地鐵大直徑盾構隧道運營期結構安全狀態評價研究

喬小雷 董 飛 李 奧 高才馳

(1.南京地鐵運營有限責任公司，南京 210046; 2.蘇交科集團股份有限公司，南京 210029; 3.江蘇省水下隧道綠色智慧技術工程研究中心，南京 210029)

引言

隧道病害隨著運營時間變長而逐漸顯現，隨之而來的是結構服役性能逐漸劣化且不可逆轉。隧道結構狀態關系到列車的正常運行與人民生命財產安全，也是業內關注的重點。

劉庭金等結合病害調研與監測數據分析，對上方堆載引起的盾構隧道結構安全問題開展研究[1]；蘇輝依托上海軟土盾構隧道運營期受力特征，基于4項病害指標對隧道結構的安全狀態進行評估[2]；劉學增等在結構受力演化分析的基礎上，以隧道結構長期安全變形控制指標為依據，對蘇通GIL綜合管廊的安全狀態進行評價[3]；陳君采用修正的模糊綜合評價方法對地鐵盾構隧道安全狀態進行研究[4]；周兵等結合總體評判與專項評估，依托馬巒山隧道構建城市交通隧道運營安全風險評估體系[5]；魏綱等基于運營期地鐵盾構隧道，對其結構安全評價指標進行分類，明確了各安全評價指標的分級標準[6]；程曦等基于云模型理論構建了隧道結構安全的綜合評估模型[7]；陳君在影響結構安全的主因素分析的基礎上，采用修正的模糊綜合評價法分析了上海地鐵1號線盾構隧道的安全狀態[8]；胡群芳等基于運營狀態提出長大公路隧道安全評價指標，采用模糊層次分析對其安全狀態進行評價[9]；劉文黎等采用EFAST方法分析了反映地鐵盾構隧道安全狀態的各指標敏感度[10]；林盼達等基于理論分析確立運營期盾構隧道安全評價指標體系，在修正的模糊綜合評價的基礎上對隧道結構安全狀態進行評價[11]。

不難看出，以往針對運營期盾構隧道結構安全狀態評價的研究多基于常規直徑盾構隧道，研究方法以模糊綜合評價為主，對于單洞雙線大直徑地鐵盾構隧道的研究相對較少。以下依托南京地鐵某大直徑過江盾構隧道區間，在病害調研的基礎上，建立隧道結構安全評價體系，獲取了各管片環的安全狀態。以期為國內相似對運營大直徑盾構隧道的運維提供指導。

1 工程概況

南京地鐵某區間隧道采用單洞雙線大直徑盾構隧道方案穿越長江，隧道外徑11.2 m，內徑10.2 m，管片寬2 m。預制煙道板、中隔墻以及口型件將隧道斷面空間劃分為煙道層、上行線軌行區、下行線軌行區以及底部空間4部分(見圖1)。襯砌為C60混凝土通用楔形管片，每環管片由“1塊封頂塊(SF)+2塊鄰接塊(SL)+5塊標準塊(SB)”拼裝而成。除口型件和煙道板采用“工廠預制+現場拼裝”外，其余構件均為現澆施工。

圖1 南京地鐵越江大直徑盾構隧道橫斷面(單位：mm)

區間隧道線路縱坡設計為“V”形，全長3.35 km(1677環)。北岸陸域段主要穿越粉砂、細砂，局部穿越礫砂、含礫中粗砂地層；江中段主要穿越粉砂、細砂、礫砂、含礫中粗砂、粉砂、細砂、流塑狀粉質黏土、軟塑-流塑狀粉質黏土地層；南岸陸域段主要穿越軟塑-流塑狀粉質黏土、粉砂、細砂地層(見圖2)。沿線地下水類型為松散巖類孔隙水及基巖水，其中以松散巖類孔隙水為主，包括孔隙潛水和微承壓水。孔隙潛水層透水性和賦水性差，微承壓水層透水性和賦水性良好，碎屑巖類裂隙水可看作弱含水層。

圖2 南京地鐵越江大直徑盾構隧道縱斷面

2 隧道典型病害特征

隧道病害調研表明，大直徑盾構區間隧道典型病害類型主要有：接縫變形、管片開裂與破損、滲漏水以及內部結構開裂。

2.1 管片接縫變形

該區間內管片接縫變形以環縫和縱縫的錯臺為主。錯臺量檢測點沿隧道中線對稱設置，其中，于煙道層以面向隧道大環號方向(江北至江南)沿順時針設置5個測量點；軌行區環縫錯臺范圍內上下各設置1個測點；隧道管片縱縫錯臺測點設置于所在環內可測縱縫所在的實際位置(見圖3)。

