武漢某地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期常見(jiàn)病害原因分析及治理措施

周彩榮

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司武漢分公司， 430077， 武漢//工程師)

隨著城市軌道交通系統(tǒng)的迅速發(fā)展，地鐵盾構(gòu)隧道在運(yùn)營(yíng)期將不可避免地出現(xiàn)一系列病害現(xiàn)象，這將影響到地鐵運(yùn)營(yíng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性和耐久性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的病害問(wèn)題已有大量研究，但大多是集中于對(duì)山嶺、公路、鐵路隧道結(jié)構(gòu)病害的研究，對(duì)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的病害成因及治理措施的研究相對(duì)較少[1]，因而對(duì)盾構(gòu)隧道常見(jiàn)的病害原因及治理措施展開(kāi)進(jìn)一步研究顯得尤為重要。

武漢某地鐵隧道區(qū)間為雙線單圓盾構(gòu)隧道，長(zhǎng)約1 790 m，管片外徑為6 m，設(shè)置3座聯(lián)絡(luò)通道，采用凍結(jié)法施工。隧道區(qū)間位于長(zhǎng)江Ⅱ級(jí)階地，長(zhǎng)距離穿越軟塑、流塑淤泥質(zhì)土層。機(jī)場(chǎng)線及8號(hào)線下穿本區(qū)間形成復(fù)雜的地下立交關(guān)系。此范圍內(nèi)管片為增設(shè)注漿孔襯砌環(huán)，采取洞內(nèi)注漿加固措施。該區(qū)間于2015年12月開(kāi)始運(yùn)營(yíng)，而機(jī)場(chǎng)線在2015年6月已完成下穿。8號(hào)線右線在2016年4月初下穿時(shí)，該隧道區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的病害，如隧道滲漏水和冒泥現(xiàn)象、管片掉塊、整體道床與管片脫開(kāi)產(chǎn)生離縫、道床變形縫附近產(chǎn)生貫通橫向裂縫、縱向不均勻沉降等。本文結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)條件，對(duì)該地鐵盾構(gòu)隧道病害現(xiàn)象進(jìn)行了特征分析及原因研究，并有針對(duì)性地提出治理措施，可為類似地鐵盾構(gòu)隧道病害治理提供一定的借鑒。

1 盾構(gòu)隧道滲漏現(xiàn)象

1.1 隧道滲漏特征分析

隧道滲漏是地鐵盾構(gòu)區(qū)間最常見(jiàn)問(wèn)題之一，不僅影響隧道結(jié)構(gòu)的耐久性，而且容易造成地鐵隧道內(nèi)設(shè)施受損，引起隧道發(fā)生不均勻沉降和變形等。本文所研究的地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道內(nèi)總體保持干燥狀態(tài)，左右線局部有滲漏點(diǎn)及濕漬，分布比較零散且無(wú)規(guī)律，主要分布在環(huán)縫、縱縫、拼縫和吊裝孔等位置。同時(shí)，聯(lián)絡(luò)通道處滲漏較嚴(yán)重，存在積水冒泥現(xiàn)象，其滲漏部位位于兩側(cè)腰部及拱底道床附近，具體隧道滲漏現(xiàn)象如圖1所示。

a)環(huán)縫滲水

b)拼縫滲水

c)吊裝孔滲水

d)聯(lián)絡(luò)通道地面積水積泥

1.2 隧道滲漏原因及治理措施

隧道滲漏產(chǎn)生的原因是多方面的，涉及到防水材料失效、管片制造與拼裝工藝、注漿加固不充分、沉降不均勻等諸多因素[3]。其中，聯(lián)絡(luò)通道為區(qū)間隧道的外掛結(jié)構(gòu)，采用凍結(jié)法施工，周邊地層冰脹后發(fā)生融沉，沉降導(dǎo)致接縫張開(kāi)，進(jìn)而造成彈性密封墊防水性能減弱。根據(jù)監(jiān)測(cè)可知，管片錯(cuò)臺(tái)量較大，3#聯(lián)絡(luò)通道左線隧道附近錯(cuò)臺(tái)量達(dá)45 mm，嚴(yán)重超出允許錯(cuò)臺(tái)量(相鄰管片徑向錯(cuò)臺(tái)5 mm，相鄰環(huán)片環(huán)面錯(cuò)臺(tái)6 mm)[4]。JGJT 212—2010《地下工程滲漏治理技術(shù)規(guī)程》[5]中規(guī)定的各滲漏現(xiàn)象處理措施如表1所示。

