運營隧道內襯修復技術及其適用性分析

羅 濤

（中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070）

1 概述

文章依托既有盾構管片鋼內襯修復設計、施工工程項目，對盾構法隧道應用鋼內襯修復技術的可行性、關鍵應用技術及突出問題進行研究。通過工程類比、理論分析、數值模擬、考察調研與現場施工、監測相結合的研究手段，將理論與實際相結合，力求掌握鋼內襯修復技術。

2 內襯修復技術

2.1 技術簡介

盾構法是地鐵區間隧道施工中常用的工法之一，具有施工速度快、地面沉降小、施工過程安全、環境影響小、造價可控等優點，在國內城市地鐵建設實踐中得到了大量推廣和全面應用，并取得了良好的技術經濟效益。

然而盾構法由于其自身施工工藝特點，對于成型隧道病害的處理存在其特有的難點，一是由于土體共同作用，隧道變形往往伴隨周邊巖土體的變形，結構侵限后處理后恢復難度大。一般僅有調線調坡、壓縮限界、重新修建三個途徑。二是由于結構厚度較小，一般僅為300～350mm，發生損壞后修復手段少。當管片結構受到如裂縫、崩角、小程度錯臺之類的損傷，可采用高強度材料封堵裂縫、修補結構等較為簡單的工藝處理解決；但如果出現橫、縱向收斂變形，結構不均勻沉降后一般伴隨區域性的結構破損，限界侵限，情況嚴重的可能會導致隧道管片結構的百年耐久性受到影響，需要采取較強措施彌補管片的結構性能損失。因此，當盾構隧道結構變形發展到一定程度后，受某些因素影響排除置換管片結構的方案后，一般可供建設方選擇的方案就只有隧道內壁附著鋼內襯的補強方案。

2.2 鋼內襯實施的前提條件

一般的隧道結構破壞不是非常嚴重，隧道內凈空滿足限界條件，經注漿、卸載等各種處理措施后隧道沉降、變形穩定，內襯實施期間無滲漏水時，可使用鋼內襯技術。

2.3 鋼內襯加固材料及工藝

（1）材料。①鋼板：Q345鋼材，厚度20mm、30mm。②螺栓：適用于開裂混凝土特種M16錨栓。臨時固定錨栓應使用能迅速進入受力狀態的機械錨栓；其他部位應使用化學錨栓，其材料耐久性能應盡可能與地鐵隧道結構服役時間相匹配。③剛性環氧樹脂粘貼劑。④軌底橡膠絕緣墊片。⑤阻燃型SPUR涂層。

（2）施工工藝。①隧道內輪廓掃描，鋼內襯制作。②管線改排。③堵漏。④手孔封堵。⑤鋼環安裝。鋼內襯緊貼既有限界，由下往上對成安裝，用膨脹螺栓臨時固定，空腔部分采用環氧樹脂填充。道床兩側設置牛腿支架，并在道床上部通過鋼拉條連接，從而形成整環受力結構。壓注環氧樹脂，環形鋼板就位后采用環氧膠泥進行封堵；利用鋼板面預留的壓漿嘴及鋼環側邊的溢漿孔安裝壓漿嘴，壓注樹環環氧樹脂。

3 某地鐵鋼內襯修復項目

3.1 項目背景

某城市地鐵盾構隧道施工期間右線始發掘進約200m后盾構機發生機械故障，掘進能力急劇下降，為保證施工安全和節點工期，同時考慮到事故區域道路下方的市政管線較多、車流量較大、人口密集，無法改用明挖工藝，在短時間內應急處置后，于右線掘進方向前一段距離自行設計、施工一座寬11.7m、長15.7m的臨時盾構工作井，用于應急拆解更換盾構機。

盾構機拆解更換之后，未慎重考慮過渡方案，采用盾構空推通過盾構井。通過后豎井采用雜填土配合型鋼梁支撐的方式回填，直接造成井內回填土的壓實度較差，引發持續的工后沉降。后續空推通過時因盾構機二次始發反力不足，上部千斤頂無法正常加力，導致隧道環向變形和縱向錯臺及變形嚴重，尤其上部管片拼裝錯臺嚴重超過規范。

經過現場踏勘及數據采集、分析顯示，區間左線208環前后隧道發生較嚴重變形。橫軸外擴達到15.6cm，縱軸收斂最大值也達到了約14cm。發生橢變大于50mm的管片結構共有10環，均位于豎井結構之內。

截至治理方案確定，204～215環范圍內管片收斂徑長與標準圓差值范圍為37～181.4mm。管片開裂64處，多為長度1.2m的貫穿裂縫，裂縫寬度范圍0.31～1.32mm不等，裂縫深度12～30cm不等。但出現滲水情況較少，偶爾可見拱腰裂縫及二次注漿孔滲水，豐水季節可見大面積濕漬。

