閔強(qiáng)強(qiáng)，朱澤奇

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；3.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖北 武漢 430071)

21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)地下軌道交通實(shí)現(xiàn)了飛躍式發(fā)展，受地理?xiàng)l件限制，地下軌道部分或整體修建于地下水位以下地層中的施工方法以盾構(gòu)法為主。截至目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有多條水下盾構(gòu)隧道襯砌受到不同程度結(jié)構(gòu)病害的影響，直接關(guān)系到隧道的健康和使用，甚至縮減隧道的服役壽命。因此，急需對(duì)水下盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)狀況進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

關(guān)于水下盾構(gòu)隧道的安全問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者的研究主要側(cè)重于設(shè)計(jì)和建造階段[1-3]，對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的研究則相對(duì)較少。針對(duì)水下盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)健康狀況，國(guó)內(nèi)學(xué)者開(kāi)展了一定研究：孔祥興等[4-7]在綜合考慮地層土性等外界條件基礎(chǔ)上，建立了水下盾構(gòu)隧道襯砌劣化模型，以有效厚度表征管片結(jié)構(gòu)劣化，分析了接縫完好和接縫滲漏狀態(tài)下離子侵蝕對(duì)管片襯砌結(jié)構(gòu)承載能力的影響；李長(zhǎng)俊等[8-14]對(duì)水下盾構(gòu)隧道接縫張開(kāi)度與滲漏規(guī)律和接頭易損性做了專項(xiàng)研究，指出接縫張開(kāi)度對(duì)隧道滲漏有重要影響，過(guò)大的錯(cuò)臺(tái)量是導(dǎo)致接縫處防水失效繼而滲水的主要原因，并給出具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)；周寧等[15-18]指出縱向變形是水下盾構(gòu)隧道病害最顯著的特征，縱向變形的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致隧道接縫破壞、滲漏等其他病害加劇，并研究了縱向變形與滲漏之間的關(guān)系；王明卓等[19-22]通過(guò)對(duì)橫向收斂變形特征和控制值變化規(guī)律的研究，初步確定了橫向收斂變形的病害程度分級(jí)；李劍[23]從整體功能、安全、耐久三方面指標(biāo)出發(fā)，對(duì)我國(guó)第一條越江隧道(上海打浦路隧道)的運(yùn)營(yíng)服役狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)；胥犇等[24]通過(guò)研究采用層次分析法建立了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)估指標(biāo)體系，并闡述了各個(gè)指標(biāo)的分級(jí)方法和各指標(biāo)的建議性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。以上研究大多都是針對(duì)單一病害，沒(méi)有考慮多病害的綜合影響。即使對(duì)多病害情況做出綜合評(píng)價(jià)，其評(píng)價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)也不統(tǒng)一，且評(píng)價(jià)結(jié)果偏于保守，增加了隧道運(yùn)營(yíng)期的維護(hù)成本。因此，有必要對(duì)運(yùn)營(yíng)期水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害評(píng)價(jià)進(jìn)行更加深入研究。

論文通過(guò)分析水下盾構(gòu)隧道病害與隧道主要特征之間的變化規(guī)律，確定病害類型，并探究影響水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，初步給出各個(gè)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

對(duì)于水下盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期的安全評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是否合理直接關(guān)系到評(píng)價(jià)方向是否正確，進(jìn)而影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了全面評(píng)價(jià)水下盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，所選隧道病害和相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)能最大限度地反映各種因素的影響，其應(yīng)遵循以下原則：科學(xué)客觀性、相對(duì)完備性、簡(jiǎn)潔性、相對(duì)獨(dú)立性、層次性、可操作性等，重點(diǎn)考慮可操作性。

對(duì)于實(shí)際工程，影響水下盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)安全的病害多種多樣，各病害之間相互聯(lián)系、相互作用，如隧道不均勻沉降會(huì)導(dǎo)致滲漏水的發(fā)生，同時(shí)滲漏水也會(huì)加劇隧道的不均勻沉降，故有必要探討病害發(fā)生的規(guī)律性。筆者調(diào)研了國(guó)內(nèi)2000年以后修建的水下盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)狀況，對(duì)24條典型水下盾構(gòu)隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，相關(guān)特征參數(shù)見(jiàn)表1[25]。

表1 我國(guó)主要水下盾構(gòu)隧道重要特征參數(shù)

