雙相波紋不銹鋼在盾構法隧道結構加固中的應用

潘沛浪,馮華松,方 慶,沈 偉,趙文亮

(1.中鐵十二局集團有限公司，山西 太原 030000；2.滁州市滁寧城際鐵路建設開發有限公司，安徽 滁州 239000；3.重慶賽迪工程咨詢有限公司，重慶 404100；4.上海市基礎工程集團有限公司，上海 200438)

1 研究背景

盾構法隧道是在采用盾構機進行地下工程暗挖，然后拼裝預制襯砌，形成隧道結構，其預制襯砌的拼裝形式導致結構整體呈現柔性可變性性質。軟土地區，由于受到地質條件、地表沉降、建筑活動、列車振動等眾多因素的影響，故運營隧道病害主要表現為滲漏水、結構體裂縫及損壞、縱向沉降及收斂變形[1]。當出現收斂變形時，隧道橫斷面呈現出“橫鴨蛋”形的現象，隨著收斂變形過大，結構上環向螺栓變形承載力損失，頂部、底部接縫張開，然后出現腰部縫壓損，滲漏水伴隨產生且不斷加劇，進一步加快收斂變形。收斂變形的處置方法主要包括上部卸載、側面微擾動注漿和內部結構補強，應根據變形原因有針對性的選用，其中常用的結構補強方法包括黏結芳綸布、安裝內襯鋼環等，一般根據變形程度界定施工方法[2]。目前常見的收斂變形處置技術多是針對城市軌道交通隧道，多為5.5 m內徑，針對大型隧道收斂變形處置的研究還亟待完善。

2 常用的結構補強技術

2.1 鋼內襯環加固技術

鋼內襯環加固是通過鋼內襯安裝成環，采用化學錨栓將鋼內襯環固定管片上，然后采用剛性環氧填充與管片的縫隙，使鋼環與受損管片共同受力。鋼板與混凝土襯砌的黏結失效是加固結構的關鍵性能點，黏結失效之后結構的整體性能被破壞，結構剛度迅速降低[3]。

鋼內襯環多采用1.6 cm～3 cm厚鋼板，寬度根據管片寬度設定為70 cm,80 cm,120 cm等，由于分塊太多會導致焊接量增加及質量缺陷，常用單塊重量高達500 kg，需要依托機械手(如圖1所示)安裝，且需動力車頭配合將安裝設備及材料運至作業面。鋼環施工準備時間長，施工整體效率低，難以在短時間內完成快速支撐，無法滿足搶修施工“快速支撐，立即受力”的要求。且鋼環安裝機目前較為成熟的是針對5.5 m內徑的隧道，若是針對大盾構隧道不具有通用性。

2.2 芳綸布黏結加固技術

隧道收斂變形時，管片頂部內表面受拉，管片接縫有張開趨勢。芳綸布黏結加固技術是通過環氧類膠黏劑將芳綸布黏結在拱頂處接縫兩端，利用芳綸布很強的抗拉強度防止接縫張開(見圖2)。

芳綸布加固一般用于水平面、下弧面，例如對結構橫梁進行加固，具有很好的效果。但在隧道內加固黏結部位為上弧面。當受力后，芳綸布黏結區接縫附近，除了橫向受拉，還會產生向下的力，向下的力會導致芳綸布脫膠且松弛，導致其橫向拉力起不到作用，故芳綸布加固僅可以作為一個臨時加固措施。

2.3 復合腔體內襯加固技術

復合腔體是采用碳纖維包裹鋼隔艙，安裝時背部黏膠貼在管片上，并采用化學螺栓進行固定，最后在隔艙內填充砂漿(見圖3)。復合腔體本身具有較好的力學性能，通過減薄鋼板厚度及每段長度，達到人工安裝的目的，目前還沒有較多的應用案例。

復合腔體與混凝土的黏結失效是加固結構的關鍵性能點，破壞由接縫處斜裂縫引起，導致復合腔體黏結面局部剝離，并很快擴展至整個黏結面，黏結失效之后結構的整體剛度迅速降低[4]。