2 盾構(gòu)隧道道床病害原因分析及治理措施

2.1 道床病害原因分析

盾構(gòu)隧道的整體道床是在結(jié)構(gòu)底板鑿毛后與管片結(jié)構(gòu)澆筑在一起的，存在多個(gè)層面的結(jié)合，這些層面往往成為盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)。在地下水作用、列車長(zhǎng)期運(yùn)行振動(dòng)、施工工藝和施工質(zhì)量、隧道不均勻沉降等多種因素影響下[6]，將導(dǎo)致整體道床與管片脫開(kāi)產(chǎn)生離縫、道床變形縫附近產(chǎn)生貫通橫向裂縫，部分縫隙伴隨滲水、冒泥現(xiàn)象。

表1 盾構(gòu)隧道管片滲漏治理措施

圖2為武漢某地鐵盾構(gòu)隧道整體道床與左線隧道間離縫分布統(tǒng)計(jì)情況。由圖2可知，道床與管片間離縫主要出現(xiàn)在3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道及8號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線下穿位置附近，均位于淤泥質(zhì)土層。離縫分布無(wú)明顯特征規(guī)律，沿縱向間斷分布并非連續(xù)通長(zhǎng)，離縫長(zhǎng)度為14～42 m，寬度大小不等，一般為1～3 mm左右，最大深度可達(dá)到400 mm。

圖3為武漢某地鐵盾構(gòu)隧道整體道床橫向裂縫照片。由圖3可知，大部分道床板變形縫附近均產(chǎn)生一條橫向裂縫，且道床板兩變形縫中間部分基本不產(chǎn)生橫向裂縫，部分道床橫向裂縫有冒漿冒泥現(xiàn)象，部分道床橫向裂縫保持干燥。

離縫產(chǎn)生的原因主要有兩個(gè)方面：地基不均勻沉降和道床與管片基面不牢。在列車長(zhǎng)期振動(dòng)作用下，由于周邊淤泥土體液化產(chǎn)生變形，導(dǎo)致隧道縱向沉降不均勻，而整體道床為剛性體，其適應(yīng)變形能力差，當(dāng)管片沉降時(shí)剛性體道床未能同步下沉，進(jìn)而使其與管片接觸部分開(kāi)裂形成離縫[7]；隧道的不均勻沉降量過(guò)大導(dǎo)致管片接縫張開(kāi)，外界水土將進(jìn)入隧道內(nèi)部，在列車動(dòng)載反復(fù)碾壓下于離縫處產(chǎn)生冒漿冒泥現(xiàn)象。另外，道床與管片之間的連接主要取決于盾構(gòu)管片手孔及混凝土的粘結(jié)力，如澆筑前基面鑿毛處理不當(dāng)，可能導(dǎo)致道床與管片間剝離形成空隙，進(jìn)而產(chǎn)生離縫。

圖2 武漢某地鐵盾構(gòu)隧道整體道床與左線隧道間離縫分布統(tǒng)計(jì)情況

伴隨著離縫的產(chǎn)生，道床底部出現(xiàn)吊(脫)空現(xiàn)象。吊空后的道床在列車動(dòng)載反復(fù)碾壓下于薄弱處(如變形縫附近)發(fā)生橫向斷裂，裂縫內(nèi)可能有泥水被壓出，進(jìn)而構(gòu)成冒泥翻漿現(xiàn)象。橫向裂縫產(chǎn)生的另一因素是道床變形縫兩側(cè)沉降存在較大差異，當(dāng)沉降差超過(guò)其允許值時(shí)將產(chǎn)生橫向裂縫。

a) 橫向裂縫

2.2 道床病害治理措施

在整體道床病害治理過(guò)程中，由于漿液在列車動(dòng)載作用下進(jìn)行膠凝固結(jié)，因而需要其與混凝土界面有較高的粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉、抗剪強(qiáng)度；另外，隧道管片外為淤泥質(zhì)層，采用常規(guī)漿液很難錨固穩(wěn)定且難以灌注微細(xì)縫隙。實(shí)踐證明，EAA環(huán)氧材料可克服固體表面的水膜與界面粘結(jié)，對(duì)水有一定的親和性，滲透能力強(qiáng)，且能重復(fù)注漿，在防滲、固結(jié)、補(bǔ)強(qiáng)中應(yīng)用較為廣泛[7]。

道床與管片間離縫治理的主要施工步驟：①施工前對(duì)離縫內(nèi)雜物及積水進(jìn)行清理；②在道床板離縫側(cè)布置注漿孔，鉆孔時(shí)應(yīng)避免鉆破管片底部；③在離縫處開(kāi)槽(寬度和深度約為2～3 cm)，用高強(qiáng)速凝水泥密封，以免串漿、冒漿；④如道床底部較密實(shí)則直接注入EAA環(huán)氧漿液，否則注漿過(guò)程為依次注入EAA環(huán)氧漿液、水泥漿和EAA環(huán)氧漿液，最終將會(huì)形成水泥-環(huán)氧復(fù)聚物。

