鋼板加固技術(shù)在運營隧道的應用及效果分析

中圖分類號 U418 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）08-0152-04

0 引言

在推動城市現(xiàn)代化與可持續(xù)發(fā)展的進程中，為了促進經(jīng)濟發(fā)展與區(qū)域協(xié)調(diào)，城市軌道交通得到了較快發(fā)展，提高了城市地下空間的利用率，滿足了市民的出行需求，產(chǎn)生了較大的社會效益。隨著地鐵隧道運營服役時間越來越長，地鐵盾構(gòu)隧道出現(xiàn)了管片破損、貫通裂縫等常見病害，該問題在國內(nèi)諸多城市普遍存在，也有地鐵盾構(gòu)隧道管片發(fā)生較大收斂變形等較為嚴重的病害。針對管片存在的不同病害及其嚴重程度，多數(shù)情況下采取的措施是安裝鋼板對隧道結(jié)構(gòu)進行加固以及在隧道兩側(cè)進行注漿予以加固土體。在地鐵盾構(gòu)隧道管片上安裝鋼板加固的工藝在較多城市軌道交通得到了應用，成為了盾構(gòu)隧道較為常見的加固方式，對于其使用后的效果以及管片后續(xù)狀況，還處在理論研究階段，國內(nèi)在盾構(gòu)管片加載試驗的大模型還并不多見，在加裝鋼板后的加載方面的研究更少，對加固后的效果是否能夠達到預期或者盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)承載力是否有效提升等方面仍存在諸多質(zhì)疑。

該文旨在通過試驗模型驗證對已完成鋼板加固的盾構(gòu)隧道管片達到的效果，從技術(shù)工藝的應用到效果分析對比，給出技術(shù)上可行性的建議措施。通過分析鋼板安裝技術(shù)過程方法以及如何改善隧道管片受力，保證運營隧道安全可靠，確保地鐵正常載客運營，為地鐵運營隧道出現(xiàn)類似變形情況時的處理提供一定的技術(shù)參考。

1工程概況

1.1 區(qū)間介紹

某地鐵盾構(gòu)法隧道，區(qū)間最大坡度 ，豎曲線半徑 。原地面線起伏高差較大，現(xiàn)地面線為約 3 % 地面縱坡，隧道拱頂最深埋深約 ，在區(qū)間中部設聯(lián)絡通道一處。

管片外徑 6 0 0 0 m m ，內(nèi)徑 5 4 0 0 m m ，管片厚度 3 0 0 m m 管片寬度 ，每環(huán)管片分6塊（ 3 B+2 L+F ，B為標準塊，L為鄰接塊，F(xiàn)為封頂塊）。管片混凝土強度等級為C50，抗?jié)B等級不少于P10，鋼筋采用HPB300、HRB400，襯砌環(huán)縱、環(huán)縫采用彎6.8級M27螺栓連接為整體，隧道盾構(gòu)掘進管片采用錯縫拼裝，管片環(huán)縱縫之間采用防水膠條與混凝土自防水共同作用防御地下水。

1.2 管片現(xiàn)狀

經(jīng)過對隧道實際情況的詳細調(diào)查，該隧道表觀病害主要表現(xiàn)為管片破損、剝離、裂縫、錯臺、空響、局部滲漏水。其中管片裂縫較為嚴重，均集中在拱頂臨接塊附近，破損多集中在拱頂及拱腰的管片拼縫或螺栓孔部位。如圖1為管片破損情況，圖2為管片裂縫情況。根據(jù)近兩年期間管片結(jié)構(gòu)收斂以及沉降等項目監(jiān)測數(shù)據(jù)得知，隧道橫向直徑發(fā)生了不同程度的變化。