圖3 地鐵大直徑盾構隧道病害測點示意

根據文獻[13]，盾構隧道管片接縫變形允許值，環縫與縱縫錯臺量的最大限值分別取20 mm和12 mm。

根據現場檢測結果，環縫錯臺超限測點不足1%，煙道層約60%以上測點以及軌行區約80%以上測點的環縫錯臺量低于5 mm。煙道層環縫錯臺最大值為35.16 mm，軌行區環縫錯臺最大值為27.00 mm。多數管片縱縫錯臺量小于5 mm，煙道層縱縫錯臺最大量為21.40 mm；軌行區縱縫最大錯臺量為18.43 mm(見圖4)。

圖4 管片接縫最大錯臺量

2.2 管片開裂與破損

管片結構破損通常包括管片開裂、崩角、接縫破損、螺栓孔破損(見圖5)。

圖5 管片破損病害類型

管片崩角發生的頻率較高，其次為開裂及螺栓孔破損。管片破損在200～900環區間內顯著高于其他區域(見圖6)。從現場的調研情況來看，隧道拱肩位置出現管片破損的情況較多。

圖6 管片破損縱向分布

2.3 隧道滲漏水

隧道結構滲漏水形式主要包括：管片接縫漏水、螺栓孔漏水、管片裂縫漏水以及施工過程中二次注漿所導致的注漿孔滲漏水(見圖7)。

圖7 滲漏水類型

由于管片接縫、螺栓孔等滲漏水通道的大量存在，加之地下水源充足，使得滲漏水在盾構區間隧道全長范圍內較為普遍(見圖8)。滲漏水狀態包含濕漬、滲水與水珠3種情況；滲漏水通道以盾構管片的螺栓孔為主，管片接縫次之。

圖8 隧道滲漏水分布區域

2.4 內部結構開裂

地鐵盾構隧道內部結構破壞包括中隔墻及牛腿開裂兩種情況(見圖9)。

圖9 內部結構破壞類型

(1)中隔墻裂縫

中隔墻裂縫的“貫通”是指裂縫沿中隔墻豎直方向的貫通(豎向貫通)。中隔墻裂縫在隧道區間中的分布整體呈現為兩側少、中部多的特點，以未貫通裂縫為主(見圖10)。

圖10 中隔墻裂縫分布統計

全線共存在17處沿墻厚度方向貫通的裂縫(橫向貫通)，且同時存在豎向貫通的情況。單環出現厚度方向貫通裂縫最多為3條，位于第1079環位置。

(2)牛腿裂縫

對于牛腿裂縫，“貫通縫”定義為觀測到的從牛腿頂部(煙道板位置)擴展至底部(管片位置)的表面裂縫。牛腿裂縫在本區間內較為普遍，且軌行區內兩側牛腿均以貫通縫為主(見圖11)。

圖11 牛腿裂縫分布

現場情況表明，本區間內僅有12.6%的環內未發現牛腿開裂的情況，大多數環內牛腿存在1～3條裂縫，最多可達7條。32.2%的牛腿裂縫位于管片環縫之間，9.4%位于煙道板縫之間，同時位于環縫與煙道板縫之間的裂縫占比為2.3%。

3 隧道結構安全狀態評價

3.1 基于層次分析的模糊綜合評價方法

隧道典型病害是其運營期內長期受力與變形的結果，是結構安全狀態評價的重要依據。在病害調研的基礎上，結合層次分析和模糊綜合評價對本區間隧道結構的安全狀態進行評價。

(1)評價因子及權重

結合現場調研結果，選定接縫變形、管片破損、內部結構開裂以及滲漏水病害作為隧道整環斷面安全狀態的評價指標，建立以各管片環斷面為目標層的大直徑地鐵盾構隧道運營期安全狀態評價的遞階層次結構(見圖12)。除病害調研結果外，還將隧道縱向不均勻沉降專項監測結果納入評價體系。

圖12 地鐵大直徑盾構隧道安全評價層次結構

結合現場病害檢測結果，采用兩兩比較法確定各層級指標的權重，在SAATY提出的1～9標度的基礎上，通過層次單排序以及一致性檢驗加以確定[12]。

(2)安全狀態評價集

(1)