受其自重要求限制，其單體寬度采用了16 cm，每環管片需范圍布設4環～5環，且環與環之間沒有連接，共同受力有一定限制。其與管片的黏結方式采用的是貼膠方式，螺栓數量相對鋼內襯環加固較少，單位面積的黏結力較鋼內襯環較弱。

2.4 鋼波紋板加固技術

鋼波紋板也是在構造上進行改良，通過波紋的構造形式，使波紋板在減薄的情況下，也能滿足受力需求。鋼波紋管涵作為一種柔性結構，在結構上可充分發揮鋼材抗拉性能強、具有較大的抗變形和抗沉降能力，在未來的應用中著重對波紋鋼的設計參數、防腐防水、拼裝方法及器械進行研究[5]。

國內外已有很多波紋板相關的研究及工程案例，多采用鍍鋅鋼板作為波紋板的原材，實際應用中，因為鍍鋅的質量及安裝時對鍍鋅層的破壞等原因，波紋板自身厚度又薄，導致波紋板腐蝕成了一個問題。

綜上所述，本文結合以上技術的特點及缺陷，對一種雙相波紋不銹鋼加固技術進行應用研究，既滿足輕量化需求，又規避了鋼波紋板銹蝕的難題。

3 雙相波紋不銹鋼加固技術應用

3.1 工程概況

本次研究的依托項目為滁州至南京城際鐵路(滁州段)二期工程盾構隧道段，其中襯砌管片采用C55等級混凝土，鋼筋主要采用HPB300,HRB400E鋼筋，襯砌環內徑7 700 mm，共分7塊，厚度400 mm，環寬1 600 mm(平均)，采用通用楔形環，46 mm(雙面楔形)楔形量，錯縫拼裝，斜螺栓連接。科研工藝應用范圍為1 255環～1 257環，采用雙相波紋不銹鋼進行隧道管片加固。

3.2 波紋板規格設計

波紋鋼采用QD2001雙相波紋不銹鋼，具有力學性能好，自身防腐、防火性能優良，無需防腐、防火涂層，抗老化試驗大于50 a。根據前期的研究經驗，設定了兩種尺寸規格，7N板弧長1 192.5 mm(見圖4)，8N板弧長1 352 mm，波紋板每環寬度460 mm，內弧面雙波峰，截面相同，波高4.5 cm。因管片寬度1 600 mm，每環管片設計采用3環波紋鋼加固。

為保證螺栓孔連接順暢，對加工精度要求較高，材料本身強度高，故采用的是工廠模具壓鑄成型工藝。但考慮到其通用性，盾構隧道加固用波紋板初始弧度選擇5 500 mm外徑。本工程內徑為7 700 mm，為了滿足工程需求，需對通用波紋板進行調弧。經工程驗證，卷板機無法滿足調弧需求，故采用定制模具，壓制成型的方法進行調弧(見圖5)。

波紋鋼板兩側板型采用拼插搭接安裝，插接接頭因為有臺階的存在，通過螺栓緊固后，其自身的抗壓可以靠插接處傳遞承載力(見圖6)，相對來說，在受壓構件中更具優勢。波紋鋼接頭處共設置5個螺栓，分別位于波峰、波谷中心線上。其中波峰位置2個螺栓采用高強抗剪螺栓，作為波紋板間的連接螺栓；波谷位置的3個螺栓采用化學錨栓，作為固定波紋板與管片作用。但因為拼插搭接連接方式，其波紋板接口處需特殊定制，且在現場不宜進行切割等調整偏差。

3.3 波紋板施工關鍵技術

1)異性構件連接及糾偏構造。

雙相波紋不銹鋼因為波紋構造的限制，底部牛腿預制難度較大，熱加工牛腿需依托定制加工單位，故計劃采用原鋼牛腿進行連接。本項目采用帶有接榫的連接構件，接榫插入至波紋鋼波峰位置，所述接榫通過種植螺栓將底部鋼板和波紋鋼連接固定，提供有效的抗拉力；所述波紋鋼底部與底部鋼板頂對，提供有效的抗壓力。

