喬小雷 董 飛 李 奧 高才馳

(1.南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司，南京 210046; 2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210029; 3.江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)工程研究中心，南京 210029)

引言

隧道病害隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間變長(zhǎng)而逐漸顯現(xiàn)，隨之而來(lái)的是結(jié)構(gòu)服役性能逐漸劣化且不可逆轉(zhuǎn)。隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)關(guān)系到列車(chē)的正常運(yùn)行與人民生命財(cái)產(chǎn)安全，也是業(yè)內(nèi)關(guān)注的重點(diǎn)。

劉庭金等結(jié)合病害調(diào)研與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)上方堆載引起的盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題開(kāi)展研究[1]；蘇輝依托上海軟土盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期受力特征，基于4項(xiàng)病害指標(biāo)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[2]；劉學(xué)增等在結(jié)構(gòu)受力演化分析的基礎(chǔ)上，以隧道結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期安全變形控制指標(biāo)為依據(jù)，對(duì)蘇通GIL綜合管廊的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[3]；陳君采用修正的模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)地鐵盾構(gòu)隧道安全狀態(tài)進(jìn)行研究[4]；周兵等結(jié)合總體評(píng)判與專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估，依托馬巒山隧道構(gòu)建城市交通隧道運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系[5]；魏綱等基于運(yùn)營(yíng)期地鐵盾構(gòu)隧道，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，明確了各安全評(píng)價(jià)指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[6]；程曦等基于云模型理論構(gòu)建了隧道結(jié)構(gòu)安全的綜合評(píng)估模型[7]；陳君在影響結(jié)構(gòu)安全的主因素分析的基礎(chǔ)上，采用修正的模糊綜合評(píng)價(jià)法分析了上海地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道的安全狀態(tài)[8]；胡群芳等基于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)提出長(zhǎng)大公路隧道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用模糊層次分析對(duì)其安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[9]；劉文黎等采用EFAST方法分析了反映地鐵盾構(gòu)隧道安全狀態(tài)的各指標(biāo)敏感度[10]；林盼達(dá)等基于理論分析確立運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在修正的模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)[11]。

不難看出，以往針對(duì)運(yùn)營(yíng)期盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)的研究多基于常規(guī)直徑盾構(gòu)隧道，研究方法以模糊綜合評(píng)價(jià)為主，對(duì)于單洞雙線大直徑地鐵盾構(gòu)隧道的研究相對(duì)較少。以下依托南京地鐵某大直徑過(guò)江盾構(gòu)隧道區(qū)間，在病害調(diào)研的基礎(chǔ)上，建立隧道結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)體系，獲取了各管片環(huán)的安全狀態(tài)。以期為國(guó)內(nèi)相似對(duì)運(yùn)營(yíng)大直徑盾構(gòu)隧道的運(yùn)維提供指導(dǎo)。

1 工程概況

南京地鐵某區(qū)間隧道采用單洞雙線大直徑盾構(gòu)隧道方案穿越長(zhǎng)江，隧道外徑11.2 m，內(nèi)徑10.2 m，管片寬2 m。預(yù)制煙道板、中隔墻以及口型件將隧道斷面空間劃分為煙道層、上行線軌行區(qū)、下行線軌行區(qū)以及底部空間4部分(見(jiàn)圖1)。襯砌為C60混凝土通用楔形管片，每環(huán)管片由“1塊封頂塊(SF)+2塊鄰接塊(SL)+5塊標(biāo)準(zhǔn)塊(SB)”拼裝而成。除口型件和煙道板采用“工廠預(yù)制+現(xiàn)場(chǎng)拼裝”外，其余構(gòu)件均為現(xiàn)澆施工。

圖1 南京地鐵越江大直徑盾構(gòu)隧道橫斷面(單位：mm)

區(qū)間隧道線路縱坡設(shè)計(jì)為“V”形，全長(zhǎng)3.35 km(1677環(huán))。北岸陸域段主要穿越粉砂、細(xì)砂，局部穿越礫砂、含礫中粗砂地層；江中段主要穿越粉砂、細(xì)砂、礫砂、含礫中粗砂、粉砂、細(xì)砂、流塑狀粉質(zhì)黏土、軟塑-流塑狀粉質(zhì)黏土地層；南岸陸域段主要穿越軟塑-流塑狀粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂地層(見(jiàn)圖2)。沿線地下水類(lèi)型為松散巖類(lèi)孔隙水及基巖水，其中以松散巖類(lèi)孔隙水為主，包括孔隙潛水和微承壓水?？紫稘撍畬油杆院唾x水性差，微承壓水層透水性和賦水性良好，碎屑巖類(lèi)裂隙水可看作弱含水層。

