成型隧道发生病害分析及治理措施

孔垂磊

(中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司， 北京 100000)

0 引言

近年来，随着城市化进程的速度加快，地下工程建设也在突飞猛进，致使地下结构事故时有发生。因对已完工的地下结构保护经验不足，后期引发病害，对隧道结构安全造成了一定的影响。

本文结合某临海铁路隧道，区间隧道完成后，隧道局部发生升降变形，导致隧道结构发生受损情况。事故发生后，通过对隧道周边场地的施工情况调查、隧道位移监测数据分析及水位变化诱发隧道管片沉降，探讨诱发隧道病害的主要原因。采取相应的加固措施后，整治后对隧道的安全性进行了研究，可满足安全使用要求。

1 工程简介

某铁路隧道采用盾构法施工，盾构段为双洞单线布置，隧道管片内径7.7m，外径8.5m，管片厚40cm。双洞间按不大于500 米设置一处横通道。

横通道采用矿山法开挖，开挖尺寸：宽4.3m，高4.93m，长度约8.5m。

图1 横通道断面形式

区间左、右线均已施工完成，横通道采用矿山法施工，在施工过程中出现涌水现象，使周边水文地质发生变化，导致隧道区间左、右线管片受力沉降变形。

2 隧道内出现主要病害

管片破损主要发生在横通道左、右线成型隧道两侧。存在缺陷：管片纵横向错台、渗漏水，管片破损、裂缝及环向及纵向连接螺栓不密贴现象。

2.1 管片错台

横通道附近，错台位置分别有4 处和9 处，最大错台量分别为10cm 和12cm，部分存在渗漏水。

2.2 管片裂缝

横通道附近，最大纵向裂缝分别为0.4mm 和0.3mm,存在其他环向及局部裂缝。

2.3 管片背后空洞

通过地质雷达检测分析管片后空洞情况，部分位置不同程度的检测到空洞、土层扰动、土层不密实、土层含水等情况。

2.4 局部管片椭圆度超限

对横通道附近左线、右线相关管片进行了椭圆度测量，部分管环椭圆度超过规范要求的±6‰。

3 主要病害的现状分析

根据现场实测断面的内轮廓变形情况，对照现场施工记录和裂缝开展位置，反演分析横通道上方注浆作用范围和压力，进而分析结构内力状态，推算管片外侧现状结构状态，并为管片是否需要进行加固提供基础资料。

图2 实测内轮廓与设计内轮廓对比图

3.1 裂缝宽度

建立盾构隧道梁弹簧模型分析，推算注浆荷载位置，注浆压力取0.2～1.4MPa，采用三角形分布。根据现场实测，管片内侧裂缝为0.4 mm，叠加正常工况外荷载后，分析管片受力状态和管片背后裂缝宽度。

图3 注浆荷载位置

图4 梁弹簧模型

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管片上注浆压力暂定为0.4MPa 时，管片内侧裂缝0.407mm，可推断该工况为管片现阶段状态该工况下，管片外侧未出现裂缝，最不利位置结构安全系数为3.07。

图5 标准工况

图6 附加0.2MPa 注浆压力工况

图7 附加0.4MPa 注浆压力工况

在0.4MPa 注浆荷载工况，隧道裂缝宽度与变形形态与实测数据基本相符，可作为现阶段状态分析依据，该状态管片内侧不利截面裂缝宽度0.407mm，结构安全系数为1.58，不满足规范要求，管片外侧未出现裂缝，结构最小安全系数为3.07，满足规范要求。主要考虑对管片内侧进行病害处理。

3.2 隧道椭圆度

经过计算分析，并类比相关工程，得出椭圆度＜25‰或单向变形率＜ 12.7‰时隧道结构整体变形处于弹性变形阶段，超过以上变形时，结构进入塑性变形。

1、椭圆度＞20‰或单向变形率＞12‰：接近塑性变形，拟对隧道进行结构加固。

2、椭圆度=12‰～20‰或单向变形率=9‰～12‰，且无明显纵向裂缝、其他较严重破损时：处于弹性受力阶段，考虑管片拼装质量的影响，采取弱加固。

3、椭圆度=6‰～12‰，盾构管片环整体性较完整。该病害地段洞身基本位于全～中风化混合花岗岩地层，未受外界扰动情况下的隧道结构基本稳定。可不加固。

3.3 管片错台、接缝张开

一般情况下，错台与接缝张开过大的地段均有渗漏水，需对环、纵缝进行堵水处理。

管片错台大将影响管片之间的连接，大范围管片错台将导致结构整体刚度下降，需进行加固处理。

4 应急抢险处理措施

4.1 受损隧道临时加固措施

采取管片背后注改性聚氨酯的段落，必须施作临时内支撑。主要采取的措施，每环管片设置2 榀钢架，工22a，钢架中心距为0.6m，距离管片边0.5m。管片背后注浆前凿除仰拱填充，环形钢架封闭成环，确保注浆时结构安全。