1.3 原因分析

根據(jù)勘察以及現(xiàn)場調(diào)查，隧道周邊環(huán)境如下：

（1）隧道頂部未啟用雨水管長期積水，使周邊土體性質(zhì)發(fā)生變化，降低了對隧道的約束力。

（2）隧道施工結(jié)束后，隧道周邊進行了大規(guī)模的城市建設，周邊土體反復的堆載卸載，造成了區(qū)間隧道反復的受力變形。

（3）隧道上方土體雜填土較厚，于隧道整體受力形式不利。

2 技術(shù)應用

2.1技術(shù)原理

對已出現(xiàn)較大病害的地鐵運營線盾構(gòu)隧道，在不影響地鐵正常運營的情況下，根據(jù)管片不同病害以及收斂變形的嚴重程度，采取安裝鋼板的措施，與管片用錨栓固定繼而形成整體，共同受力，分散管片混凝土所受外在土壓力，改善管片結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

2.2技術(shù)難點

（1）鋼板加固施工工序多，既有線隧道設施設備多，天窗點施工有效作業(yè)時間短，運營線施工安全要求高。

（2）變形隧道為橢圓，安裝完成后的鋼板需要貼合管片，且需要預留均勻空隙，以保證黏結(jié)材料的有效填充，使鋼板均勻受力。

（3）拱頂鋼板錨栓安裝難度大，錨固膠狀態(tài)為液體，具有流動性，豎向打膠易流失，對錨固膠的初凝時間具有較高要求，完成后的錨栓需固定牢固。

（4）鋼板與管片之間填充拱頂質(zhì)量控制難度大，使用敲擊法進行是否填充密實的檢驗，其對人員的素質(zhì)要求及環(huán)境的要求較高，效率低，誤判風險高。

（5）隧道拱頂鋼板封頂快的安裝及焊接，其量測精度要求高，焊接操作困難，其質(zhì)量控制難度大。

3技術(shù)要點

鋼板加固技術(shù)關(guān)鍵工序有：鋼板加工、鋼板安裝固定、錨栓植入、拼縫焊接、封邊填充、防腐防火、既有管線設備的遷改恢復以及其他輔助必要工序。

3.1細化放樣數(shù)據(jù)，提高加工精確度

（1）鋼板彎制加工成圓弧形狀，為使弧形鋼板更加貼合管片，加工之前先用三維掃描[形成管片內(nèi)弧面輪廓點云模型，再根據(jù)點云模型進行建模，模擬出管片間的錯位關(guān)系與失圓情況，如圖3失圓關(guān)系情況，先根據(jù)建模之后的管片設計出每塊鋼板的曲率半徑，再加工對應的弧形鋼板。

（2）根據(jù)建模失圓程度數(shù)據(jù)，加工成相應的曲率半徑，以提高鋼板與管片貼合度。

（3）除了掃描點云模型外，還需要單獨對牛腿進行詳細放樣采集數(shù)據(jù)。根據(jù)原有排水溝深度確定牛腿高度、大小，確保牛腿與道床齊平且與側(cè)面完美貼合。

（4）固定鋼板安裝之前，在鋼板背面焊接A6或者A8的同長度鋼筋條，以保證鋼板與管片之間空隙均勻，填充厚度相同。

3.2加強前期準備，提高安裝準確度

（1）鋼環(huán)拼裝[3]需要采用定制機械設備，根據(jù)隧道的管線設施設備的布設位置，制定機械臂高度以及旋轉(zhuǎn)角度，以保證安裝精確。

（2）所有在支架上的管線需要外撥移動，使管線與管片之間的距離大于 1 5 0 m m ，集中固定在支架邊緣，根據(jù)圖4線纜改移示意圖，可保證鋼環(huán)安裝過程有穿插空間，保證管線安全；固定在管片上的管線進行拆除，固定在既有管線的支架上，為保證管線安全，應設置緩沖段，不可強行移動管線；其他的既有設施設備進行改移至無鋼環(huán)安裝環(huán)，改移后的設施設備固定牢固。

