水下盾构隧道运营期结构病害指标体系研究

闵强强，朱泽奇

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；3.水下隧道技术国家地方联合工程研究中心，湖北 武汉 430071)

21世纪以来，我国地下轨道交通实现了飞跃式发展，受地理条件限制，地下轨道部分或整体修建于地下水位以下地层中的施工方法以盾构法为主。截至目前，国内已经有多条水下盾构隧道衬砌受到不同程度结构病害的影响，直接关系到隧道的健康和使用，甚至缩减隧道的服役寿命。因此，急需对水下盾构隧道的运营状况进行安全评价。

关于水下盾构隧道的安全问题，目前国内外相关学者的研究主要侧重于设计和建造阶段[1-3]，对运营阶段的研究则相对较少。针对水下盾构隧道运营健康状况，国内学者开展了一定研究：孔祥兴等[4-7]在综合考虑地层土性等外界条件基础上，建立了水下盾构隧道衬砌劣化模型，以有效厚度表征管片结构劣化，分析了接缝完好和接缝渗漏状态下离子侵蚀对管片衬砌结构承载能力的影响；李长俊等[8-14]对水下盾构隧道接缝张开度与渗漏规律和接头易损性做了专项研究，指出接缝张开度对隧道渗漏有重要影响，过大的错台量是导致接缝处防水失效继而渗水的主要原因，并给出具体的评价指标；周宁等[15-18]指出纵向变形是水下盾构隧道病害最显著的特征，纵向变形的发生会导致隧道接缝破坏、渗漏等其他病害加剧，并研究了纵向变形与渗漏之间的关系；王明卓等[19-22]通过对横向收敛变形特征和控制值变化规律的研究，初步确定了横向收敛变形的病害程度分级；李剑[23]从整体功能、安全、耐久三方面指标出发，对我国第一条越江隧道(上海打浦路隧道)的运营服役状况进行评价；胥犇等[24]通过研究采用层次分析法建立了盾构隧道结构安全评估指标体系，并阐述了各个指标的分级方法和各指标的建议性分级标准。以上研究大多都是针对单一病害，没有考虑多病害的综合影响。即使对多病害情况做出综合评价，其评价方法和标准也不统一，且评价结果偏于保守，增加了隧道运营期的维护成本。因此，有必要对运营期水下盾构隧道结构病害评价进行更加深入研究。

论文通过分析水下盾构隧道病害与隧道主要特征之间的变化规律，确定病害类型，并探究影响水下盾构隧道结构安全运营的评价指标，初步给出各个指标的分级标准。

1 评价指标体系

对于水下盾构隧道运营期的安全评价，评价指标的选取是否合理直接关系到评价方向是否正确，进而影响最终评价结果的准确性。为了全面评价水下盾构隧道的运营状态，所选隧道病害和相应的评价指标应能最大限度地反映各种因素的影响，其应遵循以下原则：科学客观性、相对完备性、简洁性、相对独立性、层次性、可操作性等，重点考虑可操作性。

对于实际工程，影响水下盾构隧道运营安全的病害多种多样，各病害之间相互联系、相互作用，如隧道不均匀沉降会导致渗漏水的发生，同时渗漏水也会加剧隧道的不均匀沉降，故有必要探讨病害发生的规律性。笔者调研了国内2000年以后修建的水下盾构隧道的运营状况，对24条典型水下盾构隧道进行统计，相关特征参数见表1[25]。

表1 我国主要水下盾构隧道重要特征参数

续表1

由表1可以看出：大多数水下盾构隧道处于软黏性土体环境下，这类土层压缩性和流变性均较大，土层一经扰动，强度明显降低，变形量会急剧增大；隧道多处于高水压环境下，最大水压可达0.72 MPa；新建水下盾构隧道管片直径、管片厚度和管片环宽总体上呈逐渐增大趋势。

调查到的病害数量与隧道主要特征参数之间的关系曲线如图1～图4所示。

根据调查结果发现水下盾构隧道运营期的主要病害类型有：隧道纵向不均匀沉降、横向收敛变形、结构渗漏水、管片接缝变形、隧道结构劣化。其中，纵向不均匀沉降是隧道最主要的病害，其数量多、程度深且会引起其他病害的发生；横向收敛变形越普遍，渗漏情况也越严重；整体上结构渗漏越严重、结构劣化病害越多。

