龍僑平

（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢中南有限公司，長(zhǎng)沙 410014）

1 引言

近年來(lái)，城市軌道交通、盾構(gòu)隧道等地下工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)密集度不斷增加，對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物變形控制、保護(hù)要求越來(lái)越嚴(yán)格，同時(shí)相關(guān)建筑物施工也會(huì)在不同程度上擾動(dòng)區(qū)間隧道，進(jìn)而造成隧道變形。尤其是在軟土地區(qū)建設(shè)盾構(gòu)隧道，更容易發(fā)生變形問(wèn)題，需要采取有效的加固處理措施。在預(yù)防隧道變形中，鋼環(huán)加固技術(shù)屬于一種有效的控制技術(shù)。施工中，通過(guò)在鋼環(huán)片上設(shè)置螺栓，并在管片、鋼環(huán)間灌注剛性新型環(huán)氧材料，能使管片和鋼環(huán)兩者共同承載，由此限制隧道變形，使隧道結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，延長(zhǎng)隧道使用壽命。對(duì)此，鋼環(huán)加固技術(shù)應(yīng)用時(shí)，需要結(jié)合軟土地基所建設(shè)的盾構(gòu)隧道實(shí)際情況，經(jīng)勘測(cè)掌握變形程度，并把握好加固處理要點(diǎn)。

2 案例概況

東湖站位于東湖路東側(cè)東湖公園地塊內(nèi)，站址南側(cè)為6號(hào)線既有車(chē)站、海印大橋以及沿珠江風(fēng)光帶；站址北側(cè)為越秀區(qū)文化館以及內(nèi)環(huán)路高架橋；西側(cè)為東湖路（規(guī)劃道路寬50 m）、路西側(cè)有龍湖大廈、東湖肯辛頓、龍湖新村等住宅區(qū)；車(chē)站東側(cè)為東湖公園步道及湖面。站址范圍地下管線較少，地勢(shì)稍有起伏，鉆孔地面高程為5.6～7.34 m。

3 軟土盾構(gòu)隧道變形分析

3.1 變形分析過(guò)程

針對(duì)該地鐵隧道建設(shè)工程，變形分析中首先建立隧道環(huán)三維模型，模型當(dāng)中的隧道環(huán)內(nèi)外徑以及管片厚度和該地鐵工程盾構(gòu)隧道相關(guān)參數(shù)相同，內(nèi)徑是5.5 m，外徑是6.1 m，管片厚度是0.36 m[1]。通常情況下，埋藏在地下的隧道工程為線狀工程，此工程經(jīng)過(guò)勘察發(fā)現(xiàn)其有橫線變形，所以從中選擇一環(huán)進(jìn)行計(jì)算，順著盾構(gòu)隧道長(zhǎng)向共1.1 m[2]。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，此地鐵隧道所選取的環(huán)計(jì)算單元共包含6 片管片，以拼接方式相連接，分別為1 片封底塊，2 片標(biāo)準(zhǔn)塊，2 片臨接塊，1 片封頂塊。所建立模型和工程實(shí)際相同，相鄰的管片通過(guò)直螺栓連接，所用螺栓強(qiáng)度等級(jí)是5.8 級(jí)，長(zhǎng)480 mm，直徑30 mm。經(jīng)模型觀察和分析，可發(fā)現(xiàn)此隧道環(huán)結(jié)構(gòu)和所承受荷載保持左右對(duì)稱均勻分布，所以出現(xiàn)的變形也呈現(xiàn)出左右對(duì)稱狀。為便于計(jì)算，分析期間只計(jì)算隧道環(huán)左側(cè)。此工程在實(shí)際施工中，盾構(gòu)管片均設(shè)置了螺栓孔、安裝孔以及手孔等，所以管片幾何形態(tài)復(fù)雜，增加了網(wǎng)格劃分難度。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些孔均未設(shè)置加強(qiáng)鋼筋，因此，不屬于薄弱位置，一般不會(huì)發(fā)生破壞情況，所以，此次模型分析中不對(duì)上述孔位進(jìn)行考慮[3]。根據(jù)該地鐵盾構(gòu)管片相關(guān)設(shè)計(jì)資料，管片當(dāng)中的鋼筋和管片混凝土在處理中選用embed 方式，也就是不對(duì)鋼筋和混凝土兩者相對(duì)滑移進(jìn)行考量。相鄰兩管片連接中所有螺栓兩端均設(shè)置了螺帽，在和管片混凝土相連接中也選用embed 方式。此外，相鄰兩管片的接頭在連接中主要設(shè)置hard contact，摩擦系數(shù)設(shè)為0.3，由此對(duì)管片接頭部位受力行為加以模擬。