圖2 南京地鐵越江大直徑盾構(gòu)隧道縱斷面

2 隧道典型病害特征

隧道病害調(diào)研表明，大直徑盾構(gòu)區(qū)間隧道典型病害類(lèi)型主要有：接縫變形、管片開(kāi)裂與破損、滲漏水以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

2.1 管片接縫變形

該區(qū)間內(nèi)管片接縫變形以環(huán)縫和縱縫的錯(cuò)臺(tái)為主。錯(cuò)臺(tái)量檢測(cè)點(diǎn)沿隧道中線對(duì)稱(chēng)設(shè)置，其中，于煙道層以面向隧道大環(huán)號(hào)方向(江北至江南)沿順時(shí)針設(shè)置5個(gè)測(cè)量點(diǎn)；軌行區(qū)環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)范圍內(nèi)上下各設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)；隧道管片縱縫錯(cuò)臺(tái)測(cè)點(diǎn)設(shè)置于所在環(huán)內(nèi)可測(cè)縱縫所在的實(shí)際位置(見(jiàn)圖3)。

圖3 地鐵大直徑盾構(gòu)隧道病害測(cè)點(diǎn)示意

根據(jù)文獻(xiàn)[13]，盾構(gòu)隧道管片接縫變形允許值，環(huán)縫與縱縫錯(cuò)臺(tái)量的最大限值分別取20 mm和12 mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)超限測(cè)點(diǎn)不足1%，煙道層約60%以上測(cè)點(diǎn)以及軌行區(qū)約80%以上測(cè)點(diǎn)的環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)量低于5 mm。煙道層環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)最大值為35.16 mm，軌行區(qū)環(huán)縫錯(cuò)臺(tái)最大值為27.00 mm。多數(shù)管片縱縫錯(cuò)臺(tái)量小于5 mm，煙道層縱縫錯(cuò)臺(tái)最大量為21.40 mm；軌行區(qū)縱縫最大錯(cuò)臺(tái)量為18.43 mm(見(jiàn)圖4)。

圖4 管片接縫最大錯(cuò)臺(tái)量

2.2 管片開(kāi)裂與破損

管片結(jié)構(gòu)破損通常包括管片開(kāi)裂、崩角、接縫破損、螺栓孔破損(見(jiàn)圖5)。

圖5 管片破損病害類(lèi)型

管片崩角發(fā)生的頻率較高，其次為開(kāi)裂及螺栓孔破損。管片破損在200～900環(huán)區(qū)間內(nèi)顯著高于其他區(qū)域(見(jiàn)圖6)。從現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)研情況來(lái)看，隧道拱肩位置出現(xiàn)管片破損的情況較多。

圖6 管片破損縱向分布

2.3 隧道滲漏水

隧道結(jié)構(gòu)滲漏水形式主要包括：管片接縫漏水、螺栓孔漏水、管片裂縫漏水以及施工過(guò)程中二次注漿所導(dǎo)致的注漿孔滲漏水(見(jiàn)圖7)。

圖7 滲漏水類(lèi)型

由于管片接縫、螺栓孔等滲漏水通道的大量存在，加之地下水源充足，使得滲漏水在盾構(gòu)區(qū)間隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)較為普遍(見(jiàn)圖8)。滲漏水狀態(tài)包含濕漬、滲水與水珠3種情況；滲漏水通道以盾構(gòu)管片的螺栓孔為主，管片接縫次之。

圖8 隧道滲漏水分布區(qū)域

2.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂

地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞包括中隔墻及牛腿開(kāi)裂兩種情況(見(jiàn)圖9)。

圖9 內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞類(lèi)型

(1)中隔墻裂縫

中隔墻裂縫的“貫通”是指裂縫沿中隔墻豎直方向的貫通(豎向貫通)。中隔墻裂縫在隧道區(qū)間中的分布整體呈現(xiàn)為兩側(cè)少、中部多的特點(diǎn)，以未貫通裂縫為主(見(jiàn)圖10)。

圖10 中隔墻裂縫分布統(tǒng)計(jì)

