地鐵隧道管片裂縫修復材料和技術研究

凌玲

(無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023)

地鐵隧道管片裂縫修復材料和技術研究

凌玲

(無錫地鐵集團有限公司江蘇無錫214023)

地鐵隧道管片在施工階段及后期運行時易出現破損和開裂，采用以前的材料和技術進行修復，修復部位會發生再次破損和墜物，影響列車運營安全。通過開發一種高黏結性的可用于隧道管片破損及裂縫修復的新型材料，研究修復材料黏結強度和抗拉強度;確定地鐵隧道管片破損修補材料和工藝，可進一步提高隧道管片破損修補的質量。

地鐵;修復材料;隧道管片;混凝土裂縫;黏結強度

地鐵隧道盾構法管片受管片接縫、設計參數、拼裝方式、注漿類型及漿液特性和水土壓力的影響，易產生破損現象［1-2］。管片破損及結構性開裂將導致地下水的滲漏侵蝕，發生管片鋼筋銹蝕等多種危害，嚴重時會影響到地鐵隧道的使用安全，目前地鐵隧道盾構管片破損的修復工藝技術主要是采用高強快硬水泥材料進行修復，水泥材料的黏結力固定，修補快，但可靠性相對較低，修復后的管片后期易發生再次破損和墜物等現象，進而影響到列車的運營安全。當前的管片修復技術及工藝簡單，未能制定合理標準，管片不同部位、不同破損程度的修復基本相同，也造成了修復技術針對性差［3］。

由于受地鐵隧道管片破損特點、作業空間的限制，管片修復應結合管片修復塊易墜落的特點，以提高修復材料與管片的黏結性能為主，而提高黏結性能主要通過材料和工藝兩方面進行，選擇具有較強的黏結性能、較高強度的材料，并須符合管片現場修復作業要求，具有良好的操作性和便捷性，修復過程的材料穩定且須控制缺損管片修復后與管片本體的色差［4-6］。

目前，國內外的研究人員已研制出能滿足不同類型工程需要的裂縫修復材料，主要包括無機類、有機類以及復合材料，這些材料主要針對房屋建筑、橋梁和公路等基礎設施，基本都不是針對地鐵隧道混凝土管片的裂縫修復。針對管片拼接縫及螺栓處滲漏的實際情況，研究初始黏度低、后期固化快、強度高，且與原基體有可靠黏結的修復材料，對縫隙和接縫進行高效修復，有效阻礙有害介質侵入，同時成本較低，提升混凝土管片服役壽命是非常必要的［7-8］。

1 試驗原材料和方法

1.1 試驗原材料

甲基丙烯酸甲酯(MMA)為工業級，甲基丙烯酸丁酯(BMA)為化學純，過氧化苯甲酰(BPO)為化學純，環氧樹脂(E-44)，固化劑E為叔胺類，有機硅(MPTS)為化學純，水泥為52.5MPa硅酸鹽水泥，中砂，聚羧酸減水劑，外加劑SF和B，上海某公司生產的水性環氧樹脂及其固化劑G，消泡劑采用磷酸三丁酯。

1.2 試驗方法

拉伸強度的澆鑄體拉伸試樣尺寸按GB/T 2568—1995《樹脂澆鑄體拉伸性能試驗方法》規定標準制備，澆鑄體的拉伸強度及斷裂伸長率參照該標準用深圳新三思集團生產的CMT 7304電子萬能試驗機室溫測試，測試速度為2 mm/min，標距為60 mm。

紅外光譜分析是將試樣在紅外燈下干燥10 min后，用NEXUS670傅立葉紅外光譜儀測試。TG-DTA測試是將選好的修復材料固化物破碎成直徑為1～2 mm的小顆粒，使用美國Diamond TG/DTA的熱重/差熱綜熱分析儀，以10℃/min的升溫速率，在30～700℃條件下對試樣進行TG和DTA測試。

黏結強度參考DLT 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》和JGT 336-2011《混凝土結構修復用聚合物水泥砂漿》［9］。黏結強度采用黏結抗折試驗和黏結抗拉試驗兩種方法進行試驗研究，其中黏結抗折強度試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，黏結抗拉強度尺寸為100 mm×100mm截面混凝土試件，試件簡圖如圖1所示。

圖1 黏結抗拉試驗試件

2 試驗結果與分析

2.1 新型修復材料的拉伸強度

將一定量的甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸丁酯、環氧樹脂、甲基丙烯酸、MPTS及過氧化苯甲酰放入三頸燒瓶中，在室溫下攪拌混合均勻，放入80℃的水浴中，反應一定時間后取出，冷卻到室溫，即得反應預聚物。向預聚物加入一定量固化劑，攪拌混合均勻，在室溫下固化成型后測試性能。