（3）安裝之前應清理管片上的灰塵污物，采用角磨機打磨，保證管片表面干凈無凸起物，且應在管片上劃線放樣，提高安裝精度。

3.3科學規(guī)劃工序，提高固定牢靠度

（1）利用機械設備轉(zhuǎn)運加工完成的鋼環(huán)至安裝作業(yè)面，鋼環(huán)根據(jù)隧道管線布置位置，分為 5 ～ 7 塊，先安裝下部貼近道床的牛腿部分，再逐塊向上安裝大小腰板和封頂塊；牛腿采用單臂吊吊裝至排水溝安裝固定在管片上，大小腰板和封頂塊采用機械臂進行安裝，從管線與管片的空隙插入對齊，及時安裝固定，采用后擴底錨栓進行臨時固定，以保證地鐵次日正常載客運營。

（2）鋼環(huán)每塊之間采用坡口焊連接整體，安裝期間先點焊臨時固定，后申請人工作業(yè)點進行坡口滿焊。如圖5拼接焊縫示意圖。

（3）每條拼縫焊縫分三次施焊，多層焊接應連續(xù)施 焊，每焊接完成一層后應及時清理焊渣及表面飛濺物， 發(fā)現(xiàn)影響焊接質(zhì)量的缺陷時，應清除后方可施焊上一層。

（4）鋼環(huán)錨栓開孔孔位與管片設計圖紙比對，錨栓[4孔位避開手孔、縱縫以及管片鋼筋，安裝8.8級M16的特殊倒錐形化學錨栓。拱頂采用初凝時間短的植筋膠進行安裝，并在錨栓上安裝防松橡膠圈，保障錨栓安裝牢固不下墜脫出。

（5）如鋼環(huán)安裝與管片過于貼合，在安裝之前應在鋼環(huán)背后焊接 的鋼筋條，以便于鋼環(huán)與管片之間存在符合填充要求的厚度，保證填充后有一定黏結(jié)強度。如圖6化學錨栓及背后填充示意圖。

3.4嚴格填充黏結(jié)材料，提高加固穩(wěn)定性

（1）錨栓以及焊縫完成后，對鋼環(huán)進行兩方面的封堵，一是封堵錨栓孔，二是封堵鋼板邊緣。采用環(huán)氧膠泥對其封堵，并在鋼板與管片之間的縫隙預埋注漿管，做好保護后期填充注漿使用。

（2）待封堵材料凝固后，從注漿管注入剛性環(huán)氧[5]，將鋼板與管片進行填充并有效黏結(jié)，形成整體。

（3）注漿填充采用小型電動注漿泵壓注環(huán)氧樹脂，施工時應自下而上分多次進行，下部注漿直至上部預留孔溢出漿液為止，過程中采用木槌敲擊，檢查填充情況，確保填充密實。

（4）鋼板每塊除兩端焊接部位預留未施作防腐涂層，其余部位均按要求做聚脲防腐，對出廠后因裝卸和運輸過程而導致防腐層破損開裂的情況要進行防腐修補。鋼環(huán)拼縫焊縫部位[5]是防腐處理的重點部位，焊縫上下各5 0 m m 位置范圍進行打磨，露出金屬光澤，先噴涂防銹底漆，再進行人工涂刷防腐材料，保證厚度與出廠一致。

（5）對所有鋼板表面進行打磨清理干凈后噴涂防火材料，對關(guān)鍵部位進行補充噴涂，涂層厚度均勻，黏結(jié)牢固嚴密，不允許有脫落、開裂、孔眼、涂刷壓接不嚴密等缺陷。

4輔助措施

（1）加固之前，對管片結(jié)構(gòu)破損部位進行修補，并做好防脫措施；對管片空鼓部位進行敲擊，清除掉破損部位的浮渣，露出堅實的結(jié)構(gòu)，同破損和管片螺栓孔手孔一起采用堆積填充的方法修補，拱腰以上部分應做好防脫落掉塊風險規(guī)避措施，防止造成管片結(jié)構(gòu)二次損壞。

（2）管片縱縫安裝阻斷點后和頂部結(jié)構(gòu)裂縫一起采用注射漿液的方法填充縫隙，并進行表面封閉措施，并做好色差處理。

（3）為保證鋼板加固有較好的整體性，在道床上軌道下方安裝鋼拉板，兩側(cè)與鋼板牛腿上邊緣焊接連接，形成閉環(huán)提升加固結(jié)構(gòu)的整體性；鋼拉板安裝完成后采用同鋼環(huán)的封邊填充工藝，使其與道床黏結(jié)在一起。完成后需在軌道范圍內(nèi)的鋼拉板上加裝絕緣墊片，以保證鋼拉板與軌道之間的有效絕緣，確保地鐵運行安全。