續(xù)表1

由表1可以看出：大多數(shù)水下盾構(gòu)隧道處于軟黏性土體環(huán)境下，這類土層壓縮性和流變性均較大，土層一經(jīng)擾動(dòng)，強(qiáng)度明顯降低，變形量會(huì)急劇增大；隧道多處于高水壓環(huán)境下，最大水壓可達(dá)0.72 MPa；新建水下盾構(gòu)隧道管片直徑、管片厚度和管片環(huán)寬總體上呈逐漸增大趨勢(shì)。

調(diào)查到的病害數(shù)量與隧道主要特征參數(shù)之間的關(guān)系曲線如圖1～圖4所示。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)水下盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期的主要病害類型有：隧道縱向不均勻沉降、橫向收斂變形、結(jié)構(gòu)滲漏水、管片接縫變形、隧道結(jié)構(gòu)劣化。其中，縱向不均勻沉降是隧道最主要的病害，其數(shù)量多、程度深且會(huì)引起其他病害的發(fā)生；橫向收斂變形越普遍，滲漏情況也越嚴(yán)重；整體上結(jié)構(gòu)滲漏越嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)劣化病害越多。

圖1 隧道主要地質(zhì)類型與病害數(shù)量的關(guān)系

圖2 最大水壓與病害數(shù)量的關(guān)系

圖1為隧道所處巖土體類型與病害數(shù)量的關(guān)系。

由圖1可以看出：隧道病害與所處土層的堅(jiān)硬程度整體上呈現(xiàn)一定的負(fù)線性相關(guān)。

圖2為隧道所受最大水壓與病害數(shù)量的關(guān)系。

由圖2可以看出：隧道結(jié)構(gòu)隨著所受最大水壓增大，各病害整體上呈增多趨勢(shì)，但管片接縫變形反而呈減少趨勢(shì)。

圖3 管片厚度與病害數(shù)量的關(guān)系

圖4 管片環(huán)寬與病害數(shù)量的關(guān)系

圖3為管片厚度與病害數(shù)量的關(guān)系。

由圖3可以看出：管片厚度對(duì)各結(jié)構(gòu)病害的影響規(guī)律不明顯。

圖4為管片環(huán)寬與病害數(shù)量的關(guān)系。

由圖4可以看出：管片環(huán)寬與滲漏水、橫向收斂變形、隧道結(jié)構(gòu)劣化呈一定的正相關(guān)關(guān)系，而與縱向不均勻沉降的變化關(guān)系規(guī)律則相反。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在分析現(xiàn)有隧道健康等級(jí)劃分方法的基礎(chǔ)上，以《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[26]和《城市軌道交通橋隧結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)程》[27]的劃分標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，建立了水下盾構(gòu)隧道安全等級(jí)，如表2所示。

表2 水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全等級(jí)[26-27]

為方便后期的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)價(jià)，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)和隧道安全狀況的等級(jí)劃分保持一致。針對(duì)水下盾構(gòu)隧道所處環(huán)境復(fù)雜多變的特點(diǎn)，需綜合考慮隧道的實(shí)際工況，確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的劃分等級(jí)。

2.1 隧道結(jié)構(gòu)縱向不均勻沉降

水下盾構(gòu)隧道作為特長(zhǎng)線性結(jié)構(gòu)，其縱向剛度較小、埋深較大，且長(zhǎng)期承受較高的水土壓力作用，因此會(huì)產(chǎn)生縱向變形。當(dāng)縱向變形達(dá)到一定程度，就會(huì)引發(fā)接頭螺栓失效、接縫滲漏水、結(jié)構(gòu)錯(cuò)縫等一系列其他病害，而這些病害又會(huì)加劇縱向變形的發(fā)展。因此，縱向變形在運(yùn)營(yíng)期水下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)中的地位極其重要。

縱向變形包括整體沉降變形和不均勻沉降變形。陳越峰[28]分析了上海軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)縱向變形情況，其實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，隧道結(jié)構(gòu)有多處整體縱向沉降超過(guò)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》和《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的絕對(duì)沉降量最大限值20 mm，甚至達(dá)到了100 mm以上。實(shí)際上，整體沉降變形現(xiàn)象在盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期間普遍存在，一般不會(huì)造成結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)，所以進(jìn)行安全評(píng)價(jià)時(shí)主要考慮的是相對(duì)變形量，即縱向不均勻沉降。

一般以縱向變形曲率半徑來(lái)描述隧道縱向不均勻沉降。根據(jù)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)防水要求和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的規(guī)定：由外界因素引起的隧道變形曲率半徑不小于15 000 m；文獻(xiàn)[29]中指出：當(dāng)縱向各變形曲率半徑為5 000～15 000 m時(shí)，隧道還可以工作，但存在一定的安全隱患；隧道變形曲率半徑為1 000 m時(shí)，接縫張開(kāi)達(dá)到臨界防水6 mm要求。最終以隧道縱向變形曲率半徑15 000 m、5 000 m、1 000 m為界，將縱向曲率半徑劃分為4個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)B級(jí)、1A級(jí)、2A級(jí)、3A級(jí)，具體見(jiàn)表3。