图8 管片临时加固大样图

4.2 管片背后注浆措施

隧道管片缺陷部位考虑管片壁后可能出现空洞，根据检测报告对壁后空洞的环管片进行改性聚氨酯注浆。一方面作为管片壁后填充。另一方面可有效的对渗漏水部位进行止水。在管片缺陷治理各项措施实施前先进行壁后注浆。

4.3 管片清理及环、纵缝注浆处理

主要加固措施：

①管片环、纵缝内侧嵌缝补强。

②沿缝斜向钻注浆孔。

③注弹性环氧浆液。

④注浆压力≤0.2MPa。

4.4 钢板环加固设计

1、主要加固措施：

①采用Q345 钢板，每环分6 块，居中设置，厚度0.3cm、环宽1.3mm；管片与钢板环间灌注刚性环氧浆液；

②纵向连接钢板厚度1cm，采用贴焊连接。

2、适用范围：

①椭圆度≥20‰，或竖向变形率≥12‰；

②裂缝≥0.2mm。

图9 钢板环加固图

4.5 芳纶纤维布+环氧树脂涂料

1、主要加固措施：

①沿环缝设置直径20mm 半圆形PVC 管引排水；

②粘贴芳纶纤维布+涂布3mm 厚环氧树脂涂料；

③芳纶纤维布骑缝设置，缝两侧各0.5m。

2、适用范围：

①椭圆度12‰～20‰，或竖向变形率9‰～12‰；

②环间局部错台≥15mm，单处＞2m，拱墙设置芳纶纤维布；

③环间局部错台≥15mm，单处≤2m。拱墙∑L＞5m，拱墙设置芳纶纤维布。拱墙∑L≤5m，局部设置芳纶纤维布。

图10 芳纶纤维布加固图

5 运营期隧道纵向结构安全性分析

运营期隧道纵向结构分析采用弹性地基梁模型，将隧道简化为梁单元，梁截面采用隧道断面形式，梁单元纵向长度取为400m，隧道运营期荷载包括隧道上部水土荷载、列车荷载、隧道结构自重。

图11 纵向计算模型

图12 纵向弯矩图

图13 剪力图

图14 变形图

由盾构隧道纵向计算结果可知，隧道纵向弯矩最大为122kN·m，最大剪力为368kN，列车运营产生隧道纵向受力较小，隧道结构纵向抗弯抗剪满足要求。列车运营产生隧道最大竖向沉降差为0.2mm，满足要求。

6 结论

6.1 针对隧道病害事故取得的主要教训

（1）左线隧道掘进期间，地面是淤泥处理场，采用搅拌桩加固进行软基处理，土层受到扰动，上下水力联系贯通，盾构掘进过程中不宜保持土压力，盾构姿态控制受到一定的影响，致使管片拼装出现错台；

（2）横通道采用旋喷桩加固，在加固完成后，横通道没有及时施工，因施工区域临近海边，地下水腐蚀性较强，又受潮汐影响，加固体效果受到一定影响。

（3）由于海边、潮汐、砺岩对加固效果认识不足，旋喷桩加固效果不理想。

（4）对强风化岩在遇水后易发生崩解泥化的认识欠缺。

6.2 针对隧道病害事故取得的主要经验

（1）隧道病害出现后，立即针对隧道位移、横向、纵向收敛等开展相关监测工作，及时掌握隧道位移及断面收敛的发展趋势。

（2）立即采取安全应急措施，如隧道内架设临时钢支撑加固、部分管片环底进行注浆加固等，控制隧道病害的继续发展。

（3）针对盾构隧道病害的主要原因进行分析和论证，评估了地铁盾构隧道结构的安全现状，为今后的隧道病害治理提供依据。