道床橫向裂縫的治理措施如下：對(duì)于干燥橫向裂縫，沿縫開(kāi)V型槽，再用鋼絲刷刷除表面松動(dòng)顆粒，用清水清理干凈，表面風(fēng)干后涂刷界面處理劑，再回填環(huán)氧材料后立模加壓[8]；當(dāng)橫向裂縫處有冒漿現(xiàn)象時(shí)，道床底部吊空現(xiàn)象就較嚴(yán)重，其治理措施與道床離縫較深情況基本相同。

3 隧道不均勻沉降原因分析及治理措施

3.1 隧道不均勻沉降特征

研究表明，軟土地區(qū)隧道沉降需經(jīng)歷數(shù)年才能達(dá)到穩(wěn)定，且隧道不均勻沉降是各種影響因素對(duì)隧道整體狀況的綜合反映[9-10]。不均勻沉降將影響地鐵結(jié)構(gòu)的耐久性和運(yùn)營(yíng)的安全度，是導(dǎo)致隧道滲漏、道床和底板脫空、隧道線型偏差等病害的重要因素，也是判斷隧道是否穩(wěn)定的重要依據(jù)之一。

圖4為左線道床的累計(jì)沉降量統(tǒng)計(jì)情況。自2015年9月在道床上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以來(lái)共進(jìn)行了6次監(jiān)測(cè)，其中道床初始高程取初次測(cè)量值。從圖4中可以看出：道床縱向沉降量呈波動(dòng)不均勻分布，沉降量均未超過(guò)豎向位移預(yù)警值10 mm[11]，其中，8號(hào)線右線下穿部位道床附近累計(jì)沉降量最大，相對(duì)初始值累計(jì)沉降在5 mm左右；左線ZDK29+260—ZDK29+350區(qū)段由于結(jié)構(gòu)下臥軟土層相對(duì)較厚，且厚度均大于10 m，累計(jì)沉降量在3 mm左右；3號(hào)聯(lián)絡(luò)通道處累計(jì)沉降量在2 mm左右。

3.2 隧道不均勻沉降成因分析

結(jié)合該盾構(gòu)區(qū)間實(shí)際工程情況，對(duì)影響隧道不均勻沉降的各種因素進(jìn)行分析，歸納總結(jié)如下：

(1) 8號(hào)線右線下穿施工。盾構(gòu)掘進(jìn)的過(guò)程中，盾構(gòu)土艙壓力、掘進(jìn)速度、同步注漿等因素對(duì)周邊土體形成擾動(dòng)，受擾動(dòng)的土體在工后較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)生固結(jié)變形及次固結(jié)變形，導(dǎo)致隧道在工后較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)生沉降。從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，盾構(gòu)下穿已運(yùn)營(yíng)的隧道對(duì)其沉降影響很大，且隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，不均勻沉降和變形將會(huì)進(jìn)一步增加。

(2) 工程地質(zhì)條件。盾構(gòu)隧道長(zhǎng)距離穿越軟塑、流塑淤泥質(zhì)土層，該土層具有高壓縮性、高觸變性、低承載力的特性，一旦擾動(dòng)，導(dǎo)致隧道變形時(shí)間加長(zhǎng)且變形量增大；同時(shí)，盾構(gòu)隧道下臥土層分布不均勻，且原管片地層注漿加固效果難以保證，也將導(dǎo)致隧道產(chǎn)生不均勻沉降。

(3) 列車長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)。列車振動(dòng)荷載作用會(huì)引起土體固結(jié)沉降，尤其是運(yùn)營(yíng)初期；另外，列車振動(dòng)荷載將使盾構(gòu)隧道漏水冒泥現(xiàn)象加劇。因此，城市軌道交通振動(dòng)荷載對(duì)隧道沉降有重大的影響。

(4) 施工工藝與質(zhì)量。盾構(gòu)施工不可避免地將擾動(dòng)土體，如盾構(gòu)施工狀況、施工管理、襯砌背后同步注漿等都會(huì)使土體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生較大變化。

(5) 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工。聯(lián)絡(luò)通道為盾構(gòu)隧道的外掛結(jié)構(gòu)，采用凍結(jié)法施工后，周邊地層冰脹后發(fā)生融沉，盾構(gòu)隧道將隨土體產(chǎn)生不均勻沉降，因而聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工對(duì)隧道沉降有較大影響，其影響隨時(shí)間推移將逐漸減小。

