基于注漿修復的地鐵隧道結構穿孔風險評估與應急修復方案研究

摘要：軌道交通隧道受外部施工作業影響導致被擊穿的情況越來越多，需明確各類修補措施的優缺點并提出改進方案，建立標準化處理措施，確保既有線安全運營。此次隧道穿孔事故采用了地面深孔注漿+洞內注漿進行圍巖加固，使用新型材料改性MPC特種水泥和高強防水涂料恢復隧道結構。使用三維成像和雷達，分別對隧道修復結構和地層檢測，在結構內部未發現明顯缺陷，鋼筋清晰可見，地層也未見明顯反射，剖面較均勻，巖土體已經密實，修補效果較好。最終得出，隧道中心線兩側30°～50°范圍為內側拉壓轉換區域，一般短期內隧道自身穩定性可以得到保障，但長期來看則會對襯砌結構耐久性產生嚴重影響；地面注漿+洞內注漿結合的修復方案，工期短，對周邊環境影響較小，對運營影響較小；對于傳統材料而言，新型材料在隧道穿孔事故中更具有實用性。

關鍵詞"：隧道；擊穿；應急搶險；修復方案

中圖分類號：U455 """""""""""""""""文獻標識碼：A """""""""""""文章編號：

Risk assessment and Emergency Repair Scheme of Subway Tunnel Perforation Based on Grouting Repair

LI Hanbing，FAN Tengfei，ZHANG wei

（Beijing Rail Transit Operation Management Co.，Ltd.，Beijing 100071，China）

Abstract：There are more and more cases of rail transit tunnels being broken down due to the influence of external construction operations，it is necessary to clarify the advantages and disadvantages of various repair measures and put forward improvement plans， establish standardized treatment measures， and ensure the safe operation of existing lines. In this tunnel perforation accident， the ground deep hole grouting + cave grouting was used to strengthen the surrounding rock， and the new material modified MPC special cement and high-strength waterproof paint were used to restore the tunnel structure. Three-dimensional imaging and radar were used to detect the tunnel repair structure and the formation， respectively，no obvious defects were found inside the structure， the steel bars were clearly visible， and the formation did not see obvious reflection，the profile was relatively uniform， and the rock and soil body was dense， and the repair effect was good. Finally， it is concluded that the 30° ～ 50° range on both sides of the tunnel center line is the inner tension and pressure conversion area，generally， the stability of the tunnel itself can be guaranteed in the short term， but in the long term， it will have a serious impact on the durability of the lining structure. The restoration scheme combining ground grouting and cave grouting has a short construction period， less impact on the surrounding environment and less impact on operation; For traditional materials， the new materials are more practical in tunnel perforation accidents.

Keywords： tunnel; breakdown;emergency rescue;repair scheme

0 引言

隨著城市軌道交通的不斷發展，地鐵隧道的安全問題逐漸受到關注。地鐵隧道結構穿孔是一種常見的安全隱患，它可能會導致地鐵運營中斷、交通擁堵、人員傷亡等嚴重后果。因此，對地鐵隧道結構穿孔的風險評估和應急方案研究顯得尤為重要。目前，地鐵隧道結構穿孔的修復方法主要包括注漿修復、補強加固、切割更換等。本文基于以上注漿修復方法，對地鐵隧道結構穿孔的風險進行評估，并制定相應的應急方案。

1 事故背景

"北京某地鐵公司管轄范圍內，某一區間隧道由于外部門施工，隧道結構被穿孔，孔洞直徑約15 cm，嚴重漏水并伴隨有砂石漏出。

根據地勘報告得知，該區域勘察鉆孔處為砂卵石地層，主要包含圓礫卵石、粉細砂、粉土，地下水豐富，水位標高28 m，隧道結構頂板標高20 m，地下水位于區間隧道拱頂以上8 m，水壓過大，易發生涌水。水文地質情況見圖1。

2 隧道結構安全評估

建立三維有限元精細化模型對既有地鐵結構進行有限元分析，分析得知本區段隧道屬于典型的壓彎構件，根據內側彎矩分布情況，將隧道上半斷面分成3個區域，即受拉區、受壓區和拉壓過渡區，見圖2。

本次事故，擊穿部位位于隧道斜上方60°，范圍在隧道中心線兩側"30°～"50°，屬于隧道內側拉壓轉換區域（"即Ⅱ區）。地質鉆機成孔過程中打穿地鐵隧道，一般短期內隧道自身穩定性可以得到保障，但長期來看則存在較大安全隱患。被擊穿的隧道，在最短時間內恢復運營，主要是利用地層自穩能力與隧道結構安全余量。地層的短期自穩能力主要是隧道上方土體塌落拱尚未完全破壞，上方地層仍能在一定程度上維持自承載穩定。已成型隧道與圍巖處于一個整體受力狀態，即使是管片襯砌，由于環與環之間、塊與塊之間的約束，再加上圍巖的整體約束，局部小范圍破碎后，短期內隧道的整體安全仍在可控范圍。

