层结构主要为淤泥质土、粉质粘土、粉土、粉细沙等，地下水大量发育，并与长江、外秦淮河相连，水文条件和地质条件均较差，这也导致该路段隧道差异沉降较为明显，各类病害较多，而且曾出现突发性的洞门涌水涌砂险情。因此，需要对南京地铁一号线和二号线典型区段进行病害的调查，分析病害的产生原因，从而提出针对性的治理措施。

2　地铁隊道病害的现状分析

2.1地铁隊道常见病害

地铁隧道的通车要求高，需要建设确保地铁隧道结构整体的稳定，并建有大量的附属设施。由于地铁线路通常里程较长，需要穿越不同类型的土层，不同土层特性对隧道结构的要求不同，容易引起隧道结构的差异沉降，而隧道长期沉降会引发多种类型的隧道病害问题，如渗漏水、衬砌裂损、衬砌腐烛、衬砌冻害、道床损坏、洞门损坏和附属建筑物损坏等，软弱土地区地铁隧道的差异沉降尤为显著，其也成为当前地铁建设工程项目研究的热点［1］。从大量的地铁隧道的病害调查数据来看，地铁隧道的病害主要是由外力作用、材料劣化、材料缺陷引起，主要集中在混凝土结构渗水、衬砌开裂和掉块、道床脱空等几个方面［2］。由于地铁隧道的现场工程地质条件的不同，各种病害出现的频率和严重程度也存在一定的差异。因此，在地铁隧道养护工作中，应加强对地铁隧道的状体监测，对地铁结构物的非正常变形预警，并采取适当的预防性养护措施延缓地铁隧道病害的发生［3］。对于已产生病害的地铁隧道，必须通过现场调查研究隧道病害的类型及成因，结合实际工程地质条件和施工条件，及早采取合适的治理措施。

2.2地铁隊道沉降情况

南京地铁一号线在工程施工中预埋了沉降基标，沉降监测系统的运行基本正常，少数沉降监测点数据采集系统出现故障。从长期沉降监测的统计数据来看，地铁车站的沉降较小，而地铁线路区间的沉降量较大，并且一号线西延线在奥体中心站到元通站、元通站到中胜站和中胜站到小行站线路区间范围分别出现了2处、1处、1处较为明显的沉降槽，最大累积沉降量超过115mm，不同路段沉降槽的沉降量差异较大，而且沉降槽的沉降量仍呈现持续增加的趋势，其对地铁隧道结构物的影响较大，需重点研究和采取合理的技术措施。对于非沉降槽区段，地铁线路区间的大部分路段的累积沉降量基本在50mm以下，但也发现一些邻近沉降槽的路段的沉降发展较快，有与沉降槽共同沉降的趋势。

南京地铁二号线在东侧马群站-金马路站区间和西侧的雨润大街站-元通站区间埋设了沉降基标进行沉降监测，沉降监测点采用永久性标志布设在地铁道床的中央位置，沿线每20m设置测点，包括200个道床沉降测点和水平位移测点，可以测试地铁线路沿线结构物的垂直位移、车站与隧道差异沉降。隊道沉降监测采用自动化为主、人工辅助的方式，每3个月对沉降数据进行统计分析。此外，对隊道沉降监测的同时，还对地铁隧道的直径收敛、拱顶距道床净距、管片接缝挤压及全断面变形情况进行监测。从监测结果来看，整个地铁隧道监测区间上下行行车方向的平均沉降量分别为-3.1mm和-4.0mm，相对轨后累计最大沉降量和相对运营累计最大沉降量出现在地铁线路上行方向的K3+232处，相对轨后累计最大沉降量为-35.2mm，相对运营累计最大沉降量达到-18.8mm，而且随着测试时间的推迟，整个线路监测范围局部测点的沉降出现略有增加的趋势，特别是K3+600～K4+300路段表现的较为明显，需进一步进行测试和评估沉降对地铁结构物的影响。

