已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道盾構(gòu)管片破損的豎井永久修復(fù)技術(shù)

連逢逾 陳 剛 廖林川 賀 威

(1.四川成德軌道交通有限公司, 610041, 成都; 2.成都軌道建設(shè)管理有限公司, 610200 , 成都; 3.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué)), 610059, 成都; 4.中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司, 102209, 北京)

受外部施工作業(yè)的影響,地鐵隧道盾構(gòu)管片很可能出現(xiàn)破損,給地鐵的正常運(yùn)營(yíng)及人員安全帶來(lái)重大隱患,亟需對(duì)出現(xiàn)問題的地鐵盾構(gòu)隧道修復(fù)加固。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)盾構(gòu)隧道管片破損修復(fù)措施展開了多方面研究。目前通常使用鋼內(nèi)襯、芳綸纖維布及碳纖維等材料來(lái)修復(fù)加固受損的管片。文獻(xiàn)[1]結(jié)合上海某隧道修復(fù)項(xiàng)目詳細(xì)闡述了運(yùn)營(yíng)盾構(gòu)隧道內(nèi)的鋼環(huán)整修修復(fù)工藝;文獻(xiàn)[2]通過(guò)管片外注漿加固土體、管片內(nèi)張鋼環(huán)等工藝使得石家莊地鐵1號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間的隧道管片破損得以解決;文獻(xiàn)[3-4]采用鋼板內(nèi)襯的方法修復(fù)盾構(gòu)隧道管片破損,證明了該施工技術(shù)的可行性;文獻(xiàn)[5]采用數(shù)值模擬的方法,證明了鋼板對(duì)盾構(gòu)隧道管片的加固效果;文獻(xiàn)[6]依托武漢地鐵4號(hào)線穿越長(zhǎng)江隧道區(qū)間的修復(fù)工程,將粘鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用于地鐵盾構(gòu)隧道修復(fù)施工,效果顯著;文獻(xiàn)[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和有限元模擬相結(jié)合的方式,研究分析了芳綸纖維布加固盾構(gòu)隧道管片的效果;文獻(xiàn)[8]依托青島地鐵8號(hào)線大洋站管片損傷修復(fù)工程,研究了巖補(bǔ)泡沫水泥砂漿修補(bǔ)損傷管片的效果,發(fā)現(xiàn)修補(bǔ)后的襯砌管片抗?jié)B抗裂性以及耐久性顯著提高;文獻(xiàn)[9]采取開挖輔助豎井的施工方法和措施對(duì)破損管片進(jìn)行徹底修復(fù),成功地解決了鄰近高壓電力鐵塔開挖豎井修復(fù)管片空間狹小、涌水量大、沉降變形要求高、施工難度大等難題;文獻(xiàn)[10]對(duì)豎井洞外修補(bǔ)方案及其適用性進(jìn)行了研究,研究發(fā)現(xiàn),管片破碎至豎井開挖階段,拱頂彎矩增大、軸力減小,影響結(jié)構(gòu)安全; 管片破碎修復(fù)部位,在回填土荷載作用下,內(nèi)力可能由內(nèi)側(cè)受拉轉(zhuǎn)變?yōu)橥鈧?cè)受拉,可能會(huì)加劇管片內(nèi)側(cè)裂縫或局部碎裂現(xiàn)象。

然而,目前關(guān)于采用明挖豎井修復(fù)破損管片的研究較少。本文以某地鐵隧道區(qū)間盾構(gòu)管片頂拱穿孔豎井修復(fù)為工程依托,詳細(xì)闡述對(duì)已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道內(nèi)盾構(gòu)管片破損的永久修復(fù)技術(shù)。以期為盾構(gòu)隧道管片破損修復(fù)提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)和參考。

1 工程概況

1.1 工程概述

某地鐵隧道區(qū)間右線起始里程為YK23+187.167,終止里程為YK24+382.026。該區(qū)間右線長(zhǎng)1 194.859 m。盾構(gòu)區(qū)間隧道外徑為6.0 m、內(nèi)徑為5.4 m,管片長(zhǎng)度為1.5 m,厚度為0.3 m。每環(huán)襯砌環(huán)由6塊管片組成,包括1塊封頂塊、2塊鄰接塊及3塊標(biāo)準(zhǔn)塊。區(qū)段管片采用M27螺栓連接。在降水井施工時(shí),施工單位不慎將YK23+568.561處拱頂管片擊穿。