式中，H1-H5對應A-E五個安全等級；分別對其進行賦值，建立等級向量G，有

(2)

針對5個安全等級的評分區間，采用均分法確定(見表1)。

表1 安全狀態量化分級

(3)隸屬度函數與指標評價值

隸屬度函數的定義為判斷某指標值落于相應等級的概率，采用三角形分布與梯形分布相結合的隸屬度函數(見圖13)。

圖13 隸屬度函數

k1～k4為5個安全等級區間的界限值，各指標的限值選取參照相關文獻、現行標準、現場調研結果(見表2)。其中，ws表示管片尺寸，對于角部破壞以大尺寸為準；Ln表示裂縫擴展方向的構件尺寸；μA(x)、μB(x)、μC(x)、μD(x)和μE(x)的計算可參照文獻[15]中的相關方法。

表2 評價指標限值

將各指標的檢測值代入隸屬度函數表達式，可得到相應的隸屬度矩陣，即

(3)

將等級向量G與隸屬度矩陣Q(Mi，j，n)相乘，得到各基礎指標的安全綜合評價值R(Mi，j，n)，即

R(Mi，j，n)=G·Q(Mi，j，n)=

(4)

基礎指標層的安全綜合評價值R(Mi，j，n)計算完成后，采用文獻[15]中給出的方法計算上一層次的安全綜合評價值，直至最高層。對于諸如破損數量、裂縫數量、滲漏水點數以及滲漏水量等定量化評價指標，其評分值見表3。將各層次的計算結果與表1中相對照，即可量化相應的安全度。

表3 定量化指標評價值

3.2 隧道斷面安全狀態評價結果

根據計算結果，區間內各斷面安全狀態評分最小值為80.705(774環)；最大值為99.59(1 082環)。安全狀態評分小于84分(輕微受損)的斷面有36處，占比為2.15%，其余斷面的狀態判定為“安全”(見圖14)。

圖14 地鐵大盾構隧道各斷面安全狀態評分

以930環斷面為例，該環斷面結構安全狀態評分為81.41，處于輕微受損狀態。現場調研結果發現，該環斷面內包含中隔墻開裂、牛腿開裂、中隔墻頂部混凝土開裂等多種病害(見圖15)。

圖15 隧道第930環斷面結構病害情況

以2分為梯度，統計區間內各區段內的斷面評分值直方圖及其累積頻率(見圖16)。可以看到評分值介于92～94分的最多，達467處(占比27.85%)；其次為94～96區段，達452處(占比26.95%)。

圖16 地鐵大盾構隧道斷面安全狀態評分統計

地鐵大直徑盾構隧道管片環斷面(目標層)的安全狀態評價值與基礎層指標的評價值與各自權重有關。以管片環縫和縱縫錯臺為例，分別將其評分值按照升序排列，繪制其與斷面安全狀態評分值之間的關系曲線(見圖17)。

圖17 管片接縫變形與斷面安全狀態評分值關系

評價體系中的基礎層由多個指標組成，曲線接縫變形量(基礎層指標)評分值對于隧道斷面(目標層)的安全狀態評分值影響有限。考慮到基礎層指標值超過限值后，其對應的評分值沒有變化，對于基礎層指標超過限值的情況，應以基礎層指標狀態評價本斷面的安全狀態。

4 結論

(1)地鐵大直徑盾構區間隧道典型病害類型主要包括：接縫變形、管片開裂與破損、滲漏水以及內部結構開裂。

(2)管片接縫錯臺廣泛分布于隧道全長范圍內，多數斷面接縫變形量未超過規范所規定的限值；管片的破損類型包括開裂、崩角、接縫破損、螺栓孔破損，以崩角為主；螺栓孔是滲漏水的主要通道；中隔墻開裂呈現兩側少、中部多的特點，牛腿裂縫較為普遍，且沿隧道縱向分布較為均勻。

(3)各斷面安全狀態評分最小值為80.705(774環)；最大值為99.59(1082環)。安全狀態評分小于84分(輕微受損)的斷面有36處，占比為2.15%，其余斷面的狀態判定為“安全”。

(4)基礎層單一指標的評分值對于目標層的安全狀態影響有限，當基礎層指標值超過限值后，結構安全狀態的評價應以基礎層指標為準。