图1 隧道主要地质类型与病害数量的关系

图2 最大水压与病害数量的关系

图1为隧道所处岩土体类型与病害数量的关系。

由图1可以看出：隧道病害与所处土层的坚硬程度整体上呈现一定的负线性相关。

图2为隧道所受最大水压与病害数量的关系。

由图2可以看出：隧道结构随着所受最大水压增大，各病害整体上呈增多趋势，但管片接缝变形反而呈减少趋势。

图3 管片厚度与病害数量的关系

图4 管片环宽与病害数量的关系

图3为管片厚度与病害数量的关系。

由图3可以看出：管片厚度对各结构病害的影响规律不明显。

图4为管片环宽与病害数量的关系。

由图4可以看出：管片环宽与渗漏水、横向收敛变形、隧道结构劣化呈一定的正相关关系，而与纵向不均匀沉降的变化关系规律则相反。

2 评价指标分级标准

在分析现有隧道健康等级划分方法的基础上，以《城市轨道交通结构安全保护技术规范》[26]和《城市轨道交通桥隧结构养护技术规程》[27]的划分标准为依据，建立了水下盾构隧道安全等级，如表2所示。

表2 水下盾构隧道结构安全等级[26-27]

为方便后期的运营状态评价，将各评价指标和隧道安全状况的等级划分保持一致。针对水下盾构隧道所处环境复杂多变的特点，需综合考虑隧道的实际工况，确定各个评价指标的划分等级。

2.1 隧道结构纵向不均匀沉降

水下盾构隧道作为特长线性结构，其纵向刚度较小、埋深较大，且长期承受较高的水土压力作用，因此会产生纵向变形。当纵向变形达到一定程度，就会引发接头螺栓失效、接缝渗漏水、结构错缝等一系列其他病害，而这些病害又会加剧纵向变形的发展。因此，纵向变形在运营期水下盾构隧道结构安全评价中的地位极其重要。

纵向变形包括整体沉降变形和不均匀沉降变形。陈越峰[28]分析了上海软土地区盾构隧道结构纵向变形情况，其实测结果显示，隧道结构有多处整体纵向沉降超过《上海市地铁沿线建筑施工保护地铁技术管理暂行规定》和《城市轨道交通工程监测技术规范》规定的绝对沉降量最大限值20 mm，甚至达到了100 mm以上。实际上，整体沉降变形现象在盾构隧道运营期间普遍存在，一般不会造成结构危险，所以进行安全评价时主要考虑的是相对变形量，即纵向不均匀沉降。

一般以纵向变形曲率半径来描述隧道纵向不均匀沉降。根据盾构隧道结构防水要求和《城市轨道交通结构安全保护技术规范》中的规定：由外界因素引起的隧道变形曲率半径不小于15 000 m；文献[29]中指出：当纵向各变形曲率半径为5 000～15 000 m时，隧道还可以工作，但存在一定的安全隐患；隧道变形曲率半径为1 000 m时，接缝张开达到临界防水6 mm要求。最终以隧道纵向变形曲率半径15 000 m、5 000 m、1 000 m为界，将纵向曲率半径划分为4个等级，分别对应B级、1A级、2A级、3A级，具体见表3。

表3 基于纵向变形曲率半径的纵向不均匀沉降等级划分

2.2 横向收敛变形

相关文献通常以椭圆率或横向变形控制值来描述横向变形，经调研发现，若采用椭圆率来描述隧道的横向变形，可操作性较差，得到的指标结果差距较大；若采用横向变形控制值，由于隧道设计直径相差悬殊，所得结果不准确，所以采用直径变化比λ(直径变化量与隧道设计直径的比值，以千分数表示)来描述隧道的横向变形。考虑横向变形与螺栓受力、纵缝张开之间的发展关系，以混凝土应力和纵缝张开量作为控制指标的划分依据。根据《地铁隧道工程盾构施工技术规范》规定：施工成环后椭圆变形限值为5‰；顾丽江等[30]以直径变化量ΔD对盾构隧道衬砌结构进行评价：ΔD为15.0～22.4 mm时，衬砌混凝土达强度设计值；ΔD为54.7～64.6 mm时，密封垫逐渐进入失效阶段。考虑最不利条件，由各阶段直径变化量的最小值计算对应的直径变化比λ，隧道外径D为6.2 m时,λ分别为2.4‰和8.8‰，结合隧道成环后的椭圆变形限值，将隧道直径变化比λ划分为4个等级，见表4。

2.3 渗漏水

渗漏水是最常见的隧道病害之一，当发生隧道渗漏病害时，在高水压作用下，渗漏程度会迅速扩大，对隧道行车安全、隧道设施等产生诸多不良影响，甚至威胁隧道的正常运营。目前，关于水下盾构隧道渗漏水的研究很多，评价指标不一，如渗漏状态、渗漏位置、渗漏速度、渗漏水pH值等。论文根据接头特点，并参考《地下工程防水技术规范》，选择渗漏状态和渗漏速度作为结构渗漏水的评价指标[31]，如表5所示。

