武漢某地鐵盾構隧道運營期常見病害原因分析及治理措施

周彩榮

(上海市政工程設計研究總院(集團)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的迅速發展，地鐵盾構隧道在運營期將不可避免地出現一系列病害現象，這將影響到地鐵運營的安全性、經濟性和耐久性。目前，國內外學者對隧道結構的病害問題已有大量研究，但大多是集中于對山嶺、公路、鐵路隧道結構病害的研究，對盾構隧道結構的病害成因及治理措施的研究相對較少[1]，因而對盾構隧道常見的病害原因及治理措施展開進一步研究顯得尤為重要。

武漢某地鐵隧道區間為雙線單圓盾構隧道，長約1 790 m，管片外徑為6 m，設置3座聯絡通道，采用凍結法施工。隧道區間位于長江Ⅱ級階地，長距離穿越軟塑、流塑淤泥質土層。機場線及8號線下穿本區間形成復雜的地下立交關系。此范圍內管片為增設注漿孔襯砌環，采取洞內注漿加固措施。該區間于2015年12月開始運營，而機場線在2015年6月已完成下穿。8號線右線在2016年4月初下穿時，該隧道區間內出現了不同程度的病害，如隧道滲漏水和冒泥現象、管片掉塊、整體道床與管片脫開產生離縫、道床變形縫附近產生貫通橫向裂縫、縱向不均勻沉降等。本文結合實際工程地質條件，對該地鐵盾構隧道病害現象進行了特征分析及原因研究，并有針對性地提出治理措施，可為類似地鐵盾構隧道病害治理提供一定的借鑒。

1 盾構隧道滲漏現象

1.1 隧道滲漏特征分析

隧道滲漏是地鐵盾構區間最常見問題之一，不僅影響隧道結構的耐久性，而且容易造成地鐵隧道內設施受損，引起隧道發生不均勻沉降和變形等。本文所研究的地鐵盾構區間隧道內總體保持干燥狀態，左右線局部有滲漏點及濕漬，分布比較零散且無規律，主要分布在環縫、縱縫、拼縫和吊裝孔等位置。同時，聯絡通道處滲漏較嚴重，存在積水冒泥現象，其滲漏部位位于兩側腰部及拱底道床附近，具體隧道滲漏現象如圖1所示。

a)環縫滲水

b)拼縫滲水

c)吊裝孔滲水

d)聯絡通道地面積水積泥

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，聯絡通道為區間隧道的外掛結構，采用凍結法施工，周邊地層冰脹后發生融沉，沉降導致接縫張開，進而造成彈性密封墊防水性能減弱。根據監測可知，管片錯臺量較大，3#聯絡通道左線隧道附近錯臺量達45 mm，嚴重超出允許錯臺量(相鄰管片徑向錯臺5 mm，相鄰環片環面錯臺6 mm)[4]。JGJT 212—2010《地下工程滲漏治理技術規程》[5]中規定的各滲漏現象處理措施如表1所示。

2 盾構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

盾構隧道的整體道床是在結構底板鑿毛后與管片結構澆筑在一起的，存在多個層面的結合，這些層面往往成為盾構隧道結構中最薄弱的環節。在地下水作用、列車長期運行振動、施工工藝和施工質量、隧道不均勻沉降等多種因素影響下[6]，將導致整體道床與管片脫開產生離縫、道床變形縫附近產生貫通橫向裂縫，部分縫隙伴隨滲水、冒泥現象。

表1 盾構隧道管片滲漏治理措施

圖2為武漢某地鐵盾構隧道整體道床與左線隧道間離縫分布統計情況。由圖2可知，道床與管片間離縫主要出現在3號聯絡通道及8號線、機場線下穿位置附近，均位于淤泥質土層。離縫分布無明顯特征規律，沿縱向間斷分布并非連續通長，離縫長度為14～42 m，寬度大小不等，一般為1～3 mm左右，最大深度可達到400 mm。

圖3為武漢某地鐵盾構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生一條橫向裂縫，且道床板兩變形縫中間部分基本不產生橫向裂縫，部分道床橫向裂縫有冒漿冒泥現象，部分道床橫向裂縫保持干燥。

