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        城市地鐵隧道襯砌病害分析及加固方法研究

        2020-03-06 22:43:27董光輝吳鋒
        工程建設(shè)與設(shè)計 2020年21期
        關(guān)鍵詞:劣化管片病害

        董光輝,吳鋒

        (1.天津市地下鐵道集團有限公司,天津 300000;2.大連交通大學(xué),遼寧 大連 116028)

        1 引言

        近幾十年我國城市規(guī)模快速擴張,市區(qū)交通不暢問題日益嚴(yán)峻。城市地鐵作為一種現(xiàn)代化交通方式,以便捷、準(zhǔn)時及安全等特點成為人們優(yōu)先選擇的一種出行方式。截至2018 年年底,我國已有35 個城市開通了城市軌道交通。其中,地鐵運營里程高達4 354.3km,占總里程的75.6%。

        但由于地下環(huán)境復(fù)雜、隱蔽性強,且施工技術(shù)受周邊既有建筑限制,導(dǎo)致地鐵設(shè)計中不確定性因素倍增,襯砌結(jié)構(gòu)病害難以控制【1~3】。如 2012 年杭州地鐵 1 號線在開通不到一周時間出現(xiàn)3 次滲水事故,導(dǎo)致大規(guī)模停運。隨著運營時間及里程的增長,隧道結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)性能劣化,進一步加劇了病害的發(fā)生概率及危害。如2012 年1 月下旬,為消除隧道不均勻沉降的累積影響,上海地鐵對4 號線海倫路區(qū)段封站大修,嚴(yán)重影響了市民出行。由此可見,合理辨別隧道襯砌的病害特征,分析其發(fā)生原因并提出切實有效的加固方法是十分重要和必要的。

        2 城市地鐵隧道襯砌病害及原因分析

        襯砌結(jié)構(gòu)作為隧道的骨架,其力學(xué)和耐久性能直接關(guān)乎隧道的運營安全。目前,國內(nèi)外學(xué)者針對隧道所處環(huán)境和施工技術(shù)的不同,通過大量實踐調(diào)查,對襯砌結(jié)構(gòu)的典型病害進行了研究,取得了顯著成效【4,5】?,F(xiàn)結(jié)合既有成果,針對地鐵隧道襯砌病害表現(xiàn)與機理間的關(guān)系,從以下3 方面進行分析總結(jié)。

        2.1 襯砌滲漏水

        滲漏水是隧道襯砌的一種最主要病害形式,不但會影響地鐵電氣設(shè)備的使用安全性,帶有侵蝕性介質(zhì)的長期滲漏水還會顯著降低襯砌結(jié)構(gòu)的承載力,在襯砌后土體中形成空洞,威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全。

        使用明挖法和礦山法施工的地鐵隧道,襯砌結(jié)構(gòu)多采用整體式澆筑。滲漏水的位置一般出現(xiàn)在施工縫、變形縫以及混凝土結(jié)構(gòu)自身開裂的位置處。使用盾構(gòu)法施工的地鐵隧道,襯砌為裝配式管片,分布數(shù)量眾多的接縫和栓孔。管片間縱、環(huán)接縫,以及螺栓孔和注漿孔是主要滲漏水的位置。

        從以往統(tǒng)計來看,施工技術(shù)及質(zhì)量是影響滲漏水的重要因素。整體澆筑的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)控混凝土的澆筑質(zhì)量、工藝及材料配合比。針對裝配式管片,應(yīng)在檢查制作和運輸過程中保證管片質(zhì)量的同時,嚴(yán)控密封材料的性能。在施工工程中,管片拼合不嚴(yán)、錯位碎裂及變形均會導(dǎo)致密封墊與管片間缺乏可靠黏結(jié)而發(fā)生滲漏水。

        2.2 襯砌裂縫及脫落

        裂縫作為隧道的另一種重要病害形式,其數(shù)量和形態(tài)在一定程度上反映了襯砌結(jié)構(gòu)的力學(xué)和耐久性能?,F(xiàn)場澆筑的混凝土結(jié)構(gòu),施工工藝和技術(shù)不足極易導(dǎo)致襯砌開裂。調(diào)查發(fā)現(xiàn),隧洞超挖導(dǎo)致的襯砌缺乏可靠支撐和背后空洞積水壓力,以及欠挖造成的襯砌局部應(yīng)力集中是襯砌開裂的重要原因。

        有調(diào)查表明,盾構(gòu)隧道的襯砌發(fā)生裂縫、破損的比例超過80%發(fā)生在組裝施工過程中。管片拼裝時的碰撞、錯位、受力超限等因素是主要原因。此外,地下水變化導(dǎo)致的沉降、背洞以及地表超載壓力也會致使隧道產(chǎn)生較大變形。裝配式的管片接縫在發(fā)生較大縱、橫向變形時會發(fā)生錯臺和張開。這種裂縫下的襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不合理,裂縫在表面和內(nèi)部進行封堵的同時還需要進一步采用結(jié)構(gòu)加固措施。