根據管片結構圖紙進行設計，波紋板按照長度共分7N和8N兩種規格，弧度均以內徑7.7 m調整，按照圖紙尺寸計算，計劃使用4塊7N板波紋鋼+10塊8N板波紋鋼拼成一環，閉合端約剩余140 mm，采用糾偏構造進行補缺(見圖7)。

2)壁后填充注漿技術。

注漿關鍵是注漿方法及注漿材料選擇，本項目采用低壓注漿工藝，在每環頂部預留注漿孔和排氣孔，波紋板具有較大的空隙，通過自流的形式從上向下灌注，依靠自密實砂漿的性能充填空隙，降低對封縫的要求，一次完成整環注漿。注漿材料采用自密實砂漿，最大骨料粒徑為3 mm，初凝時間30 min，通過單螺桿泵進行灌注，灌注流量14 L/min。

施工過程中，主要漏漿情況發生在側面封縫處，尤其是波紋板接口突變位置。主要原因是波紋板與管片無預留縫隙，采用高強砂漿進行抹縫時僅在表面形成一道抗壓層，在突變位置密封質量不易保證，故發生漏漿現象。頂部注漿密實度也是一個難點，待出氣孔出漿后，仍需進行一定時間的循環注漿，然后采用關閉出氣孔，短時間壓力注漿的方式，保證注漿密實度。

3)錨栓種植控制技術。

為提高黏結作用，化學錨栓的種植率是一個較為重要的控制量，但是由于襯砌管片中鋼筋密布，且鋼筋直徑較粗，經常出現遭遇鋼筋無法完成化學錨栓固定的情況，故利用襯砌圓環構造圖中各分塊鋼筋布置圖提前放好波紋鋼板的安裝位置，避開環向主筋。

為了保證種植數量，在波紋板上加密預留孔。在加工階段，每塊板兩側預留2排化學錨栓孔，每排5孔，中心處2個，每塊12孔。每環設計14塊波紋板，除去搭接3孔，每環波紋板預留孔數量為126個，每環管片上預留孔數量高達378個。

由于起始和收尾段為本結構的薄弱區，故鋼筋種植率更為重要，在起始位置通過試打孔，保證起始、收尾端化學錨栓的種植。實際施工中，仍有部分螺栓種植受到阻礙，目前種植率仍是一個值得研究解決的難題。

4 施工總結

本工程全部為人工作業，高峰期投入8名作業人員，配合小型工器具施工。在首次使用本工藝的情況下，包含管片處理、安裝、植筋等，7.7 m隧道安裝效率約合1環/班，作業便捷，施工效率高。

運營隧道有限界要求，主要是針對隧道上半圓，以滿足列車安全運營需要。根據測量結果，安裝波紋板后平均凈空縮小約6 cm，道床處隧道凈空與設計最大差值減少9.9 cm，上半圓隧道凈空與設計最大差值減少4.3 cm，滿足建筑最大容許凈空10 cm要求。

5 結論與建議

通過本次滁寧線二期工程的襯砌加固施工，驗證了雙向波紋不銹鋼具有施工便捷、高效等眾多特點，可作為盾構法隧道加固及應急搶修的施工工藝。主要形成如下結論及建議：

1)雙相波紋不銹鋼的預制加工不具有普遍性，可以儲備5.5 m直徑的定型波紋板，再根據項目需要進行二次加工。

2)異性構件連接及糾偏構造具有較強的可操作性，可有效的糾正環向偏差，并與底部鋼板(運營隧道中的牛腿構造)有效連接。

3)本工藝采用的注漿技術具有較強的適用性，采用自密實砂漿頂部注漿一次成環具有較好的可操作性，速凝砂漿側向密封滿足頂部注漿工藝防滲漏作用。

螺栓種植率仍是一個常見問題，仍需進一步研究。其加固的效果可根據壓載試驗，以及加固后的長期變形監測數據進一步分析。