全線共存在17處沿墻厚度方向貫通的裂縫(橫向貫通)，且同時(shí)存在豎向貫通的情況。單環(huán)出現(xiàn)厚度方向貫通裂縫最多為3條，位于第1079環(huán)位置。

(2)牛腿裂縫

對(duì)于牛腿裂縫，“貫通縫”定義為觀測(cè)到的從牛腿頂部(煙道板位置)擴(kuò)展至底部(管片位置)的表面裂縫。牛腿裂縫在本區(qū)間內(nèi)較為普遍，且軌行區(qū)內(nèi)兩側(cè)牛腿均以貫通縫為主(見(jiàn)圖11)。

圖11 牛腿裂縫分布

現(xiàn)場(chǎng)情況表明，本區(qū)間內(nèi)僅有12.6%的環(huán)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)牛腿開(kāi)裂的情況，大多數(shù)環(huán)內(nèi)牛腿存在1～3條裂縫，最多可達(dá)7條。32.2%的牛腿裂縫位于管片環(huán)縫之間，9.4%位于煙道板縫之間，同時(shí)位于環(huán)縫與煙道板縫之間的裂縫占比為2.3%。

3 隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)

3.1 基于層次分析的模糊綜合評(píng)價(jià)方法

隧道典型病害是其運(yùn)營(yíng)期內(nèi)長(zhǎng)期受力與變形的結(jié)果，是結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。在病害調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合層次分析和模糊綜合評(píng)價(jià)對(duì)本區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

(1)評(píng)價(jià)因子及權(quán)重

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，選定接縫變形、管片破損、內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂以及滲漏水病害作為隧道整環(huán)斷面安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立以各管片環(huán)斷面為目標(biāo)層的大直徑地鐵盾構(gòu)隧道運(yùn)營(yíng)期安全狀態(tài)評(píng)價(jià)的遞階層次結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖12)。除病害調(diào)研結(jié)果外，還將隧道縱向不均勻沉降專(zhuān)項(xiàng)監(jiān)測(cè)結(jié)果納入評(píng)價(jià)體系。

圖12 地鐵大直徑盾構(gòu)隧道安全評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)病害檢測(cè)結(jié)果，采用兩兩比較法確定各層級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，在SAATY提出的1～9標(biāo)度的基礎(chǔ)上，通過(guò)層次單排序以及一致性檢驗(yàn)加以確定[12]。

(2)安全狀態(tài)評(píng)價(jià)集

(1)

式中，H1-H5對(duì)應(yīng)A-E五個(gè)安全等級(jí)；分別對(duì)其進(jìn)行賦值，建立等級(jí)向量G，有

(2)

針對(duì)5個(gè)安全等級(jí)的評(píng)分區(qū)間，采用均分法確定(見(jiàn)表1)。

表1 安全狀態(tài)量化分級(jí)

(3)隸屬度函數(shù)與指標(biāo)評(píng)價(jià)值

隸屬度函數(shù)的定義為判斷某指標(biāo)值落于相應(yīng)等級(jí)的概率，采用三角形分布與梯形分布相結(jié)合的隸屬度函數(shù)(見(jiàn)圖13)。

圖13 隸屬度函數(shù)

k1～k4為5個(gè)安全等級(jí)區(qū)間的界限值，各指標(biāo)的限值選取參照相關(guān)文獻(xiàn)、現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果(見(jiàn)表2)。其中，ws表示管片尺寸，對(duì)于角部破壞以大尺寸為準(zhǔn)；Ln表示裂縫擴(kuò)展方向的構(gòu)件尺寸；μA(x)、μB(x)、μC(x)、μD(x)和μE(x)的計(jì)算可參照文獻(xiàn)[15]中的相關(guān)方法。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)限值

將各指標(biāo)的檢測(cè)值代入隸屬度函數(shù)表達(dá)式，可得到相應(yīng)的隸屬度矩陣，即

(3)

將等級(jí)向量G與隸屬度矩陣Q(Mi，j，n)相乘，得到各基礎(chǔ)指標(biāo)的安全綜合評(píng)價(jià)值R(Mi，j，n)，即

R(Mi，j，n)=G·Q(Mi，j，n)=

(4)

