吊出井區段盾構隧道結構病害及成因分析

關淑萍

(浙江華東工程安全技術有限公司 杭州市 311122)

1 概述

軌道交通建設已經成為大城市基礎設施建設的重要組成部分。然而，由于各大城市地鐵的開通運營和地鐵保護區內施工作業影響，保障地鐵運營的安全性就成為了必然的發展方向。由于地鐵隧道隱蔽性較強，運營維護工作受到各方面條件影響，這就使得隧道運營期的病害調查和檢測評估工作尤為重要。

某城市砂性地層盾構區間隧道全長700.21m，區間呈“V”型坡，最大坡度為8‰，最小平曲線半徑為800m，隧道埋深7.9～11.5m，采用盾構法施工。采用單層通用裝配式混凝土管片襯砌，管片寬度1.2m，厚度300mm，采用“3+2+1”即三塊標準塊、兩塊鄰接塊、一塊封頂塊組成襯砌環模式，錯縫拼裝。隧道內徑5400mm，外徑6000mm。盾構區間范圍內地面較為平整，地貌形態單一，地面標高19.28～20.59m，隧道埋深9.5～12.8m，隧道主要穿越②4中砂層、②5粗砂層、②6礫砂層、②7圓礫層。場地淺層地下水屬上層滯水、孔隙性潛水、微承壓水，主要賦存于表層填土及②砂土、礫砂、圓礫中。

2013年11月，該區段下行線吊出井始發洞門下部探孔時發生洞門涌水險情，施工單位制定了洞門補充加固方案，在盾構吊出井圍護結構外側打設兩排鉆孔樁，采用C20素混凝土澆注。另在鉆孔樁外側進行地面雙液注漿作止水。該區段隧道自2015年10月試運營以來，檢查發現下行線(200～500環)存在沉降累計值超控制值、隧道管片收斂測量值超標等較嚴重的問題。

2 檢測隧道主要病害

針對巡視發現的問題，2016年9月對該區間下行線隧道結構進行了全面檢測，結果表明隧道主要病害為滲漏水、管片裂縫、錯臺、接縫張開和收斂變形等，且分布有如下特點：

(1)隧道滲漏水主要以環縫滲水、縱縫滲水和道床部位滲水為主。道床部位滲水主要分布在240～261環、268～329環和477～482環。吊出井區段未發現滲漏水病害。

(2)混凝土管片裂縫主要集中在206～212環(吊出井段)、229～248環、270～306環、418～500環，裂縫寬度最大主要分布在206～212環，縫寬最大達1.32mm(206環)，基本以縱向裂縫為主。各環最大裂縫寬度統計見圖1。

圖1 各環測得最大裂縫寬度統計直方圖

(3)依據《盾構法隧道施工及驗收規范》(GB 50446-2017)第16.0.5條相鄰管片環間錯臺量允許值取[1]=15mm，隧道200～500環間相鄰管片環向錯臺量處于[1]<≤1.5[1]之間的有29環；環間錯臺量處于1.5[1]<≤2[1]之間的有4環(209環、211環、278環和289環)；環向錯臺量>2[1]=30mm的有6環，出現在205～214環，最大值達到50mm(205環)。

3 隧道病害成因及相關分析

3.1 道床沉降影響

從2015年8月23日到2016年11月8日，下行線道床沉降監測過程線見圖2。可見道床沉降主要出現在375～500環，累計最大沉降量達到22.85mm，沉降基本達到穩定狀態。

由前述檢測結果，該區間隧道滲漏水病害分布的477～482環，環間最大錯臺量在2～18mm之間，最大環縫張開量在0～3mm之間。可見由于區間隧道道床局部沉降引起區段隧道滲漏水。而吊出井段道床沉降量相對很小，所以對應的隧道頂部縱向裂縫、錯臺和接縫張開量病害與道床沉降相關性不明顯。

圖2 歷年隧道道床沉降監測過程線

3.2 收斂徑長影響

對比2016年5月10日和本次測得下行線隧道收斂徑長(注：收斂徑長指隧道全斷面掃描的最大直徑)與標準圓直徑差值變化曲線見圖3，可見該區間隧道斷面的收斂變形主要出現在吊出井段的200～216環，由前述知該區段道床沉降變形很小，未發現滲漏水病害，但隧道斷面的收斂變形十分顯著，實測斷面最大直徑與標準直徑(5.4m)相比在154.4mm以上。由于該區域為盾構吊出井位置，采用地下連續墻和鋼支撐作為圍護結構，吊出井內管片是在吊出井開挖完后進行拼裝的，管片拼裝后按設計要求進行回填。故推測管片裂縫是由于在上覆荷載作用下隧道產生較大橫向變形引起的。

圖3 隧道收斂徑長與標準圓差值變化曲線圖

4 吊出井段開挖回填模擬

4.1 吊出井施工工況

盾構吊出井開挖深度約19.624m，長14.1m，寬10.1m，盾構吊出井采用地下連續墻和鋼支撐作為圍護結構。設計要求中盾構吊出井底部鋪設0.2m厚的混凝土墊層，而在實際施工中混凝土墊層的厚度有所增加，混凝土墊層表面高程與管片頂部高程相同，對盾構管片起到一定支撐作用。

吊出井內管片是在吊出井開挖完后進行拼裝的，管片拼裝后按設計要求進行回填。針對該處的實際工況建立數值模型模擬盾構吊出井的開挖、盾構吊出井內管片拼裝、盾構吊出井回填三個階段，還原土體回填后的應力狀態，分析該段管片病害的成因。

4.2 計算模型

模型范圍取40m×15m(寬度上左右各延伸15m，在長度上延伸6.8m)，其中盾構井取7.2m×10m。模型考慮深度為0～30m，包含全部地層。整個模型尺寸為40m×15m×30m(x×y×z)，如圖4所示。

圖4 數值計算模型

4.3 施工回填模擬分析

吊出井內土體的豎向應力和水平應力的分布見圖5，從圖中可知：在管片頂部有一塊區域出現豎向應力集中，在管片腰部兩側土體的水平應力較低，其中腰部以下的水平應力比腰部的水平應力更低。圖5右側為吊出井內土體的側壓力系數隨深度分布的情況(注：側壓系數為計算的管壁周圍最大水平應力與豎向應力之比)，從中可知，在隧道腰部側壓力系數急劇減小，在腰部側壓力系數為0.5左右，在隧道底板處僅有0.3左右。

圖5 吊出井內豎向應力和水平應力分布

結合隧道病害分析可知，由于該段盾構隧道管片環發生了橫橢圓變形，變形特性即為水平伸張、豎向壓縮。水平伸張引起拱腰處管片內壁受壓外壁受拉，當內壁強烈受壓時便導致管片結構混凝土壓裂破壞，角部應力集中容易掉塊，而當外壁受拉嚴重時便導致拱腰處縱縫張開量過大，密封墊的接觸應力降低，出現拱腰接縫滲漏；隧道斷面豎向壓縮引起拱頂管片內壁拉伸外壁受壓，導致縱向開裂和接縫張開病害。

5 結語

通過對砂性地層盾構吊出井所在區段盾構隧道結構進行滲漏水、管片損傷、管片錯臺、接縫張開和隧道收斂變形等檢測，進行道床沉降、收斂變形的相關性分析和吊出井段開挖回填的施工模擬分析認為：隧道吊出井段病害主要是由于回填土在隧道該部位產生的側向應力值太低，在上覆荷載作用下隧道產生較大收斂變形，是導致吊出井段隧道拱頂管片縱向開裂和接縫張開的主要原因。