表3 基于縱向變形曲率半徑的縱向不均勻沉降等級(jí)劃分

2.2 橫向收斂變形

相關(guān)文獻(xiàn)通常以橢圓率或橫向變形控制值來(lái)描述橫向變形，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，若采用橢圓率來(lái)描述隧道的橫向變形，可操作性較差，得到的指標(biāo)結(jié)果差距較大；若采用橫向變形控制值，由于隧道設(shè)計(jì)直徑相差懸殊，所得結(jié)果不準(zhǔn)確，所以采用直徑變化比λ(直徑變化量與隧道設(shè)計(jì)直徑的比值，以千分?jǐn)?shù)表示)來(lái)描述隧道的橫向變形?？紤]橫向變形與螺栓受力、縱縫張開(kāi)之間的發(fā)展關(guān)系，以混凝土應(yīng)力和縱縫張開(kāi)量作為控制指標(biāo)的劃分依據(jù)。根據(jù)《地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：施工成環(huán)后橢圓變形限值為5‰；顧麗江等[30]以直徑變化量ΔD對(duì)盾構(gòu)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)：ΔD為15.0～22.4 mm時(shí)，襯砌混凝土達(dá)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；ΔD為54.7～64.6 mm時(shí)，密封墊逐漸進(jìn)入失效階段。考慮最不利條件，由各階段直徑變化量的最小值計(jì)算對(duì)應(yīng)的直徑變化比λ，隧道外徑D為6.2 m時(shí),λ分別為2.4‰和8.8‰，結(jié)合隧道成環(huán)后的橢圓變形限值，將隧道直徑變化比λ劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表4。

2.3 滲漏水

滲漏水是最常見(jiàn)的隧道病害之一，當(dāng)發(fā)生隧道滲漏病害時(shí)，在高水壓作用下，滲漏程度會(huì)迅速擴(kuò)大，對(duì)隧道行車安全、隧道設(shè)施等產(chǎn)生諸多不良影響，甚至威脅隧道的正常運(yùn)營(yíng)。目前，關(guān)于水下盾構(gòu)隧道滲漏水的研究很多，評(píng)價(jià)指標(biāo)不一，如滲漏狀態(tài)、滲漏位置、滲漏速度、滲漏水pH值等。論文根據(jù)接頭特點(diǎn)，并參考《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》，選擇滲漏狀態(tài)和滲漏速度作為結(jié)構(gòu)滲漏水的評(píng)價(jià)指標(biāo)[31]，如表5所示。

表5 基于滲漏速度的滲漏水等級(jí)劃分[31]

2.4 管片接縫變形破壞

管片接縫變形破壞是影響隧道運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性和耐久性的最直觀特征，因此針對(duì)管片接縫的安全性能研究至關(guān)重要。經(jīng)過(guò)調(diào)研和參考文獻(xiàn)[11]中關(guān)于管片接縫變形破壞規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究可知：接縫破壞有錯(cuò)臺(tái)和張開(kāi)兩種形式，其中錯(cuò)臺(tái)用錯(cuò)臺(tái)量描述，接縫張開(kāi)用張開(kāi)量表示。由于接縫病害對(duì)滲漏水的影響極大，故按照防水標(biāo)準(zhǔn)作為其指標(biāo)等級(jí)劃分原則。水下盾構(gòu)隧道錯(cuò)臺(tái)評(píng)價(jià)方法可參考文獻(xiàn)[32]中關(guān)于隧道錯(cuò)臺(tái)量與縱向變形曲率半徑的關(guān)系：

R=B2/(2δ)

(1)

式(1)中：R為錯(cuò)臺(tái)產(chǎn)生附加沉降曲率半徑；B為隧道環(huán)寬；δ為錯(cuò)臺(tái)量。當(dāng)曲率半徑為15 000 m時(shí)，錯(cuò)臺(tái)量約為0.13 mm；文獻(xiàn)[33]中：凹凸榫之間存在4 mm的間隙，錯(cuò)臺(tái)量達(dá)到4.93 mm時(shí)，螺栓達(dá)屈服狀態(tài)；從防水角度應(yīng)將錯(cuò)臺(tái)量控制在8.5 mm。文獻(xiàn)[34]規(guī)定：管片接縫變形的檢測(cè)精度不低于1 mm，根據(jù)檢測(cè)精度將上述分析計(jì)算結(jié)果精確到1 mm，故以錯(cuò)臺(tái)量1 mm、5 mm、9 mm為界，將接縫錯(cuò)臺(tái)量依次劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表6。