3.2 修復標準

修復工作開展初期，工作組首先需要對損傷區間制訂一個合理的處理標準。如在何種情況下需要啟動鋼內襯修復工藝，以及采用多厚、多寬如何分幅的鋼板，采用何種牛腿形式及注漿材料。考慮當時暫定每1.2m為40萬元的處理價格，若修復范圍過大將帶來較高的運營處理費用，而過小也會使后期運營期間的風險無法消除。鑒于當地并無相關的工程案例、經驗，工作組首先對國內有施工經驗的幾個城市進行了考察，部分考察情況如下：（1）深圳地鐵1號線鋼板加固控制指標：≥0.2mm裂縫注漿封閉處理，管片環水平拉伸變形量≥70mm或管片縱向貫穿裂縫≥0.2mm。（2）武漢地鐵4號線：管片受損較嚴重，受損面積達到5%約1m2左右，采用整環不騎縫加固，寬度800mm。隧道徑向變形較大，橫徑變形＞80mm，豎徑變形＞100mm，設置整環加強鋼環。（3）廣州地鐵1號線：裂縫寬度＞0.3mm或者橢變率超過25‰，徑向收斂達到80mm以上的管片，采用850mm寬鋼內襯支護。（4）上海地鐵：外徑6200mm，內徑5500mm，350mm管片，直徑變化量120mm（鋼板襯結構結構）。

工作組在綜合考慮上述城市的實際事實及實施標準后按照當地地鐵公司的相關指導意見，暫定對橢變＞80mm的管片環實施不騎縫鋼內襯加固，加固管片環內表面內襯厚度20mm，牛腿內襯鋼板厚度30mm。

4 鋼內襯應力的模擬

鋼內襯結構安裝以后，管片結構變成了一個由原有鋼筋混凝土管片+螺栓與剛性環氧樹脂、內襯鋼板、連接錨栓形成的多相綜合應力結構，其應力狀態較為復雜，傳統的力學模型及理論較難對其實際應力狀態做出準確模擬。因此有必要通過有限元分析的手段進行模擬分析，同時進行現場足尺全環加載試驗。參照同濟大學及華南理工大學相關實驗數據及結論，根據試驗荷載位移曲線，可將管片襯砌破壞過程劃分為四個階段：

（1）螺栓應力不增加階段（0～110kN）。管片變形量線性增加，變形量較小。

（2）螺栓屈服前（110～250kN）。螺栓應力逐漸增大，襯砌結構變形增大，管片結構剛度逐漸減小。

（3）螺栓強化階段（250～418kN）。螺栓屈服后，螺栓剛度減小，管片結構剛度進一步減小，變形速率增大。

（4）螺栓達到極限應力（418～446kN）。接縫外弧面混凝土達到極限強度后，管片結構剛度大大降低，結構變形加快，直至結構破壞。

加載試驗期間采用了施加鋼內襯加固和未加固的兩套結構進行對比試驗，對比試驗結果顯示，鋼內襯加固后，管片襯砌環結構剛度大大提高，結構變形大大減小；鋼內襯加固后，管片襯砌環結構極限承載力試驗結果為568kN，管片襯砌環結構極限承載力提高了38%。接縫位置及張開量如圖1所示。

5 內襯技術適用性分析

5.1 限界適用性

根據現有管線改排經驗，一般橫向橢變最為緊張的是頂部接觸網位置。以6m外徑管片限界為例，從隧道頂部往下依次要滿足合計4375mm的限界空間，而隧道軌面距離隧道頂部理論距離為特殊減震4480mm，一般減震為4560mm。如果計入規范允許的工后沉降及施工誤差累加100mm，剩余空間為特殊減震4380mm，一般減震為4460mm，僅剩余5～95mm縱軸形變量，無疑是非常緊張的。

5.2 材料耐久性

圖1 接縫位置及張開量圖表

鋼內襯中與管片結構相錨固的化學錨栓，作為鋼內襯應力安全儲備的一個環節，其耐久性難以與內襯及管片結構相匹配。問題主要體現在化學錨固膠的老化，隨著使用時間的推移其力學性能逐步下降，最終使錨栓連同錨固膠一同拔出錨固體并被破壞。目前，僅部分廠家可提供錨固膠50年及以上耐久性的認證報告（企業認證），但其與管片的百年設計使用壽命仍有一定差距。

5.3 內襯結構的可置換方案

由于鋼內襯結構存在耐久性不匹配的風險，因此有必要研究其拆卸替換的方案。同時，當其施工質量出現局部缺陷時，拆卸內襯也是較好的彌補方案。

6 結論

（1）隧道形變病害治理的根本在于隧道自身結構與外界巖土環境之間的協調，任何的隧道修復技術均需要從了解隧道的外界巖土環境入手，從根本上消除隧道形變的根源后，方可啟動內部修復工作。

（2）隧道施加鋼內襯之后其結構承載能力有所增強，對變形也有良好的抑制作用，隨鋼板寬度、厚度、環氧樹脂的抗拉強度的增加而上升。

（3）鋼內襯承受超負荷荷載之后，環氧樹脂與混凝土管片結合面剝離形式被破壞，但其破壞征兆不明顯，表現為脆性破壞。未充分發揮鋼板的力學強度，從結構力學的角度上來講是有些浪費的，后期有待新技術、新工藝在這個方面做出突破。

（4）目前已完成的鋼內襯修復實體，投入使用至今不足10年，其耐久性與隧道設計壽命匹配的情況還存在疑問。