在對(duì)此盾構(gòu)隧道進(jìn)行加固處理中，所用加固隧道環(huán)相關(guān)加固部件按照有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要選擇鋼板，厚度是20 mm[4]。對(duì)于隧道環(huán)和加固部件之間的連接， 行為模擬中選擇Cohesive Behavior。分析所用加固模擬方法為預(yù)加固手段，也就是隧道尚未承受荷載的時(shí)候就加固，由此充分考察不同軟土荷載情況下隧道應(yīng)用鋼板加固的效果[5]。

該工程實(shí)際施工中，隧道環(huán)在靜水壓力、土壓力共同作用下，很難做出精準(zhǔn)反應(yīng)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，可選擇荷載結(jié)構(gòu)法，具體是先對(duì)隧道外部荷載進(jìn)行計(jì)算，之后將其作為面荷載施加在隧道環(huán)外壁，之后用地基彈簧模擬土體抗力，此彈簧一端放在地面上，另一端連接于隧道環(huán)外壁，一旦隧道環(huán)出現(xiàn)橫向變形，地基彈簧能夠?qū)ψ冃萎a(chǎn)生抑制力。分析中，通過(guò)水土合算的方式計(jì)算土體豎向壓力及側(cè)向土壓力，以隧道環(huán)豎向受力平衡為基礎(chǔ)計(jì)算土層反力，對(duì)于隧道環(huán)外側(cè)土體，則主要將受壓地基彈簧布置于四周，由此加以模擬。

工程所在區(qū)域土體重度通常保持在16.9~20.3 kN/m3，所以在此模型中，土體重度參數(shù)選擇20 kN/m3，同時(shí)設(shè)整體隧道環(huán)全面埋設(shè)在軟土當(dāng)中。該區(qū)域盾構(gòu)隧道埋深能夠達(dá)到20 m，甚至局部高于30 m。在該區(qū)域后期建設(shè)期間，部分區(qū)段會(huì)在上方建設(shè)建筑項(xiàng)目，或者在地表堆土，從而造成隧道等效埋深更大，可在40 m 及以上。所以，為便于分析和比較，此次分析當(dāng)中根據(jù)等效埋深計(jì)算土體壓力。同時(shí)，在工程實(shí)際埋深基礎(chǔ)上適當(dāng)增加深度來(lái)確定最大埋深，具體將等效埋深確定為0~60 m，并計(jì)算相對(duì)應(yīng)的加載土壓力，也就是隧道環(huán)上方豎向土壓力取值范圍是0~1 130 kPa。而在分析模型當(dāng)中，將靜止土壓力系數(shù)確定為0.5，同時(shí)土層抗力系數(shù)確定為2 450 kPa/m。

另外，根據(jù)有關(guān)規(guī)范，計(jì)算當(dāng)中將管片混凝土本構(gòu)強(qiáng)度等級(jí)確定為C55，并設(shè)計(jì)算模型當(dāng)中的鋼板、連接螺栓、管片內(nèi)鋼筋都有理想彈塑性，且屈服強(qiáng)度分別是300 MPa、510 MPa、405 MPa，鋼材尚未屈服狀態(tài)下彈性模量都是200 GPa。