1.2 管片破損情況

被擊穿管片為隧道直線段襯砌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)塊。受損范圍內(nèi)混凝土及部分鋼筋出現(xiàn)損傷;受損區(qū)域在該標(biāo)準(zhǔn)塊與另一標(biāo)準(zhǔn)塊連接手孔附近,位于列車前進(jìn)方向隧道橫斷面12點(diǎn)鐘方位,管片破損處現(xiàn)場(chǎng)示意圖如圖1所示。

a) 管片內(nèi)側(cè)

1.3 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

該區(qū)間范圍內(nèi)上覆第四系全新統(tǒng)人工填土,其下依次為松散卵石、中砂、稍密卵石、中砂、中密卵石、中風(fēng)化泥巖。管片被擊穿處的覆土厚度為17.3 m,管片破損位置所處地層情況如圖2所示。地下水位埋深為4.1～6.1 m,水量較豐富。

圖2 管片破損位置所處地層情況

2 隧道管片修復(fù)技術(shù)

2.1 修復(fù)技術(shù)

在常見修復(fù)施工的方法中,在盾構(gòu)隧道內(nèi)施加鋼內(nèi)襯或是在盾構(gòu)管片上部施作鋼筋混凝土拱都具有一定的施工難度,而且施加鋼內(nèi)襯施工還會(huì)對(duì)地鐵的正常運(yùn)營(yíng)造成較大影響,也不能徹底修復(fù)。

考慮到該隧道范圍內(nèi)地層圍巖穩(wěn)定性較好的特點(diǎn),可以在管片破損上方直接開挖豎井,不僅能縮短施工工期,徹底地修復(fù)破損位置,還能確保隧道的結(jié)構(gòu)和防水質(zhì)量。由此,現(xiàn)場(chǎng)采用管片破損豎井修復(fù)技術(shù),即明挖豎井修復(fù)破損管片,待管片達(dá)到強(qiáng)度要求后直接分層回填豎井。管片破損豎井修復(fù)施工示意圖如圖3所示。

圖3 管片破損豎井修復(fù)施工示意圖

2.2 管片破損豎井修復(fù)施工工藝

管片破損豎井修復(fù)的施工工序?yàn)?降水井成井并抽水→開挖豎井范圍內(nèi)地表以下2.2 m深的土體并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖至地表以下5.0 m并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖至地表以下6.2 m并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖至地表以下8.2 m并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖至地表以下9.2 m并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖至地表以下11.2 m并及時(shí)施作混凝土護(hù)壁→開挖進(jìn)入中風(fēng)化泥巖層之后每挖深1.0 m就及時(shí)施作護(hù)壁,直到挖至管片破損深度位置17.4 m→修復(fù)破損管片→對(duì)修復(fù)后的盾構(gòu)管片進(jìn)行防腐和防水處理→豎井內(nèi)部分層回填→施工完成。破損管片修復(fù)施工工藝流程如圖4所示。

圖4 豎井修復(fù)施工工藝流程圖

2.2.1 降水井布置

豎井開挖前,由于地下水位較高,為提供良好的施工環(huán)境,需在隧道周邊打設(shè)10口降水井,其中8口(降水井1)沿線路方向分布于隧道兩側(cè)且間隔6 m,其余2口(降水井2)位于隧道上方,將水位降至中風(fēng)化泥巖面。降水井分布如圖5所示。

a) 降水井平面布置圖

2.2.2 豎井開挖

抽水不少于7 d后,在管片破損處上方人工開挖內(nèi)徑為2.1 m的豎井,開挖至管片外輪廓面。開挖過(guò)程中隨時(shí)觀察土層變化情況。人工挖孔豎井段深約17.4 m;當(dāng)挖孔深度達(dá)到6.0 m后,應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng),樁體每挖掘1.0 m就必須要澆筑1節(jié)C30混凝土護(hù)壁。護(hù)壁是厚度為150 mm的內(nèi)齒式護(hù)壁,每節(jié)高度為1.0 m。護(hù)壁模板為鋼制,拼裝緊密,支撐牢固不變形。上下護(hù)壁使用豎向筋拉結(jié),拉結(jié)長(zhǎng)度為5 cm,以保證護(hù)壁的支撐強(qiáng)度。

2.2.3 管片修復(fù)加固

1) 豎井清孔。人工挖豎井挖至管片(隧道頂)后,對(duì)豎井進(jìn)行清孔、洗孔,為保證管片修補(bǔ)的質(zhì)量,須保證修補(bǔ)處管片表面干燥。采用功率不小于800 W的電吹風(fēng)熱風(fēng)風(fēng)干,風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)不小于2 h。