(6) 隧道滲漏。當(dāng)隧道發(fā)生漏水冒泥現(xiàn)象時(shí)，將導(dǎo)致隧道周圍土體進(jìn)一步排水固結(jié)，如不采取措施則其對(duì)隧道沉降的影響將進(jìn)一步加劇。

3.3 隧道不均勻沉降治理措施

隧道沉降一般采用注漿加固的治理措施，即在盾構(gòu)隧道下臥層形成剛度大于原狀土的加固體。由于盾構(gòu)隧道縱向是環(huán)環(huán)相接的柔性結(jié)構(gòu)，在注漿過(guò)程中需盡可能減小對(duì)地層的擾動(dòng)，確保每環(huán)內(nèi)注漿引起的附加橫向應(yīng)力和橫向變形均在允許范圍內(nèi)，并對(duì)地層沉降具有較好的補(bǔ)償效果。

為減小注漿過(guò)程對(duì)地層的擾動(dòng)，且達(dá)到良好的控沉效果，注漿工藝及參數(shù)、注漿孔位的布置、單孔注漿的方法均應(yīng)合理選擇。由于漿液須具備高密度、高強(qiáng)度、快速凝結(jié)、體積收縮小的特性，因此注漿材料宜選用水泥漿與水玻璃雙液漿體。同時(shí)，注漿設(shè)備應(yīng)滿足注漿過(guò)程穩(wěn)定且可調(diào)可控、體積小、質(zhì)量輕，同時(shí)能在狹小空間內(nèi)施工和搬運(yùn)的要求。

為確保盾構(gòu)管片受力對(duì)稱，避免隧道軸線偏移，則需要在同環(huán)布置兩個(gè)注漿孔，且兩孔均勻?qū)ΨQ注漿；隧道縱向采取間隔跳孔施工的原則，間隔環(huán)數(shù)不宜少于2環(huán)管片[12]，且為避免加固段與非加固段在后期產(chǎn)生過(guò)大的差異沉降，建議設(shè)置一定范圍的過(guò)渡段。注漿孔位的布置詳見(jiàn)隧道下臥層注漿加固橫斷面(見(jiàn)圖5)和隧道下臥層注漿加固范圍(見(jiàn)圖6)。同時(shí)，每個(gè)注漿孔應(yīng)通過(guò)分層、少量、多次的方式從隧道底部向下分層搭接疊加注漿，使隧道沉降在注漿抬升和注漿間隔時(shí)間內(nèi)的固結(jié)沉降的交替作用下漸趨穩(wěn)定，直至兩次注漿間隔時(shí)間內(nèi)的沉降量趨于零時(shí)，則停止注漿。

圖5 隧道下臥層注漿加固橫斷面圖

圖6 隧道下臥層注漿加固范圍示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 盾構(gòu)隧道常見(jiàn)病害之間是相互聯(lián)系的，往往表現(xiàn)為多種病害同時(shí)存在，且隨著地鐵運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加病害亦會(huì)隨之加劇。其中，隧道不均勻沉降是導(dǎo)致產(chǎn)生其他常見(jiàn)病害的重要原因之一，也是判斷隧道是否穩(wěn)定的重要依據(jù)之一。

(2) 盾構(gòu)隧道常見(jiàn)病害是各種復(fù)雜因素共同作用導(dǎo)致的結(jié)果，目前僅能定性地分析各因素對(duì)隧道沉降的影響，難以定量地進(jìn)行評(píng)價(jià)。工程地質(zhì)條件、運(yùn)營(yíng)期間列車長(zhǎng)期作用、盾構(gòu)隧道下穿施工或周邊鄰近區(qū)域施工是隧道各類常見(jiàn)病害的重要影響因素，同時(shí)施工工藝與質(zhì)量、聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法施工、隧道滲漏等因素對(duì)隧道沉降的影響也不容忽視。

(3) 為確保盾構(gòu)隧道安全運(yùn)營(yíng)，建議從“設(shè)計(jì)—施工—運(yùn)營(yíng)”全過(guò)程的角度來(lái)進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)充分考慮線路的工程地質(zhì)條件，盡量避免盾構(gòu)隧道下臥軟弱土層較厚的情況，且對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處應(yīng)提前做好預(yù)處理措施；在施工階段，應(yīng)確保施工質(zhì)量，且盡量減小施工對(duì)土體的擾動(dòng)；在運(yùn)營(yíng)階段，除應(yīng)嚴(yán)格控制周邊鄰近區(qū)域施工外，還應(yīng)加強(qiáng)變形量測(cè)且加密關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處量測(cè)點(diǎn)的布設(shè)，發(fā)現(xiàn)病害應(yīng)及時(shí)治理。