        2.3 襯砌性能劣化

        地鐵運營環(huán)境下,按照規(guī)范進行耐久性設(shè)計的隧道混凝土襯砌通常能滿足設(shè)計年限要求。但由于上述滲漏水和開裂病害的影響,襯砌性能的劣化也是地鐵隧道不可忽視的重要病害形式之一。

        長期的滲漏水容易導(dǎo)致襯砌混凝土風(fēng)化剝落,水中的侵蝕性介質(zhì)還會加劇混凝土的劣化。襯砌開裂后,內(nèi)壁空氣中的二氧化碳和外壁地下水中的腐蝕離子侵入速度大大加快,混凝土的碳化速度和劣化速度顯著增加。同時,混凝土保護層的失效會導(dǎo)致鋼筋直接接觸外部潮濕空氣和地下水,發(fā)生銹蝕膨脹,進一步加劇襯砌開裂,以致發(fā)生局部襯砌脫落。這使得襯砌的耐久性能往往難以滿足預(yù)計的設(shè)計年限要求。

        3 襯砌加固方法

        對滲漏水而言,需要根據(jù)滲漏水程度并結(jié)合滲透部位,采取不同的加固方法。通常對于僅出現(xiàn)濕漬的位置,一般采取跟蹤觀察的方法,暫不進行特殊處理。如出現(xiàn)滲水、滴漏甚至帶泥沙等情況,通常采取加壓灌注環(huán)氧樹脂類、水泥基結(jié)晶類等材料進行封堵處理。由于混凝土材料收縮、溫度變化等自身的問題引起的滲漏,采用以上方法或許可以達到要求,但如果伴隨著外荷載、沉降等因素,出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫,還需要判斷裂縫的成因并進行加固處理。

        對于襯砌開裂及脫落而言,目前的加固措施一般分為襯砌內(nèi)部和外部的加固方法。襯砌的外部加固方法主要為微擾動注漿方法。通過灌注水泥基漿液填充外部的孔隙和背洞,使得襯砌外部約束均勻,但也會導(dǎo)致地下水滲流路徑變化,外部土體發(fā)生固結(jié)沉降。內(nèi)部加固的方法通常采用鋼拱架、鋼板、FRP 以及TRC 等材料進行內(nèi)壁加固,提高襯砌的力學(xué)強度,減緩或制止襯砌裂縫的進一步擴展。其中,鋼拱架的效果最好,能提高區(qū)段襯砌的整體力學(xué)性能,但造價也通常較高,空間占用率也較大。對于局部部位的加固,可以采用黏結(jié)鋼板的方法提高襯砌的抗拉強度。但由于隧道環(huán)境潮濕,鋼板的耐久性不易保證,又出現(xiàn)了FRP 等聚合物纖維布材料的使用來提高加固構(gòu)件的耐久性。近幾年,TRC 或FRCM 等水泥基基體-FRP組合的加固體系出現(xiàn),又進一步增加了FRP 材料的耐火性且滿足在潮濕狀況下的施工條件。

        對于襯砌劣化而言,需要根據(jù)混凝土強度的下降程度、碳化的深度以及鋼筋的銹蝕程度采用不同的加固方法。對于混凝土碳化深度未達到保護層厚度的,可保持觀察或僅對表面裂縫進行修補。對混凝土出現(xiàn)局部疏松、脫落的部分,需要剔除該部分混凝土,并重新澆筑混凝土。若鋼筋出現(xiàn)銹蝕,需要進行除銹和防銹處理。若襯砌出現(xiàn)較大面積或區(qū)段的強度顯著下降,則需要采用內(nèi)表面鋼拱架、黏結(jié)FRP 或鋼板等抗拉材料,外部錨桿支護等方法進行加固,提高襯砌的力學(xué)強度。

        4 結(jié)語

        在國內(nèi)外相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上,針對城市地鐵隧道襯砌結(jié)構(gòu)的特點,總結(jié)了襯砌結(jié)構(gòu)的3 種常見病害形式,分別針對現(xiàn)澆和裝配襯砌結(jié)構(gòu),分析了病害的起因和形成機理。總結(jié)了不同病害下的加固方法以及適用性。研究表明,地鐵襯砌的施工技術(shù)和水平是引起病害的主要原因,新型聚合物纖維及水泥基體加固材料和技術(shù)的應(yīng)用是今后加固技術(shù)的發(fā)展趨勢,還有待于進一步發(fā)展。

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