基礎(chǔ)指標(biāo)層的安全綜合評(píng)價(jià)值R(Mi，j，n)計(jì)算完成后，采用文獻(xiàn)[15]中給出的方法計(jì)算上一層次的安全綜合評(píng)價(jià)值，直至最高層。對(duì)于諸如破損數(shù)量、裂縫數(shù)量、滲漏水點(diǎn)數(shù)以及滲漏水量等定量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，其評(píng)分值見(jiàn)表3。將各層次的計(jì)算結(jié)果與表1中相對(duì)照，即可量化相應(yīng)的安全度。

表3 定量化指標(biāo)評(píng)價(jià)值

3.2 隧道斷面安全狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，區(qū)間內(nèi)各斷面安全狀態(tài)評(píng)分最小值為80.705(774環(huán))；最大值為99.59(1 082環(huán))。安全狀態(tài)評(píng)分小于84分(輕微受損)的斷面有36處，占比為2.15%，其余斷面的狀態(tài)判定為“安全”(見(jiàn)圖14)。

圖14 地鐵大盾構(gòu)隧道各斷面安全狀態(tài)評(píng)分

以930環(huán)斷面為例，該環(huán)斷面結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)評(píng)分為81.41，處于輕微受損狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該環(huán)斷面內(nèi)包含中隔墻開(kāi)裂、牛腿開(kāi)裂、中隔墻頂部混凝土開(kāi)裂等多種病害(見(jiàn)圖15)。

圖15 隧道第930環(huán)斷面結(jié)構(gòu)病害情況

以2分為梯度，統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)各區(qū)段內(nèi)的斷面評(píng)分值直方圖及其累積頻率(見(jiàn)圖16)?？梢钥吹皆u(píng)分值介于92～94分的最多，達(dá)467處(占比27.85%)；其次為94～96區(qū)段，達(dá)452處(占比26.95%)。

圖16 地鐵大盾構(gòu)隧道斷面安全狀態(tài)評(píng)分統(tǒng)計(jì)

地鐵大直徑盾構(gòu)隧道管片環(huán)斷面(目標(biāo)層)的安全狀態(tài)評(píng)價(jià)值與基礎(chǔ)層指標(biāo)的評(píng)價(jià)值與各自權(quán)重有關(guān)。以管片環(huán)縫和縱縫錯(cuò)臺(tái)為例，分別將其評(píng)分值按照升序排列，繪制其與斷面安全狀態(tài)評(píng)分值之間的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖17)。

圖17 管片接縫變形與斷面安全狀態(tài)評(píng)分值關(guān)系

評(píng)價(jià)體系中的基礎(chǔ)層由多個(gè)指標(biāo)組成，曲線接縫變形量(基礎(chǔ)層指標(biāo))評(píng)分值對(duì)于隧道斷面(目標(biāo)層)的安全狀態(tài)評(píng)分值影響有限?？紤]到基礎(chǔ)層指標(biāo)值超過(guò)限值后，其對(duì)應(yīng)的評(píng)分值沒(méi)有變化，對(duì)于基礎(chǔ)層指標(biāo)超過(guò)限值的情況，應(yīng)以基礎(chǔ)層指標(biāo)狀態(tài)評(píng)價(jià)本斷面的安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

(1)地鐵大直徑盾構(gòu)區(qū)間隧道典型病害類(lèi)型主要包括：接縫變形、管片開(kāi)裂與破損、滲漏水以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

(2)管片接縫錯(cuò)臺(tái)廣泛分布于隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)，多數(shù)斷面接縫變形量未超過(guò)規(guī)范所規(guī)定的限值；管片的破損類(lèi)型包括開(kāi)裂、崩角、接縫破損、螺栓孔破損，以崩角為主；螺栓孔是滲漏水的主要通道；中隔墻開(kāi)裂呈現(xiàn)兩側(cè)少、中部多的特點(diǎn)，牛腿裂縫較為普遍，且沿隧道縱向分布較為均勻。

(3)各斷面安全狀態(tài)評(píng)分最小值為80.705(774環(huán))；最大值為99.59(1082環(huán))。安全狀態(tài)評(píng)分小于84分(輕微受損)的斷面有36處，占比為2.15%，其余斷面的狀態(tài)判定為“安全”。

(4)基礎(chǔ)層單一指標(biāo)的評(píng)分值對(duì)于目標(biāo)層的安全狀態(tài)影響有限，當(dāng)基礎(chǔ)層指標(biāo)值超過(guò)限值后，結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)應(yīng)以基礎(chǔ)層指標(biāo)為準(zhǔn)。