表6 基于接縫錯(cuò)臺(tái)量的接縫變形等級(jí)劃分

結(jié)合彈性密封墊的容錯(cuò)能力[35]：接頭張開(kāi)量±2 mm；關(guān)于防水對(duì)接縫的控制要求：接縫張開(kāi)量6 mm時(shí)，達(dá)到防水控制標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[32]關(guān)于隧道接縫張開(kāi)量與縱向變形曲率半徑的關(guān)系，按照水下盾構(gòu)隧道取值：當(dāng)曲率半徑為15 000 m時(shí)，對(duì)應(yīng)張開(kāi)量為1.5 mm。同樣，依據(jù)文獻(xiàn)[34]關(guān)于接縫變形檢測(cè)精度的相關(guān)規(guī)定，以隧道接縫張開(kāi)量控制值2 mm、4 mm、6 mm為界劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表7。

表7 基于接縫張開(kāi)量的接縫變形等級(jí)劃分

2.5 隧道結(jié)構(gòu)劣化

水下盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)劣化包括管片劣化和管片接頭劣化。管片劣化有裂縫、混凝土起層剝落、管片強(qiáng)度削弱、鋼筋銹蝕等；管片接頭劣化有接頭螺栓銹蝕、接頭強(qiáng)度折減等。成型管片強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)較高，管片裂縫和混凝土的起層剝落對(duì)水下盾構(gòu)隧道的安全運(yùn)營(yíng)影響不大，不予考慮。水下盾構(gòu)隧道長(zhǎng)期受到地下水中有害離子的侵蝕，致使管片的強(qiáng)度和承載能力降低，管片內(nèi)部鋼筋銹蝕導(dǎo)致有效截面減小，影響管片的工作性能。接頭螺栓性能的好壞直接關(guān)系到隧道的服役耐久性，所以應(yīng)對(duì)管片接頭的健康狀況予以重視。綜上所述，選擇管片強(qiáng)度折減和接頭螺栓銹蝕來(lái)表征隧道結(jié)構(gòu)劣化。

參考文獻(xiàn)[4]并結(jié)合上述分析，選擇管片襯砌有效厚度D(混凝土強(qiáng)度不小于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的襯砌厚度)和接頭螺栓截面銹蝕率作為水下隧道結(jié)構(gòu)劣化的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選擇結(jié)構(gòu)縱向沉降和防水失效作為隧道結(jié)構(gòu)劣化的等級(jí)劃分原則。依據(jù)文獻(xiàn)[4]結(jié)論：當(dāng)襯砌有效厚度小于0.67D時(shí)，其厚度變化對(duì)拱頂沉降影響顯著；當(dāng)襯砌有效厚度由0.67D減小至0.5D時(shí)，拱頂沉降快速增大；而當(dāng)襯砌有效厚度小于0.3D時(shí)，結(jié)構(gòu)劣化速度急劇加快，以管片襯砌有效厚度0.67D、0.5D、0.3D為界劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表8。關(guān)于接頭螺栓截面銹蝕率，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的判定標(biāo)準(zhǔn)，參考我國(guó)《公路舊橋承載能力鑒定方法(試行)》中相關(guān)判定標(biāo)準(zhǔn)，以3%、10%、25%為界，將接頭螺栓截面銹蝕率劃分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表9。

表8 基于襯砌有效厚度的結(jié)構(gòu)劣化等級(jí)劃分

表9 基于接頭螺栓截面銹蝕的結(jié)構(gòu)劣化等級(jí)劃分

3 結(jié)論與展望

論文分析了水下盾構(gòu)隧道病害與隧道主要特征之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上確定結(jié)構(gòu)病害類型和相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)建立了相應(yīng)的指標(biāo)體系。經(jīng)廣泛調(diào)研和參考大量文獻(xiàn)及規(guī)范，建議性地給出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)水下盾構(gòu)隧道的安全評(píng)價(jià)做了一些基礎(chǔ)性的工作，可為水下盾構(gòu)隧道的運(yùn)營(yíng)狀況評(píng)估提供參考。這些工作雖然不夠全面，但對(duì)于建立水下盾構(gòu)隧道病害評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和開(kāi)展安全評(píng)價(jià)實(shí)踐工作有利，相關(guān)指標(biāo)體系及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)還只是初步的研究成果，還需要通過(guò)大量的工程實(shí)踐來(lái)檢驗(yàn)與修正。