被擊穿的隧道如得不到及時修補，由于地鐵列車運行振動與結構內力分布，一方面臨時封堵只能起到暫時緩解的效果，但耐久性不能確定，另一方面隧道上方地層為砂卵地層，隨著地層被破壞，砂的流出，自穩能力逐漸降低，塌落拱逐漸向地表發展，最終可能導致隧道上方全土柱荷載，可能影響隧道安全。

由以上分析可知，類似地質鉆孔等外部作業引起的管片襯砌破損范圍較小，此時依靠管片襯砌的整體受力與圍巖的約束，隧道仍能在短時間內繼續維持穩定，然而，從長期來看，將對襯砌結構的耐久性產生嚴重影響，同時隧道荷載模式的轉變會引起隧道內力值急劇增加、管片裂縫寬度顯著增大，宜盡早修補破損區域[1]。

3 隧道應急方案

事故發生后，立即啟動應急預案，經過多次添乘，多次查看研判，漏水事故暫時無擴大趨勢，為把損失降到最小，暫定停運后進入現場處理。首先，為了避免事故進一步擴大，安排了專人持續申請添乘，觀察孔洞滲漏是否有擴大趨勢、隧道是否積水、是否影響運營。其次，邀請專家組根據現場反饋情況擬定臨時封堵方案；選擇有類似搶險經驗的專業施工隊伍；準備應急搶險物資。列車停運，接觸網斷電后，邀請專家組進入施工現場查看現場情況，確定封堵方案后，由專業施工隊伍進行孔洞封堵施工。勘察鉆孔現場見圖3。

臨時封堵方案如下。①該處地下水豐富，水壓過大，正面封堵難度較大，為提高封堵效率，減少非必要的時間浪費情況，首先在勘察孔洞旁，使用手電鉆斜向開4個10 mm泄壓孔（開孔數量及孔徑大小可結合現場實際情況確定），以在封堵勘察鉆孔洞時用來泄壓；泄壓孔布置見圖4。②使用錘子、鋼絲刷清理基面，同時使用刮板、抹子及水桶，將封堵材料按“料：水=1：0.25～0.35”配比攪拌，攪拌好的材料發熱時，沿著勘察鉆孔四周，由外到內，順次封堵。封堵材料選用速凝型堵漏靈，速凝型堵漏靈是由硫鋁酸鹽水泥混合外加劑制作而成，是一種具備快速抗滲堵漏性能的無機粉料。具有凝結時間快、抗壓、抗折強度高、黏結力強的特點。封堵順序見圖5。③勘察鉆孔使用堵漏靈封堵完畢后，分別在泄壓孔內安裝注漿嘴，并同時注入丙烯酸鹽混合液和環氧樹脂漿液兩種封堵材料，至不再有明水流出，比例按照“丙烯酸鹽混合液：環氧樹脂漿液=1：1”。完成臨時封堵現場情況見圖6[2]。

4 隧道修復方案

勘察鉆孔地面施工場地為封閉空地，施工條件較好，施工不受時間影響，但要考慮地面深孔注漿對隧道結構的影響，所以整體計劃全部選擇在夜間列車停運后施工。首先，在施工前，使用地質雷達儀對混凝土管片壁后缺陷進行檢測，發現深度范圍2.5 m、平均深度約2 m 土體存在不密實區和富水區，需處理的巖土體體積為6 m×4 m×2 m=48 m3。

地面注漿過程中，隧道內需實時做好監控和測量，數據及時準確傳達給外部注漿操作人員，若發現數據異常，立即停止作業。

洞內修復隧道結構時，應先進行地層加固質量探測，對孔洞前后各一環管片范圍進行檢查，探測孔利用管片注漿孔觀察，探測孔深＞50 cm，要打穿盾構管片背后注漿層，如探測無明水流出，即可進行施工作業。