圖2是合成的新型修復材料(RM)的拉伸強度和斷裂伸長率示意圖。由圖可見，隨MPTS摻量的增加，修復材料拉伸強度呈現先增加后下降的趨勢，斷裂伸長率呈上升趨勢。當MPTS摻量為MMA的12 wt%時，拉伸強度為38.7 MPa，達到最大，斷裂伸長率為9.02%;當MPTS摻量為20 wt%，斷裂伸長率達9.55%，拉伸強度降到31.7 MPa，摻有機改性劑可增加修復材料的韌性，避免其斷裂破壞。

圖2 修復材料的拉伸強度及斷裂伸長率

隨MPTS摻量的增加，有機硅分子間發生自聚所形成的Si-O-Si鍵的幾率增加，這是因為有機硅與環氧樹脂上的仲羥基間的反應速率大于環氧樹脂脫氫速率，另外有機硅通過自由基共聚形成的聚合物的側基比較大，阻礙了環氧樹脂與丙烯酸酯之間的反應，使拉伸強度降低，修復材料的斷裂伸長率增加，抗列車振動和沖擊能力增加［10-11］。

2.2 新型修復材料的表征

由圖3固化前后材料的紅外光譜可見，固化前羥基峰較弱，這是由于加入的甲基丙烯酸上的羧羥基。固化后羥基在3 441 cm－1的吸收峰比較強而且較寬，說明出現了羥基締合。摻MPTS修復材料的羥基吸收峰較沒摻的強，這是因為加入的甲基丙烯酸在叔胺催化下與環氧基反應形成了大量的仲羥基。在1 731 cm－1處出現了酯羰基特征吸收峰，913 cm－1附近出現了環氧基的特征吸收峰，在833 cm－1處苯環1，4取代C-H面外彎曲振動的特征吸收峰增強，說明丙烯酸酯已經與環氧樹脂發生了反應。1 067 cm－1為Si-O-C的特征吸收峰，說明摻的MPTS已引入到聚合物鏈中。預聚物中環氧基在914 cm－1附近的特征吸收峰比較強，說明預聚物的合成過程中環氧基難以開環［12-13］。固化后修復材料中914 cm－1環氧基的特征吸收峰消失，表明環氧基已全部開環參與固化反應，加入有機硅及丙烯酸有利于環氧基開環固化。

圖3 摻MPTS改性新型修復材料紅外光譜

2.3 黏結抗拉強度

圖4是采用新型修復材料黏結混凝土28 d黏結抗拉強度，黏結方式見圖1所示。

由圖4可見，水泥砂漿改性后黏結抗拉強度均大于未改性試件。結果說明:水泥砂漿本身具有一定黏結性，但小于使用新型修復材料水泥砂漿。H-1、H-2和H-3分別較S0增大40.9%、22.8%和21.9%。在本研究范圍內，隨聚灰比的增大，改性砂漿的黏結抗拉強度降低，但降幅變緩。

圖4 修補砂漿28 d黏結抗拉強度

2.4 管片裂縫修補

結合實驗室研究結果和現場管片開裂的特點，考慮施工隧道的實際情況以及運營列車的時間和寬度，采用研制的新型修復材料重點對隧道拱頂部位管片破損進行修復。

針對隧道管片破損的面積與特點，確定以面積0.1 m2為界限，同時確定破損深度、寬度及是否暴露鋼筋(即深度大于4 cm)，見圖5。鑿掉破損處松散的混凝土;用鋼絲刷把破損處清洗干凈干燥;配制修復材料拌勻;分層修復，水泥凈漿厚度約1～2 mm，砂漿厚應視破損程度確定約20～60 mm，修復范圍宜擴展至破損處兩側100～200 mm，并抹平修邊;待修復砂漿干硬后，用打磨機磨平表面;為保證修復處與管片表面顏色一致，可進行抹面處理;抹面后應加強養護工作。

圖5 管片修復

采取新型管片修復材料及對管片破損位置安裝加固錨筋與鋼筋網片的修復工藝，適用于管片上部180°范圍內的修復，并且可根據隧道管片破損情況合理選用砂漿和凈漿等多種修復工藝，杜絕和防止隧道管片破損修復處發生二次開裂和脫落現象。