2.3地铁隧道的病害情况

2.3.1隧道衬砌裂缝

为全面了解当前地铁隧道的病害情况，对地铁一号线西延线进行了现场病害检测，当前整个隧道内出现的各类裂缝达到1918条，裂缝类型和数量见表1。

表1　地铁一号线西延线隧道的裂缝数量统计

由表1的统计结果可知，由于地铁一号线西延线投入使用时间较大，而且隧道穿越软土地区，地铁隧道出现了较多的裂缝，其中环向贯通裂缝、结构边墙裂缝、中隔墙裂缝等三类裂缝数量占所有裂缝的90％以上，裂缝大都是两侧边墙向拱顶延伸形成的。

结合沉降观测的数据来看，地铁隧道内的裂缝中有65％的裂缝处在沉降槽内，表明地铁隧道的裂缝与结构物沉降密切相关。而且全断面贯穿裂缝几乎全部在沉降槽，最大裂缝宽度基本在0.40mm～0.8mm，个别全断面贯穿裂缝宽度达到0.85mm，远超正常使用极限状态的裂缝宽度，必须采取合理的措施进行处理。

2.3.2隧道管片裂缝

相比地铁一号线建成10年的年限，地铁二号线通车时间只有5年，其隧道的病害情况也略少。从对西侧的雨润大街站-元通站区间隧道内病害的统计结果来看，隧道内出现的各类裂缝有242条，主要为管片的裂缝，裂缝分布于区间多段范围内，而且上行方向的裂缝数量远多于下行方向，上行方向有100环管片上出现了裂缝，而下行只有2环的管片存在裂缝。从裂缝的分布和发展情况来看，本区间管片的裂缝大都位于拱顶接触网两侧，逐渐由纵向贯穿管片。为衡量隧道裂缝的发展情况，对其中15环管节的裂缝宽度变化进行了统计与分析，裂缝数量和宽度的变化情况见表2。

表2　15环裂缝数量和宽度的变化情况

从对其中15环裂缝的发展情况来看，有少量原宽度小于0.3mm的裂缝宽度略有增加，裂缝宽度大于1mm的裂缝数量没有增加，表明该路段隧道的裂缝发展稳定，但应注意采取适当的措施防止裂缝的进一步扩展引发渗漏问题。

此外，在病害调查中还发现地铁二号线西侧隧道的内衬局部区域出现斑点，大部分螺栓出现了锈蚀现象，需要采取适当得到措施进行恢复。而地铁二号线东侧马群站-金马路站区间的拱顶、拱腰也出现了裂缝，裂缝宽度大都在1.0mm～0.3mm，非渗漏管片中，在123环管节的裂缝宽度达到3.0mm，129环管节的裂缝最大深度为13.8cm，而且127环管节的裂缝以出现渗漏现象。

2.3.3隧道裂缝的渗漏

从地铁一号线和地铁二号线的渗水情况观测发现，当前地铁隧道内总体保持干燥状态，渗漏现象较少，渗漏情况变化相对稳定。有部分裂缝存在湿缝现象，特别是环纵缝口部位较为潮湿，但未出现滴水。但也有少量裂缝在拱顶未出现滴漏，而在隧道腰部以下部位出现渗漏，渗漏较为严重的是在一号线西延线沉降槽附近的几处裂缝和二号线东侧K3+232处附近的环向贯通裂缝。

2.3.4隧道道床情况

当前地铁一号线和二号线的隧道道床均未出现严重的病害问题，也未因此引起列车的安全事故。从对地铁隧道道床病害的调查来看，监测区间范围内地铁隧道道床相对稳定，纵向施工缝基本未出现剥落现象，只有两处管片与道床结合部的纵向施工缝出现轻度的剥离。地铁二号线西侧线路的局部区域渗漏，导致道床两侧及水沟内存在少量淤泥滞留现象，在对淤泥清理后有少量地下水渗漏通过道床伸缩缝渗出，需要采取合理的措施进行堵漏。

