轨道交通盾构区间结构防水及耐久性策略分析

刘卓敏

摘 要：随着中国城市化的飞速发展，城市轨道交通在中国主要城市的交通运输中发挥着越来越重要的作用。城市轨道交通作为一个“世纪工程”，其耐久性设计是一个必须考虑的问题。根据城市轨道盾构隧道的结构尺寸和结构特点，本文综合传统设计方法总结了城市隧道耐久性设计的基本内容，介绍了提高城市隧道耐久性的新方法。

关键词：轨道交通 盾构区间 防水及耐久性 策略分析

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）07（a）-0043-02

随着城市化进程的加快，传统道路交通的低利用率和 结构缺陷已不能满足现代大都市的交通需求。交通拥挤 造成的生活不便、环境污染、城市运营成本增加等一系列 问题是政府普遍面临的问题。到目前为止，发展城市轨道 交通是解决交通拥堵问题的良好方案，也已成为各大城市 发展的基本基础设施。预计到2020年，我国将有50个城市 建有轨道交通，全国轨道交通里程將超过6000km，也就 是说，未来几年城市轨道交通建设将保持高速发展。

1 城市隧道设计规范与要求

现行的《城市轨道设计规范》（GB 50157-2013）规定了轨道主体结构设计年限是（使用年限）100年。对于“100年工程”，本身投资大、施工周期长，因而对其质量要求非常高，其中，地下结构的耐久性是特别重要的。地下结构的防水及耐久性的反映和体现是工程界日益关注的问题。城市轨道盾构隧道与岩石、地下水等介质密切相关，并不断受到风、水的侵蚀，还必须承受土压、共振、地震等外部影响。同时，结构中所使用材料的性能会不断退化，从而造成隧道各部位的各种损伤和劣化，造成一系列的危害（如隧道崩塌，路面渗漏、变形过大、沉降差、开裂、坍塌 等。）而行界熟知的例子即是这样：香港地铁区间隧道建于20世纪70年代，经过20年的运行，维护人员发现钢筋在内排被腐蚀，导致混凝土保护层脱落，影响运行的安全和地铁线路的使用寿命。发现问题后，香港地铁投入大量资金，在不影响地铁正常运行情况下，采用超高压水刀，先去除内排钢筋及其保护层，再喷钢；接着用玻璃纤维筋添加混凝土填充内排钢筋（植筋），并用聚合物混凝土加固修复。这个办法有效地维护了整个地铁的运行与使用，也为后来者提供了很好的借鉴。国内地铁区间隧道发展迅速，一些地下工程如道路和跨江隧道遇到了类似的问题，也试图用这个办法解决。但是这个维护方法耗资大，地铁建设本来就投资巨大，所以后期难以维护和改造。这就要求在建设中必须重视地下结构的耐久性，以减少后期维护的成本。

2 城市轨道盾构隧道耐久性的影响因素分析

国内城市轨道盾构隧道普遍采用预制板式钢筋混凝土管的办法。但混凝土结构埋藏在地下岩土下，受地下水或其它腐蚀介质的影响，其耐久性的因素是复杂的和不确定的。主要因素包括以下几个方面。

2.1 环境因素

它包括岩土、隧道内外的温湿度、地下水、CO2、特殊离子环境、腐蚀环境和杂散电流。

2.2 材料因素

它包括水泥品种、水胶比、外加剂、添加剂、螺栓的耐腐蚀性、密封垫片的耐久性、防腐涂料等。

2.3 结构因素

它包括结构尺寸和结构特点、应力状态和水平、裂缝程度、不均匀沉降、砂层液化、荷载变化、地震作用、爆炸冲击波等。

2.4 施工因素

在管道的生产、运输和安装过程中，管件可能被损坏；特别是在管道组装时，管片位置与盾构掘进姿态不一致，且分布不均匀。能否有效地形成管片后面的保护环，也是节段耐久性的关键。众所周知，地下工程具有投资大、隐蔽性强、工程后期修复困难等特点。一旦出现耐久性问题，很难发现并特别容易引发重大安全事故。即使找到了，它也要花很多钱去修理和加固。因此为了提高城市轨道盾构隧道的耐久性，应该从设计、施工和使用管理等方面考虑，尤其要针对影响耐久性的各种因素采取相应的措施。作为工程设计人员，在设计初期应引入耐久性的概念，加强盾构隧道预制节段、接缝螺栓和密封垫的保护，降低运营维护成本，提高服务质量。

3 地铁盾构隧道耐久性设计方法和内容

目前，定量计算方法主要应用于特殊工程、教学和科研，尚未达到工程应用的广泛水平。中国现行的混凝土结构设计标准仍然是一种传统的方法或改进的传统方法。根据混凝土结构受腐蚀的严重程度，将环境效应定性为多个等级。因此混凝土材料的耐久性要求和钢筋保护层的厚度也是必需的。同时，城市轨道交通行业标准（CJJ 49-92）应满足城市轨道杂散电流腐蚀防护的技术规范，并对结构设计提出相关要求。所以，地铁隧道的耐久性设计应包括以下内容：结构设计寿命、环境类别和作用等级，作为进行耐久性设计的基本技术标准。更提出了混凝土原材料的质量、配比和耐久性要求，作为施工过程中验收的依据。也明确了混凝土结构裂缝的控制要求，作为结构设计和后期养护的主要技术标准。采用结构形式、布局和结构等保护层的结构尺寸和厚度，有利于减轻环境影响。针对严重的环境影响，采取了腐蚀防护附加措施或多种保护策略。