2) 破損混凝土處理。使用小型電鎬鑿除管片外側(cè)受損處松散混凝土和骨料顆粒,并采用高壓氣體清除管片外側(cè)待修復(fù)部位混凝土表面碎屑及灰塵。若有鋼筋銹蝕情況,則還須對(duì)鋼筋進(jìn)行除銹處理。

3) 受損鋼筋恢復(fù)。管片內(nèi)外側(cè)受損主筋采用2根φ14 mm鋼筋按原設(shè)計(jì)間距進(jìn)行焊接連通,分布筋采用2根φ10 mm鋼筋按原設(shè)計(jì)間距進(jìn)行焊接連通。主筋與分布筋交叉位置新增φ8 mm拉結(jié)筋;主筋及分布筋均采用雙面焊接,焊縫長(zhǎng)度為5d(d為鋼筋直徑);手孔兩側(cè)各增加1根φ10 mm鋼筋,采用植筋方式進(jìn)行安裝,且植筋錨固長(zhǎng)度為150 mm。在管片破損位置上方設(shè)置一道防墜梁,防墜梁截面尺寸為250 mm×250 mm,長(zhǎng)度為900 mm。

4) 界面處理。對(duì)管片外側(cè)受損部位混凝土結(jié)合面進(jìn)行界面處理,涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水涂料。涂刷時(shí)應(yīng)沿兩個(gè)方向進(jìn)行涂刷,不少于兩遍,確保均勻、無(wú)遺漏。

5) 填充修復(fù)。填充材料采用摻鋼纖維微膨脹細(xì)石混凝土。混凝土標(biāo)號(hào)為C55,抗?jié)B等級(jí)為P12。鋼纖維選用材質(zhì)為不銹鋼型的高強(qiáng)鋼絲切斷型鋼纖維,抗拉強(qiáng)度不低于1 000級(jí),形狀為平直形;鋼纖維長(zhǎng)度為50～60 mm,直徑為0.5～0.9 mm,長(zhǎng)徑比為60～80;每m3混凝土的鋼纖維摻量為40 kg。混凝土界面處理劑涂刷完成后,向受損部位灌注修復(fù)材料。

6) 防水處理。待修復(fù)材料強(qiáng)度達(dá)到20 MPa后,對(duì)管片修復(fù)部位內(nèi)外側(cè)涂刷環(huán)氧樹脂防水涂料進(jìn)行防水封閉。涂刷面積不小于破洞修復(fù)范圍外側(cè)360 mm;防水涂料涂刷完成后在上部粘貼一層自粘高分子聚合物防水卷材,防水卷材四周采用密封膠進(jìn)行收口處理。

2.2.4 豎井回填

盾構(gòu)管片修復(fù)后,將分層回填豎井。豎井回填施工工序?yàn)?豎井內(nèi)中風(fēng)化泥巖層部分分層回填,每層回填1.2 m直至中風(fēng)化泥巖層表面→回填中風(fēng)化泥巖層以上0.9 m豎井范圍內(nèi)的土層→繼續(xù)回填1.1 m豎井范圍內(nèi)的土層→繼續(xù)回填2.0 m豎井范圍內(nèi)的土層→繼續(xù)回填1.2 m豎井范圍內(nèi)的土層→繼續(xù)回填3.5 m豎井范圍內(nèi)的土層→繼續(xù)回填1.5 m豎井范圍內(nèi)的土層至原地面。

不同深度豎井采用不同方式回填,從下至上回填材料依次為:6.2 m厚的C35混凝土、9.7 m厚的輕質(zhì)泡沫混凝土(填充重度為8.5 kN/m3,強(qiáng)度等級(jí)為CF2.5)、1.5 m厚的雜填土。

3 豎井修復(fù)效果

3.1 三維有限元模型的建立

為了能夠更直觀地顯示出豎井開挖及回填過(guò)程中對(duì)地層地應(yīng)力和隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響,采用三維方式來(lái)建立豎井開挖有限元模型。計(jì)算模型應(yīng)考慮邊界效應(yīng)的影響,隧道上邊界到模型上部為實(shí)際埋深17.4 m,模型上部邊界為自由面,底部為X、Y、Z三向約束,兩側(cè)邊界均施加法向約束,模型范圍為54.0 m(X向)×30.0 m(Y向)×47.4 m(Z向)。有限元模型如圖6所示。

a) 整體模型

3.2 材料物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算模型中,土體的本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型,隧道襯砌管片和豎井使用實(shí)體單元進(jìn)行模擬。有限元模型的材料相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 有限元模型材料的相關(guān)參數(shù)

3.3 修復(fù)效果分析

管片破損處修復(fù)后的最小主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖7所示。繪制破損管片修復(fù)前后的環(huán)向最小主應(yīng)力曲線如圖8所示。其中正值為受拉應(yīng)力,負(fù)值為受壓應(yīng)力。