（4）在隧道管片結(jié)構(gòu)檢測過程，存在有變形病害，但是嚴重程度不足以采取安裝鋼環(huán)加固，或者在隧道管片結(jié)構(gòu)病害持續(xù)發(fā)展，需應急處置的情況，亦可采取鋼箍加固的方法對隧道結(jié)構(gòu)進行加固。

鋼箍采用 1 0 0 × 1 0 0 型鋼加工成圓弧形狀、鋼板焊接肋板結(jié)合而成，單榀鋼箍分為 5 ～ 7 節(jié)拼接成正環(huán)，拼接部位型鋼安裝鋼板接頭，采用鋼板連接，預留孔洞后使用10.9級摩擦型高強螺栓連接。貼合管片安裝固定，結(jié)合型鋼豎撐焊接形成完成的加固結(jié)構(gòu)，共同受力，兩端與道床側(cè)面相結(jié)合，如圖7鋼箍示意圖。

5 效果分析

根據(jù)實際隧道調(diào)查、材料技術(shù)指標參數(shù)以及加載模型試驗，可分析得到以下結(jié)論：

（1）通過焊接、錨栓、填充黏結(jié)使鋼板與管片形成整體，改善了管片受力形式。

（2）鋼板與管片形成整體后，提高了管片整體剛度，可以有效地提升結(jié)構(gòu)屈服荷載以及極限荷載，大大提高管片結(jié)構(gòu)承載力。

（3）鋼板覆蓋管片，可以阻正管片破損掉塊的情況，有效地避免了隧道結(jié)構(gòu)的掉塊安全隱患發(fā)生，保證地鐵列車正常運行安全。

（4）鋼板加固后可以有效抑制管片混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和擴展。

（5）在管片病害較為嚴重的情況下，可以采用鋼板與鋼箍結(jié)合的形式共同使用，即管片中間安裝鋼環(huán)，兩側(cè)安裝鋼箍，進一步改善隧道盾構(gòu)管片的受力形式。

6總結(jié)

城市地鐵隧道服役時間越來越長，不同原因?qū)е滤淼莱霈F(xiàn)的病害也越來越多，針對出現(xiàn)破損、裂縫、變形的管片，需要根據(jù)其病害的嚴重程度，選用鋼板加固、鋼箍加固等技術(shù)方案，其應用可以有效地抗破損、抗掉塊、抗裂縫，可以與管片形成整體，達到補強管片的作用，繼而提升管片整體剛度，進一步改善隧道的整體受力形式，保障地鐵隧道安全穩(wěn)固。

根據(jù)加載試驗以及對加固后的管片監(jiān)測，對比加固前后的收斂數(shù)據(jù)，分析顯示，管片結(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定。隧道管片安裝鋼環(huán)加固措施效果明顯、可靠，值得推廣應用。

參考文獻

[1]田豐華，湯憲高.粘貼鋼帶技術(shù)在隧道加固中的應用[S].城市建筑，2016（5）：306-307.

[2]李圣明，張健，等.地鐵隧道施工質(zhì)量三維掃描快速檢測技術(shù)研究[S].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2021（Z2）：105-109.

[3]陳君.地鐵運營隧道加固施工技術(shù)研究[S].科技創(chuàng)新導報，2017（30）：26-28.

[4]王達麟，牛宇哲，等，新型隧道加固結(jié)構(gòu)不同安裝方式力學性能研究[S].水利與建筑工程學報，2024（5）：184-191+198.

[5]陶婷，曾云嶸.地鐵盾構(gòu)隧道加固技術(shù)分析[S].科技風，2018（24）：127.

[6]任登輝.公路隧道加固維修施工技術(shù)的探討[S].建材發(fā)展導向，2024（20）：82-84.