離縫產生的原因主要有兩個方面：地基不均勻沉降和道床與管片基面不牢。在列車長期振動作用下，由于周邊淤泥土體液化產生變形，導致隧道縱向沉降不均勻，而整體道床為剛性體，其適應變形能力差，當管片沉降時剛性體道床未能同步下沉，進而使其與管片接觸部分開裂形成離縫[7]；隧道的不均勻沉降量過大導致管片接縫張開，外界水土將進入隧道內部，在列車動載反復碾壓下于離縫處產生冒漿冒泥現象。另外，道床與管片之間的連接主要取決于盾構管片手孔及混凝土的粘結力，如澆筑前基面鑿毛處理不當，可能導致道床與管片間剝離形成空隙，進而產生離縫。

圖2 武漢某地鐵盾構隧道整體道床與左線隧道間離縫分布統計情況

伴隨著離縫的產生，道床底部出現吊(脫)空現象。吊空后的道床在列車動載反復碾壓下于薄弱處(如變形縫附近)發生橫向斷裂，裂縫內可能有泥水被壓出，進而構成冒泥翻漿現象。橫向裂縫產生的另一因素是道床變形縫兩側沉降存在較大差異，當沉降差超過其允許值時將產生橫向裂縫。

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程中，由于漿液在列車動載作用下進行膠凝固結，因而需要其與混凝土界面有較高的粘結強度和抗拉、抗剪強度；另外，隧道管片外為淤泥質層，采用常規漿液很難錨固穩定且難以灌注微細縫隙。實踐證明，EAA環氧材料可克服固體表面的水膜與界面粘結，對水有一定的親和性，滲透能力強，且能重復注漿，在防滲、固結、補強中應用較為廣泛[7]。

道床與管片間離縫治理的主要施工步驟：①施工前對離縫內雜物及積水進行清理；②在道床板離縫側布置注漿孔，鉆孔時應避免鉆破管片底部；③在離縫處開槽(寬度和深度約為2～3 cm)，用高強速凝水泥密封，以免串漿、冒漿；④如道床底部較密實則直接注入EAA環氧漿液，否則注漿過程為依次注入EAA環氧漿液、水泥漿和EAA環氧漿液，最終將會形成水泥-環氧復聚物。

道床橫向裂縫的治理措施如下：對于干燥橫向裂縫，沿縫開V型槽，再用鋼絲刷刷除表面松動顆粒，用清水清理干凈，表面風干后涂刷界面處理劑，再回填環氧材料后立模加壓[8]；當橫向裂縫處有冒漿現象時，道床底部吊空現象就較嚴重，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，軟土地區隧道沉降需經歷數年才能達到穩定，且隧道不均勻沉降是各種影響因素對隧道整體狀況的綜合反映[9-10]。不均勻沉降將影響地鐵結構的耐久性和運營的安全度，是導致隧道滲漏、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定的重要依據之一。

圖4為左線道床的累計沉降量統計情況。自2015年9月在道床上布設監測點以來共進行了6次監測，其中道床初始高程取初次測量值。從圖4中可以看出：道床縱向沉降量呈波動不均勻分布，沉降量均未超過豎向位移預警值10 mm[11]，其中，8號線右線下穿部位道床附近累計沉降量最大，相對初始值累計沉降在5 mm左右；左線ZDK29+260—ZDK29+350區段由于結構下臥軟土層相對較厚，且厚度均大于10 m，累計沉降量在3 mm左右；3號聯絡通道處累計沉降量在2 mm左右。

3.2 隧道不均勻沉降成因分析

結合該盾構區間實際工程情況，對影響隧道不均勻沉降的各種因素進行分析，歸納總結如下：

(1) 8號線右線下穿施工。盾構掘進的過程中，盾構土艙壓力、掘進速度、同步注漿等因素對周邊土體形成擾動，受擾動的土體在工后較長時間內發生固結變形及次固結變形，導致隧道在工后較長時間發生沉降。從監測結果可知，盾構下穿已運營的隧道對其沉降影響很大，且隨著運營時間的增加，不均勻沉降和變形將會進一步增加。