3 結論

隨MPTS量的增加，修復材料拉伸強度先增后降，斷裂伸長率呈上升趨勢;當MPTS摻量為MMA的12 wt%，拉伸強度為38.7 MPa，達到最大，而斷裂伸長率為9.02%，使修復材料韌性增加，避免了斷裂破壞，優于混凝土管片的力學性能。

紅外光譜分析發現甲基丙烯酸在叔胺催化下與環氧基反應形成了大量的仲羥基，與環氧樹脂發生了反應，有機硅已引入到聚合物鏈中，與加入的丙烯酸促進了環氧基開環固化。在一定程度上增加了材料韌性，使材料抗地鐵振動和沖擊韌性增加。

水泥砂漿改性后黏結抗拉強度均大于未改性試件，增幅最大可達40.9%;在研究范圍內隨聚灰比增大，改性砂漿的黏結抗拉強度降低，但降幅變緩。

經過實驗室的研究及現場試驗，證明采用新型管片修復材料及對管片破損位置安裝加固錨筋與鋼筋網片的修復工藝，比以往選擇的材料及工藝更能增強其修復部位的力學性能，且適用于隧道管片不同位置及情況的破損修復，施工簡便，具有良好的修復效果。可實現對地鐵區間隧道滲漏的有效修復，消除和減少地鐵隧道滲漏，可避免因混凝土滲漏而引發的管片鋼筋和地鐵及軌枕等一系列腐蝕問題，提高了地鐵工程使用壽命和列車運行安全，具有顯著的經濟和社會效益。

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(編輯:郝京紅)

城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室獲國家發改委批復

近日，北京城建設計發展集團股份有限公司收到了國家發展改革委辦公廳“關于城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室項目的復函”(發改辦高技［2016］581號)，標志著由北京城建設計發展集團股份有限公司作為項目法人申報的國家工程實驗室得到正式批復。

城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室是該集團公司成立以來獲得的首個國家級科技創新平臺，將針對我國城市軌道交通建設和運營安全事故多發、環境影響突出、效率不高等問題，圍繞我國城市軌道交通工程安全、環保、高效和可持續發展的迫切需求，重點建設城市軌道交通綠色建造技術研發與應用示范平臺，支撐開展城市軌道交通地下與高架工程綠色建造、新型軌道結構、建設與運營安全等技術、工藝和裝備的研發與工程化。重點構建“三大創新平臺、一大支撐平臺及七個研究中心和1+N個應用示范基地”，引領國家在城市軌道交通領域技術發展的先進性和創新性。建成世界領先的城市軌道交通工程技術實驗室，從而提高軌道交通工程建設質量和效率，實現基礎設施節能環保、安全可靠、方便運維，為建設創新和安全的智慧型城市軌道交通提供技術研發支撐平臺，引領世界城市軌道交通工程技術發展。

未來3年，在突破大型地下裝配式結構和U型梁高架結構、新型預制減振軌道、精細化工程建設與運營安全監控、線路結構服役狀態實時監測與預警、結構抗震安全多尺度評價與減災等方面不少于10項關鍵技術和裝備。縮短地下車站建設工期20%以上，提升軌道結構工效40%以上，降低環境振動影響不少于10 dB，實現安全監測全過程24 h監控，并進行工程化驗證、轉化和推廣。申請發明專利不少于20項，登記軟件著作權不少于10項，主編或參與編制標準(規范)不少于4項，為推動我國城市軌道交通建造技術進步和產業發展提供技術支撐。

北京城建設計發展集團股份有限公司

院士專家工作室供稿

Investigation on Repair Materials and Technology for Tunnel Segment Cracks of Subway

Ling Ling
(Wuxi Metro Group Co.，Ltd，Wuxi，Jiangsu 214023)

Failure and cracks are prone to take place during the construction stage and the late operation phase of subway tunnel. If the oldmaterials and technology are adopted to repair the segmentstructure,the problem willoccur again on the part repaired, and the breakage and falling objectsmay affect the safety of train operation.Thus,anew material is developed to repair the damage and fracture of tunnel segment.Then,the bond and the tensile strengths of the new repairingmaterial are studied.Finally,the subway tunnel segment breakage repairing materials and technology are determined,and the repair quality of tunnel segment damagemay be improved.

metro;repairmaterials;tunnel segment;concrete crack;bond strength

U231

A

1672-6073(2016)02-0118-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.027

2016-02-23

2016-03-16

凌玲，女，碩士，工程師，從事道路與鐵道工程研究，654544882@qq.com

江蘇省建設廳科技項目(201307230004)