表5 基于渗漏速度的渗漏水等级划分[31]

2.4 管片接缝变形破坏

管片接缝变形破坏是影响隧道运营稳定性和耐久性的最直观特征，因此针对管片接缝的安全性能研究至关重要。经过调研和参考文献[11]中关于管片接缝变形破坏规律的实验研究可知：接缝破坏有错台和张开两种形式，其中错台用错台量描述，接缝张开用张开量表示。由于接缝病害对渗漏水的影响极大，故按照防水标准作为其指标等级划分原则。水下盾构隧道错台评价方法可参考文献[32]中关于隧道错台量与纵向变形曲率半径的关系：

R=B2/(2δ)

(1)

式(1)中：R为错台产生附加沉降曲率半径；B为隧道环宽；δ为错台量。当曲率半径为15 000 m时，错台量约为0.13 mm；文献[33]中：凹凸榫之间存在4 mm的间隙，错台量达到4.93 mm时，螺栓达屈服状态；从防水角度应将错台量控制在8.5 mm。文献[34]规定：管片接缝变形的检测精度不低于1 mm，根据检测精度将上述分析计算结果精确到1 mm，故以错台量1 mm、5 mm、9 mm为界，将接缝错台量依次划分为4个等级，见表6。

表6 基于接缝错台量的接缝变形等级划分

结合弹性密封垫的容错能力[35]：接头张开量±2 mm；关于防水对接缝的控制要求：接缝张开量6 mm时，达到防水控制标准；文献[32]关于隧道接缝张开量与纵向变形曲率半径的关系，按照水下盾构隧道取值：当曲率半径为15 000 m时，对应张开量为1.5 mm。同样，依据文献[34]关于接缝变形检测精度的相关规定，以隧道接缝张开量控制值2 mm、4 mm、6 mm为界划分为4个等级，见表7。

表7 基于接缝张开量的接缝变形等级划分

2.5 隧道结构劣化

水下盾构隧道的结构劣化包括管片劣化和管片接头劣化。管片劣化有裂缝、混凝土起层剥落、管片强度削弱、钢筋锈蚀等；管片接头劣化有接头螺栓锈蚀、接头强度折减等。成型管片强度标准较高，管片裂缝和混凝土的起层剥落对水下盾构隧道的安全运营影响不大，不予考虑。水下盾构隧道长期受到地下水中有害离子的侵蚀，致使管片的强度和承载能力降低，管片内部钢筋锈蚀导致有效截面减小，影响管片的工作性能。接头螺栓性能的好坏直接关系到隧道的服役耐久性，所以应对管片接头的健康状况予以重视。综上所述，选择管片强度折减和接头螺栓锈蚀来表征隧道结构劣化。

参考文献[4]并结合上述分析，选择管片衬砌有效厚度D(混凝土强度不小于设计标准强度的衬砌厚度)和接头螺栓截面锈蚀率作为水下隧道结构劣化的评价指标，选择结构纵向沉降和防水失效作为隧道结构劣化的等级划分原则。依据文献[4]结论：当衬砌有效厚度小于0.67D时，其厚度变化对拱顶沉降影响显著；当衬砌有效厚度由0.67D减小至0.5D时，拱顶沉降快速增大；而当衬砌有效厚度小于0.3D时，结构劣化速度急剧加快，以管片衬砌有效厚度0.67D、0.5D、0.3D为界划分为4个等级，见表8。关于接头螺栓截面锈蚀率，目前还没有统一的判定标准，参考我国《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》中相关判定标准，以3%、10%、25%为界，将接头螺栓截面锈蚀率划分为4个等级，见表9。

表8 基于衬砌有效厚度的结构劣化等级划分

表9 基于接头螺栓截面锈蚀的结构劣化等级划分

3 结论与展望

论文分析了水下盾构隧道病害与隧道主要特征之间的统计关系，在此基础上确定结构病害类型和相应的评价指标，同时建立了相应的指标体系。经广泛调研和参考大量文献及规范，建议性地给出各评价指标的分级标准，对水下盾构隧道的安全评价做了一些基础性的工作，可为水下盾构隧道的运营状况评估提供参考。这些工作虽然不够全面，但对于建立水下盾构隧道病害评价指标体系和开展安全评价实践工作有利，相关指标体系及分级标准还只是初步的研究成果，还需要通过大量的工程实践来检验与修正。