3.2 分析結(jié)果

在豎向荷載改變過(guò)程中，同步分析隧道環(huán)接頭的張開(kāi)量，可發(fā)現(xiàn)不管是否進(jìn)行加固處理，在隧道上方不斷增加荷載作用過(guò)程中，腰部及頂部接頭張開(kāi)量都會(huì)同步增加。同時(shí)在增加過(guò)程中，和頂部接頭相比，腰部接頭的張開(kāi)速度更快，所以在軟土地區(qū)分析盾構(gòu)隧道變形中，要著重分析腰部變形。此外，隧道環(huán)利用鋼管進(jìn)行加固處理后，接頭張開(kāi)得到有效控制，特別在荷載比600 kPa 小的時(shí)候，張開(kāi)發(fā)展趨勢(shì)明顯比未加固處理的隧道環(huán)弱，證明在荷載不大的情況下，鋼板能夠發(fā)揮良好的加固作用。經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隧道上部荷載在比600 kPa 小的情況下，經(jīng)過(guò)加固處理的隧道接頭實(shí)際張開(kāi)量是未進(jìn)行加固處理隧道接頭處的2/5 左右。

在分析中發(fā)現(xiàn)，在隧道所承受荷載不斷增加過(guò)程中，隧道頂?shù)宗呌诳繑n，隧道左右兩側(cè)則趨于遠(yuǎn)離，隧道發(fā)生明顯變形，且呈現(xiàn)為“橫鴨蛋”狀。在荷載相同條件下，隧道的橫向變形稍大于豎向變形。在荷載不大的情況下，鋼板加固可發(fā)揮較好的隧道變形控制效果，不過(guò)在后續(xù)加固部件、隧道環(huán)連接逐漸發(fā)生破壞之后，加固效果也趨于減弱。經(jīng)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)隧道上方所承受荷載不超過(guò)600 kPa 的情況下，經(jīng)過(guò)加固的隧道其變形程度是沒(méi)有進(jìn)行加固處理隧道的1/2 左右。

4 應(yīng)對(duì)軟土盾構(gòu)隧道變形的加固措施方案

運(yùn)用鋼環(huán)加固法對(duì)該地鐵工程盾構(gòu)隧道變形進(jìn)行加固處理，主要包含5 個(gè)施工階段：（1）前期籌劃階段。此階段主要是通過(guò)勘查現(xiàn)場(chǎng)明確施工范圍，并和設(shè)計(jì)部門(mén)溝通之后確定設(shè)計(jì)圖。此階段還要按照施工內(nèi)容及業(yè)主需配合內(nèi)容等清晰地劃分施工界限。（2）施工準(zhǔn)備階段。此階段主要對(duì)既有機(jī)械臂進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行，保證運(yùn)作正常。同時(shí)，在業(yè)主協(xié)調(diào)基礎(chǔ)上，敷設(shè)臨時(shí)用水以及用電管線，科學(xué)編制施工方案。（3）前期施工階段。進(jìn)行管線改排，并對(duì)疏散平臺(tái)進(jìn)行臨拆，使各管線單位能夠相互配合，對(duì)排水溝進(jìn)行切割及鑿除作業(yè)。此環(huán)節(jié)還要做好鋼板放樣工作，并進(jìn)行后續(xù)加工。此外，要合理安排施工人員，分配施工任務(wù)。（4）施工階段。主要處理環(huán)及縱縫，安裝鋼牛腿與環(huán)板，并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊接作業(yè)，最后環(huán)氧填充。（5）收尾階段。此環(huán)節(jié)主要對(duì)鋼板防腐進(jìn)行修補(bǔ)處理，同步進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收。

具體施工中，需要重點(diǎn)采取以下加固處理措施：

1）做好管線改排、鋼板放樣、排水溝鑿除等工作，同步拆除疏散平臺(tái)，要求各管線單位相互配合。在施工期間，根據(jù)施工范圍，將頂部觸網(wǎng)彈性支架、強(qiáng)電以及弱點(diǎn)支架拆除，移至施工范圍以外。按照設(shè)計(jì)方案改排頂部漏纜線，對(duì)于零星管線，全部移至雙側(cè)管架支架中，同時(shí)雙側(cè)管架支架長(zhǎng)度保持在約50 cm，支架上管線一直到隧道管片內(nèi)弧面，需確保施工空間充足且統(tǒng)一。在施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)拆除消防水管，并改成雙側(cè)供水管線。對(duì)隧道中改排進(jìn)行加固處理，之后搭建雙側(cè)支架。臨時(shí)拆除施工現(xiàn)場(chǎng)單側(cè)疏散平臺(tái)。鋼環(huán)拼裝施工期間，要求強(qiáng)、弱電相關(guān)管線單位加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)理，做好技術(shù)指導(dǎo)，保證施工順利。施工中作用的通信、通風(fēng)、水、電等設(shè)備需要事先由專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行合理調(diào)整，保證符合施工需求和要求。