圖7 管片破損處修復(fù)后的最小主應(yīng)力云圖

圖8 破損管片修復(fù)前后的環(huán)向最小主應(yīng)力曲線

由圖7及圖8分析可知,使用豎井修復(fù)破損管片后,修復(fù)部位應(yīng)力最小為0.732 MPa,盾構(gòu)管片破損部位之外的其他部分管片應(yīng)力減小并不明顯,應(yīng)力減小最大的部位在距管片頂部約30°附近的管片,管片應(yīng)力由2.049 MPa減小為1.632 MPa,應(yīng)力最多減小了20.35%。

提取管片頂部破損處中心位置和邊緣位置隨修復(fù)施工各階段的應(yīng)力數(shù)據(jù),并繪制盾構(gòu)管片破損處在各施工階段的應(yīng)力變化曲線如圖9所示。

圖9 盾構(gòu)管片破損處在各施工階段的應(yīng)力變化曲線圖

由圖9可知:盾構(gòu)管片經(jīng)過(guò)修補(bǔ)施工后,破損處邊緣位置應(yīng)力由3.982 MPa減小為1.549 MPa;待修復(fù)部位混凝土達(dá)到強(qiáng)度要求后,隨著豎井回填C35混凝土和輕質(zhì)混凝土,管片應(yīng)力開始逐漸增加,最終應(yīng)力穩(wěn)定在2.124 MPa左右;管片修補(bǔ)完成后破損位置中心處的混凝土應(yīng)力為0,之后隨著豎井的回填,應(yīng)力也在逐漸增大,最終穩(wěn)定在0.732 MPa左右;各施工階段管片應(yīng)力數(shù)據(jù)均小于C50混凝土的承載強(qiáng)度,滿足安全控制要求。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)效果

為確保盾構(gòu)隧道的運(yùn)行安全,對(duì)管片修復(fù)位置展開應(yīng)力監(jiān)測(cè)修復(fù)部位混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線如圖10所示。

圖10 修復(fù)部位內(nèi)側(cè)混凝土應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖10可知,襯砌管片修補(bǔ)部位混凝土以受壓應(yīng)力為主,在破損管片修補(bǔ)后的43 d內(nèi)混凝土應(yīng)力增長(zhǎng)較快,之后逐漸趨于穩(wěn)定。截至2022年2月14日,襯砌管片修補(bǔ)部位鋼筋應(yīng)力已經(jīng)監(jiān)測(cè)了241 d,襯砌管片修補(bǔ)部位內(nèi)側(cè)混凝土應(yīng)力約為0.89 MPa,說(shuō)明受損管片修復(fù)后的安全性符合要求。此外,該實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出的襯砌管片修補(bǔ)位置混凝土應(yīng)力0.73 MPa結(jié)果相近,驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性。

本次修復(fù)工程共計(jì)25 d,相較于預(yù)期縮短了約20%的工期,有效降低了地鐵運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)。在監(jiān)測(cè)期間內(nèi),修補(bǔ)的管片總體處于穩(wěn)定狀態(tài)。綜上所述,該修復(fù)技術(shù)是可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某地鐵盾構(gòu)區(qū)間管片破損及其修復(fù)工程,結(jié)合區(qū)間內(nèi)的地質(zhì)條件,采用在管片破損處上方開挖豎井的技術(shù)修復(fù)破損管片。通過(guò)本次修復(fù)工程,得出以下結(jié)論。

1) 基于區(qū)間內(nèi)良好的地層條件,采用該豎井修復(fù)技術(shù),很大程度上減小了施工難度和對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響,并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)破損管片的高效修復(fù)。

2) 基于該修復(fù)技術(shù)的施工工藝,對(duì)其中具體技術(shù)作了較為詳盡的闡述,如:人工降水、豎井開挖、豎井回填,重點(diǎn)介紹了管片修復(fù)加固。證明了該修復(fù)技術(shù)施工簡(jiǎn)便,具有良好的修復(fù)效果。

3) 修復(fù)后管片破損處的壓應(yīng)力最小為0.732 MPa,修復(fù)前后破損位置之外的管片應(yīng)力減小并不明顯。隨著豎井的回填修復(fù)部位邊緣處的管片應(yīng)力開始逐漸增加,最終應(yīng)力穩(wěn)定在2.124 MPa左右,破損中心處穩(wěn)定在0.732 MPa左右。滿足C50混凝土承載強(qiáng)度要求,管片結(jié)構(gòu)安全。