城市地铁隧道衬砌病害分析及加固方法研究

董光辉，吴锋

（1.天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000；2.大连交通大学，辽宁 大连 116028）

1 引言

近几十年我国城市规模快速扩张，市区交通不畅问题日益严峻。城市地铁作为一种现代化交通方式，以便捷、准时及安全等特点成为人们优先选择的一种出行方式。截至2018 年年底，我国已有35 个城市开通了城市轨道交通。其中，地铁运营里程高达4 354.3km，占总里程的75.6%。

但由于地下环境复杂、隐蔽性强，且施工技术受周边既有建筑限制，导致地铁设计中不确定性因素倍增，衬砌结构病害难以控制【1～3】。如 2012 年杭州地铁 1 号线在开通不到一周时间出现3 次渗水事故，导致大规模停运。随着运营时间及里程的增长，隧道结构不可避免地出现性能劣化，进一步加剧了病害的发生概率及危害。如2012 年1 月下旬，为消除隧道不均匀沉降的累积影响，上海地铁对4 号线海伦路区段封站大修，严重影响了市民出行。由此可见，合理辨别隧道衬砌的病害特征，分析其发生原因并提出切实有效的加固方法是十分重要和必要的。

2 城市地铁隧道衬砌病害及原因分析

衬砌结构作为隧道的骨架，其力学和耐久性能直接关乎隧道的运营安全。目前，国内外学者针对隧道所处环境和施工技术的不同，通过大量实践调查，对衬砌结构的典型病害进行了研究，取得了显著成效【4，5】。现结合既有成果，针对地铁隧道衬砌病害表现与机理间的关系，从以下3 方面进行分析总结。

2.1 衬砌渗漏水

渗漏水是隧道衬砌的一种最主要病害形式，不但会影响地铁电气设备的使用安全性，带有侵蚀性介质的长期渗漏水还会显著降低衬砌结构的承载力，在衬砌后土体中形成空洞，威胁隧道结构的安全。

使用明挖法和矿山法施工的地铁隧道，衬砌结构多采用整体式浇筑。渗漏水的位置一般出现在施工缝、变形缝以及混凝土结构自身开裂的位置处。使用盾构法施工的地铁隧道，衬砌为装配式管片，分布数量众多的接缝和栓孔。管片间纵、环接缝，以及螺栓孔和注浆孔是主要渗漏水的位置。

从以往统计来看，施工技术及质量是影响渗漏水的重要因素。整体浇筑的衬砌结构应严控混凝土的浇筑质量、工艺及材料配合比。针对装配式管片，应在检查制作和运输过程中保证管片质量的同时，严控密封材料的性能。在施工工程中，管片拼合不严、错位碎裂及变形均会导致密封垫与管片间缺乏可靠黏结而发生渗漏水。

2.2 衬砌裂缝及脱落

裂缝作为隧道的另一种重要病害形式，其数量和形态在一定程度上反映了衬砌结构的力学和耐久性能。现场浇筑的混凝土结构，施工工艺和技术不足极易导致衬砌开裂。调查发现，隧洞超挖导致的衬砌缺乏可靠支撑和背后空洞积水压力，以及欠挖造成的衬砌局部应力集中是衬砌开裂的重要原因。

有调查表明，盾构隧道的衬砌发生裂缝、破损的比例超过80%发生在组装施工过程中。管片拼装时的碰撞、错位、受力超限等因素是主要原因。此外，地下水变化导致的沉降、背洞以及地表超载压力也会致使隧道产生较大变形。装配式的管片接缝在发生较大纵、横向变形时会发生错台和张开。这种裂缝下的衬砌结构受力状态不合理，裂缝在表面和内部进行封堵的同时还需要进一步采用结构加固措施。

2.3 衬砌性能劣化

地铁运营环境下，按照规范进行耐久性设计的隧道混凝土衬砌通常能满足设计年限要求。但由于上述渗漏水和开裂病害的影响，衬砌性能的劣化也是地铁隧道不可忽视的重要病害形式之一。

长期的渗漏水容易导致衬砌混凝土风化剥落，水中的侵蚀性介质还会加剧混凝土的劣化。衬砌开裂后，内壁空气中的二氧化碳和外壁地下水中的腐蚀离子侵入速度大大加快，混凝土的碳化速度和劣化速度显著增加。同时，混凝土保护层的失效会导致钢筋直接接触外部潮湿空气和地下水，发生锈蚀膨胀，进一步加剧衬砌开裂，以致发生局部衬砌脱落。这使得衬砌的耐久性能往往难以满足预计的设计年限要求。

3 衬砌加固方法

对渗漏水而言，需要根据渗漏水程度并结合渗透部位，采取不同的加固方法。通常对于仅出现湿渍的位置，一般采取跟踪观察的方法，暂不进行特殊处理。如出现渗水、滴漏甚至带泥沙等情况，通常采取加压灌注环氧树脂类、水泥基结晶类等材料进行封堵处理。由于混凝土材料收缩、温度变化等自身的问题引起的渗漏，采用以上方法或许可以达到要求，但如果伴随着外荷载、沉降等因素，出现结构性裂缝，还需要判断裂缝的成因并进行加固处理。

对于衬砌开裂及脱落而言，目前的加固措施一般分为衬砌内部和外部的加固方法。衬砌的外部加固方法主要为微扰动注浆方法。通过灌注水泥基浆液填充外部的孔隙和背洞，使得衬砌外部约束均匀，但也会导致地下水渗流路径变化，外部土体发生固结沉降。内部加固的方法通常采用钢拱架、钢板、FRP 以及TRC 等材料进行内壁加固，提高衬砌的力学强度，减缓或制止衬砌裂缝的进一步扩展。其中，钢拱架的效果最好，能提高区段衬砌的整体力学性能，但造价也通常较高，空间占用率也较大。对于局部部位的加固，可以采用黏结钢板的方法提高衬砌的抗拉强度。但由于隧道环境潮湿，钢板的耐久性不易保证，又出现了FRP 等聚合物纤维布材料的使用来提高加固构件的耐久性。近几年，TRC 或FRCM 等水泥基基体-FRP组合的加固体系出现，又进一步增加了FRP 材料的耐火性且满足在潮湿状况下的施工条件。

对于衬砌劣化而言，需要根据混凝土强度的下降程度、碳化的深度以及钢筋的锈蚀程度采用不同的加固方法。对于混凝土碳化深度未达到保护层厚度的，可保持观察或仅对表面裂缝进行修补。对混凝土出现局部疏松、脱落的部分，需要剔除该部分混凝土，并重新浇筑混凝土。若钢筋出现锈蚀，需要进行除锈和防锈处理。若衬砌出现较大面积或区段的强度显著下降，则需要采用内表面钢拱架、黏结FRP 或钢板等抗拉材料，外部锚杆支护等方法进行加固，提高衬砌的力学强度。

4 结语

在国内外相关研究成果基础上，针对城市地铁隧道衬砌结构的特点，总结了衬砌结构的3 种常见病害形式，分别针对现浇和装配衬砌结构，分析了病害的起因和形成机理。总结了不同病害下的加固方法以及适用性。研究表明，地铁衬砌的施工技术和水平是引起病害的主要原因，新型聚合物纤维及水泥基体加固材料和技术的应用是今后加固技术的发展趋势，还有待于进一步发展。