2）在環(huán)、縱縫處理中，一旦發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)，要及時(shí)采取有效的堵漏措施。同時(shí)，管片的環(huán)以及縱縫處理前，要徹底清潔管片表面，維持干燥狀。在管片邊緣間距20 mm 的位置粘貼厚膠條，厚度要超過(guò)2 mm，且粘貼平整，保持相同距離。之后，在環(huán)、縱縫部位以及膠條中間填充彈性環(huán)氧膠泥，保證填充平整，尤其要保證環(huán)、縱縫相交T 字部位的填充質(zhì)量。在膠泥達(dá)到一定強(qiáng)度后，將膠條撤除，細(xì)致打磨管片表層所黏結(jié)膠條。環(huán)、縱縫部位完成環(huán)氧膠泥施工后，向內(nèi)部孔隙當(dāng)中壓注彈性環(huán)氧漿液。壓注施工中，注意每間隔20 cm 鉆孔，以確保壓注均勻。在環(huán)及縱縫全部處理結(jié)束后，要向鋼圈所覆蓋區(qū)間內(nèi)的手孔中填充早強(qiáng)水泥。

3）在鋼環(huán)安轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，要注意按照施工方案先安裝下部牛腿，之后從下往上逐步安裝側(cè)板，最后在頂部安裝封頂塊。完成環(huán)形鋼板安裝作業(yè)后，對(duì)不同支撐間開(kāi)展焊接作業(yè)，由此形成一個(gè)完整的受力支撐整體，在隧道中充分發(fā)揮加固支撐作用。焊接作業(yè)結(jié)束后，在鋼環(huán)表面涂刷SPUR 進(jìn)行防腐處理，注意涂刷之前清潔鋼環(huán)表面，保證其處于干燥狀，分成兩層逐步涂刷，最終涂刷厚度在1.2 mm 及以上，并且厚度應(yīng)均勻。此外，要封堵隧道管片和鋼環(huán)兩者縫隙，并填充環(huán)氧樹(shù)脂，保證鋼環(huán)受力均衡。填充作業(yè)結(jié)束后，及時(shí)打磨鋼環(huán)表面，由此起到保護(hù)作用，還可發(fā)揮防火防銹功能。最后，做好排水溝及管線的恢復(fù)工作，并進(jìn)行竣工驗(yàn)收。而在鋼環(huán)安裝結(jié)束后，需要合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以對(duì)變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，軟土地區(qū)盾構(gòu)隧道的接頭張開(kāi)量和上方所覆蓋軟土的厚度基本保持線性關(guān)系，即接頭張開(kāi)會(huì)隨著上方荷載不斷加大而越來(lái)越大，同時(shí)和頂部接頭相比，腰部接頭張開(kāi)速度更快。同時(shí)，軟土地區(qū)的盾構(gòu)隧道在土體壓力影響下，變形主要為“橫鴨蛋”狀，腰部變形量稍大于豎向變形。通過(guò)運(yùn)用鋼環(huán)加固技術(shù)進(jìn)行加固處理之后，有效控制了隧道管片環(huán)接頭的張開(kāi)量以及橫向變形，在荷載不大情況下，控制作用尤其明顯，也就是上方荷載在不超過(guò)600 kPa 的時(shí)候，經(jīng)過(guò)加固處理后的隧道管片接頭張開(kāi)量較加固前下降60%左右，同時(shí)隧道變形程度下降50%左右，而在后續(xù)荷載逐步增加期間，加固效果會(huì)逐漸減弱。