3　地铁隊道病害整治对策

3.1隊道结构的变形分析

地铁隧道的大部分病害都与隧道结构的沉降有关，而地铁隧道沿线的土体性质、土层分布、施工工艺、地面荷载、隧道渗漏水和周边工程施工均导致地铁隧道结构的沉降［4］。地铁一号线西延线地面荷载、周边建筑施工对沉降的影响均较小，导致该路段产生沉降的主要原因是地质问题。该地区分布大量的软弱土层，软弱土层在运营荷载、施工扰动的影响下，土体沉降会加剧发展，导致地铁隧道的累积沉降量较大，隧道结构物作为刚性体，无法与土体协同变形，极易导致隧道结构的开裂，进而引起多种病害问题。地铁二号线东侧隧道沿线地质情况良好，但局部路段存在突变的沉降变形和多种隧道病害问题，调查表明该路段地铁隧道的非正常变形是由于隧道上方堆积大量的外来工程弃土，土体高度达14m，导致土体的变形急剧增加，并引起了隧道结构的破坏。地铁二号线西侧隧道局部路段也存在较大的沉降和隧道结构病害，调查表明其与隧道周边的工程施工相关，周边土建工程基坑的开挖对隧道周围土体产生较大扰动和土体内部受力特性的改变，引起了地铁隧道结构物的开裂，同时基坑蓄水水位的变化，引发隧道结构的渗水和漏沙，加剧地铁隧道结构病害的发展。

3.2地铁隧道病害的整治措施

地铁隧道的过大沉降和不均匀沉降是引起隧道结构病害的重要原因。对于地铁隧道沉降的处治，应根据沉降引起的原因采取有针对性的病害处治措施［5］。地铁一号线西延线的地铁隧道沉降主要是由于软土的自身变形引起，在对地铁隧道裂缝的修复中应对结构沉降进行控制，可在隧道外墙与围护桩之间采用旋喷桩进行加固，可避免破坏隧道的施工缝，沉降监测的测试结果表明该方法具有良好的加固效果，使软土路段的隧道沉降趋于稳定。对于地铁隧道该路段的裂缝病害，不渗水的微裂缝采用水泥浆或环氧树脂砂嵌补，可能引起渗漏水的裂缝根据宽度的不同分别采用不同的措施。对于宽度较小的裂缝（＜0.3mm）可暂时不处理或采用无机水性高渗透性密封剂涂刷，并进一步观测其扩展状况；对于宽度较大的裂缝（＞1.0mm）可采用较细的研磨水泥灌装处理；而裂缝宽度为0.3mm～1.0mm的裂缝可先采用灌注水泥浆堵漏、再涂刷有机胶乳的方式进行封闭。

地铁二号线东侧地铁隧道的异常沉降主要是由于地面覆土过厚导致，该路段地铁隧道结构的修复必须先清除地面的覆土至设计的荷载水平，然后采用钢环加固变形量较大（＞1.15D）的管片，变形量小于1.15D的管节采用粘贴芳纶布的方法进行加固。对于管片环向的裂缝，采用在拱顶灌注刚性环氧树脂、两侧灌注弹性环氧树脂的方式进行封闭。地铁隧道结构加固完成后，再进行管线修复、管片修补和道床水沟恢复的工作。地铁二号线西侧地铁隧道的沉降主要是由于周边的工程施工导致，需要采取注浆方法加固地基，并进行保护性监测，对于破坏严重的管节可采用钢环加固，保持地铁隧道结构的稳定。对于未产生渗漏的裂缝，可采用地铁一号线西延线的处治方法，而已经出现渗漏现象的裂缝，应先清除缝内的泥土，并采用柔性环氧或水溶性聚氨酯浆材进行封堵，已经锈蚀的螺栓应清除锈迹并进行防锈处理。