4 判别环境作用等级的方法

目前，国内规范中对环境范畴的界定存在分歧。对于一般环境，判断环境作用水平时需要考虑的环境因素主要是湿度（水）、温度和CO2和O2的供应。由于地铁隧道长期埋在地下水位以下，在永久静水浸没环境中可以考虑与水和土壤的横向接触，而环境影响等级为-B。根据室内湿度环境，水位水平通常为i-b。另一方面，目前的规范只提供干湿交替的定性标准。因此，建议在一定时期（如一年）内连续监测地铁隧道的温湿度变化情况，为判断地铁隧道的环境作用水平提供依据。选择和制作盾构隧道耐久性的关键是混凝土材料的制备和预制混凝土管片的生产。混凝土的渗透性影响混凝土中水和腐蚀介质的传递速率和聚集效应。因此，提高混凝土的渗透性是提高混凝土耐久性的关键。根据目前的工程经验，可以适当地进行调整保证其混凝土保护层有足够的厚度，能有效地防止外腐蚀介质渗入钢表面，避免钢材腐蚀。钢筋的免受锈蚀将大大提高管片的耐久性。此外，防腐涂料可以涂在管子外面，以切断或减少地下水与腐蚀介质和管子的接触，并减少各种化学腐蚀。在特殊条件下，可以加入钢筋防锈剂，稳定钢筋表面的氧化膜钝化膜，整个钢被钝化膜包裹，从而抑制钢的被腐蚀、生锈的效果。目前，国内城市轨道盾构隧道提出双层衬砌的概念，即在单层预制管衬砌内侧加一层现浇钢筋混凝土衬砌。盾构隧道采用双层衬砌，虽然早期增加了投资，但在一定程度上提高了管子的受力，弥补了裂缝对隧道耐久性的影响，是切实有效的增强耐久性的好方法。

5 城市轨道盾构隧道耐久性构造措施

5.1 密封垫

对于城市轨道盾构隧道，应采用大量螺栓拼接预制管。接头必须采用密封垫圈防水。因为接头的总长度是隧道长度的20倍以上。所以，保证接头的防水性能是必不可少的。垫圈按功能可分为三类：弹性垫圈、水膨胀橡胶垫圈和吸水膨胀橡胶复合垫圈。除了满足防水性能外，还应提出耐久性设计。

5.2 管片连接螺栓表面一般采用锌基铬酸盐涂层进行防腐处理

为了提高裸露螺栓的耐久性和隧道的防水效果，采用微膨胀水泥堵住段孔。根据现有盾构工段的现场检查情况，存在分段手孔材料堵塞和脱落的情况，对作业安全有不利影响。因此，为了保证操作的安全，顶盖孔不能堵塞，而且要对暴露的螺栓加防锈处理。

5.3 联络通道特殊衬砌环

目前，联络通道特殊衬砌环包括混凝土段（后切割）、全环钢管板、钢管板和混凝土节段。从耐久性的观点来看，特殊的衬砌环应该使用混凝土节段。当接触通道通过冻结法加固时，有必要在节段上钻孔以安装冷冻管。但是，采用冻结法加固地铁盾构区间的连接通道可能会不可避免地会对管的结构造成破坏，甚至破坏钢管的钢筋。因此，当采用冻结法加固接触通道时，应使用钢板。在使用钢管板时，应注意以下耐久性问题。除了钢管板的要求外，还应考虑钢管的腐蚀，应适当加强钢板的厚度。服役阶段暴露的钢板应采取防腐措施，在钢管内腔内填充混凝土，形成钢构件的混凝土保护层。考虑到防腐層在施工过程中的磨损，在接触通道的施工完成后，钢管板应补充防锈处理，并涂上防腐涂层，以提高钢的耐久性。目前，中国地铁大多采用后锚固方式与隧道结构相连接。它需要在管子上钻大量的孔，这个做法会削弱管的受力性能，甚至有时引起管的裂纹和钢筋的损坏，并影响管的耐久性。因此，在设计界面协调和机电安装阶段后，应加强锚固钻进施工控制。

其次，电缆支座间距与管片宽度应统一模数。在钻探前应使用钢筋检测仪来检测管片的补强，锚固孔应尽量避免主加固。如果螺栓孔与节段加强件发生冲突，螺栓孔的位置应进行调整，并且不能破坏该段的加强。如果存在废孔，则使用化学锚胶或高强度环氧树脂水泥砂浆填充。为了避免后锚固孔对隧道段的不利影响，也可以运用钢轨滑道和绝缘尼龙套管技术。该技术已经在台湾和日本得到了广泛的应用。

6 结语

综上所述，为保证城市轨道的质量，为确保人民的出行便利与安全，工程设计人员应借鉴国内外的成功经验，吸收国内外出现的新概念和新技术，结合工程实践，采用科学合理的设计方法，以提高城市隧道的耐久性。

参考文献

[1] 孙钧.崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计[J].建筑科学与工程学报，2008（1）：1-9.

[2] 吕志刚.浅析地铁结构耐久性设计[J].建材技术与应用，2007（11）：23-25.