(2) 工程地質條件。盾構隧道長距離穿越軟塑、流塑淤泥質土層，該土層具有高壓縮性、高觸變性、低承載力的特性，一旦擾動，導致隧道變形時間加長且變形量增大；同時，盾構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，也將導致隧道產生不均勻沉降。

(3) 列車長期運營。列車振動荷載作用會引起土體固結沉降，尤其是運營初期；另外，列車振動荷載將使盾構隧道漏水冒泥現象加劇。因此，城市軌道交通振動荷載對隧道沉降有重大的影響。

(4) 施工工藝與質量。盾構施工不可避免地將擾動土體，如盾構施工狀況、施工管理、襯砌背后同步注漿等都會使土體結構的應力應變狀態發生較大變化。

(5) 聯絡通道凍結法施工。聯絡通道為盾構隧道的外掛結構，采用凍結法施工后，周邊地層冰脹后發生融沉，盾構隧道將隨土體產生不均勻沉降，因而聯絡通道凍結法施工對隧道沉降有較大影響，其影響隨時間推移將逐漸減小。

(6) 隧道滲漏。當隧道發生漏水冒泥現象時，將導致隧道周圍土體進一步排水固結，如不采取措施則其對隧道沉降的影響將進一步加劇。

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，即在盾構隧道下臥層形成剛度大于原狀土的加固體。由于盾構隧道縱向是環環相接的柔性結構，在注漿過程中需盡可能減小對地層的擾動，確保每環內注漿引起的附加橫向應力和橫向變形均在允許范圍內，并對地層沉降具有較好的補償效果。

為減小注漿過程對地層的擾動，且達到良好的控沉效果，注漿工藝及參數、注漿孔位的布置、單孔注漿的方法均應合理選擇。由于漿液須具備高密度、高強度、快速凝結、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，注漿設備應滿足注漿過程穩定且可調可控、體積小、質量輕，同時能在狹小空間內施工和搬運的要求。

為確保盾構管片受力對稱，避免隧道軸線偏移，則需要在同環布置兩個注漿孔，且兩孔均勻對稱注漿；隧道縱向采取間隔跳孔施工的原則，間隔環數不宜少于2環管片[12]，且為避免加固段與非加固段在后期產生過大的差異沉降，建議設置一定范圍的過渡段。注漿孔位的布置詳見隧道下臥層注漿加固橫斷面(見圖5)和隧道下臥層注漿加固范圍(見圖6)。同時，每個注漿孔應通過分層、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間內的固結沉降的交替作用下漸趨穩定，直至兩次注漿間隔時間內的沉降量趨于零時，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 結語

(1) 盾構隧道常見病害之間是相互聯系的，往往表現為多種病害同時存在，且隨著地鐵運營時間的增加病害亦會隨之加劇。其中，隧道不均勻沉降是導致產生其他常見病害的重要原因之一，也是判斷隧道是否穩定的重要依據之一。

(2) 盾構隧道常見病害是各種復雜因素共同作用導致的結果，目前僅能定性地分析各因素對隧道沉降的影響，難以定量地進行評價。工程地質條件、運營期間列車長期作用、盾構隧道下穿施工或周邊鄰近區域施工是隧道各類常見病害的重要影響因素，同時施工工藝與質量、聯絡通道凍結法施工、隧道滲漏等因素對隧道沉降的影響也不容忽視。

(3) 為確保盾構隧道安全運營，建議從“設計—施工—運營”全過程的角度來進行控制。在設計階段，應充分考慮線路的工程地質條件，盡量避免盾構隧道下臥軟弱土層較厚的情況，且對關鍵節點處應提前做好預處理措施；在施工階段，應確保施工質量，且盡量減小施工對土體的擾動；在運營階段，除應嚴格控制周邊鄰近區域施工外，還應加強變形量測且加密關鍵節點處量測點的布設，發現病害應及時治理。