結構修復施工完成后，使用地質雷達再次對混凝土管片壁后缺陷進行檢測，兩次檢測結果數據對比，判斷管片質量缺陷。同時，使用超聲三維成像儀對結構修補質量進行檢測評價。

4.1 深孔注漿加固

深孔注漿加固具體步驟及參數如下。

1）"鉆孔：使用鉆機在注漿區域進行鉆孔，鉆孔深度應達到需要加固的深度。

2）"清洗孔道：將鉆孔內的雜物清理干凈，保證注漿材料能夠順利注入。

3）"安裝管道：將注漿管道安裝在鉆孔中，管道應緊密貼合鉆孔壁，以避免注漿材料流失。

4）"注漿：在管道中注入注漿材料，注漿材料應根據實際情況選擇，常用的有環氧樹脂、聚氨酯、水泥等。

5）"停留時間：注漿材料進入巖體后，需要在巖體內停留一定時間，以保證注漿材料充分固化。

6）"檢測：注漿完成后，需要對注漿區域進行檢測，確保注漿效果符合要求。

7）"注漿材料：水泥水玻璃漿液配比為1：1。

8）"注漿壓力為0.5 MPa。

9）"注漿加固范圍：被打穿管片環及其前后各1環，共3環。

10）"注漿完成后，在被打穿的孔洞四周形成1個寬約6 m，長約4 m，厚約3 m的加固體。要求加固后土體的無側向抗壓強度≥2 MPa，滲透系數＜1×10-7cm/s，注漿管距離管片頂距離≥1.5 m，防止注漿對管片受力造成不利影響[3]。

4.2 洞內修復技術

1）"從區間隧道內剔除干凈管片孔內搶險階段注入的臨時堵漏材料，然后使用凹槽專用打磨機對孔洞進行打磨，沿著孔壁四周打磨“凹槽”，將孔洞打磨成內大外小，用打磨機及吹風機將浮渣清理干凈。

2）"將管片的孔洞鑿毛、剔槽形成上大下小的漏斗型孔洞。

3）"用高壓水槍沖洗干凈槽壁。

4）"在洞口植入2根φ14 mm的鋼筋。

5）"孔洞修補尺寸：被打穿孔洞直徑，深度為管片厚度外延5 cm。

6）"注入改性MPC特種水泥封閉孔洞。

7）"在修補完成的孔洞及其周邊500 mm范圍內刷涂高防水涂料（水泥色）。

4.3 施工監測

1）"施工中采取人工監測法，對施工期間管片結構及軌道幾何變形進行監測，使用的儀器為天寶電子水準儀及軌道尺，根據工程經驗與相關規范要求，施工期間對地鐵線路該處進行實時監測。

2）"①軌道結構豎向變形控制值：預警值1 mm，報警值2 mm，累計控制值3 mm；速率控制值0.05 mm/ min；②隧道結構變形控制值：預警值2 mm，報警值3 mm，累計控制值5 mm；速率控制值0.1 mm/min。

4.4 結構修補質量檢測

本次管片孔洞治理采用組合探測技術，實現多層次、分步驟對管片混凝土修補質量問題進行檢測評價。

應用設備：超聲波三維成像儀。

主要特點：三維成像，實現病害的精準探測，三維全矩陣數據采集模式。

探測精度：理論圓柱體缺陷1 cm；理論球體缺陷2.5 cm，探測深度0.75 m。

通過B-Scan，C-Scan，D-Scan視圖和3D視圖的觀測以及現場實地考察，可清晰看出管片下鋼筋顯示情況，在結構內部未發現明顯缺陷，管片后部未顯示較強的反射體，修補效果較好。超聲波三維成像儀監測如圖7所示[4]。

4.5 地層檢測

1）應用設備：雙屏蔽空氣耦合雷達（900 MHz+400 MHz天線）。

2）主要特點：空氣耦合無需與地面接觸、雙天線加強信息提高探測精度、雙屏蔽提高反射信號接收率、降低發射信號損失率。

3）注漿修復處理后，在注漿前的相同位置使用地質雷達進行檢測，地質雷達剖面圖顯示，檢測區域的管片背后未見明顯反射，地質雷達剖面較均勻，巖土體已經密實。

5 結語

通過對此次隧道結構被打穿事件，明確了應急搶險方案，并對地鐵結構進行有限元分析，從分析結果可看出隧道的受力情況，根據受力分析，提出了合理的修復方案。本次事件的處理方法，較傳統方案相比，大幅節省了作業時間，縮短了修復周期，降低了對運營的影響。本次結構修復使用了新型補強材料，對修復后的隧道結構進行各項數據采集和研究，修復補強后的隧道結構雖不能恢復到原生狀態，但能使地鐵隧道結構達到穩定狀態，滿足了本次修復補強最初的要求，也驗證了新型材料的實用性，為以后類似事件的處理積累了寶貴的經驗。

參"考"文"獻

［1］戴志仁，王澤宇，王俊，等.城市地鐵隧道擊穿安全影響分析及其應對措施討[J]鐵道工程學報，2021（12）：95-101.

［2］戴志仁，王俊，胡瑞青．軌道交通工程裂縫與滲漏機理及其應對措施［J］．鐵道工程學報，2021（2）：103-108．

［3］葉飛，毛家驊，紀明，等.盾構隧道壁后注漿研究現狀及發展趨勢[J]隧道建設，2015，35（8）：739-752.

［4］石來.深層覆土盾構隧道同步注漿擴散規律的分析及其應用[D].上海：同濟大學，2020.

編輯：楊洋