探討城市地鐵隧道襯砌病害分析及加固方法,職稱論文

探討城市地鐵隧道襯砌病害分析及加固方法,職稱論文內(nèi)容摘要：城市地下環(huán)境復(fù)雜，施工技術(shù)的限制及運(yùn)營(yíng)后周邊環(huán)境的影響給地鐵隧道襯砌構(gòu)造帶來(lái)極大安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全的事故。論文總結(jié)城市地鐵隧道襯砌構(gòu)造的常見(jiàn)病害類型，分析其構(gòu)成原因及機(jī)理，并對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有效可行的襯砌構(gòu)造加固方式方法進(jìn)行了介紹和分析。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：地鐵隧道;襯砌;病害;加固;DamageAnalysisandRehabilitationMethodStudyofUrbanMetroTunnelLiningDONGGuang-huiWUFengTianjinMetroGroupDalianJiaotongUniversityAbstract：Themetrotunnelliningisinrisksituationsbecauseofcomplicateundergroundspaces,limitationsofconstructiontechniquesandeffectsofrunningenvironmentswhichevencausingsafetyaccidentsinmetrorunning.Thispapersummarizesthecommondiseasetypesofurbanmetrotunnelliningstructure,analyzesitsformationreasonandmechanism,andintroducesandanalyzestheeffectiveandfeasibleliningstructurereinforcementmethodsathomeandabroad.1引言近幾十年我們國(guó)家城市規(guī)?？焖贁U(kuò)張，市區(qū)交通不暢問(wèn)題日益嚴(yán)峻。城市地鐵作為一種當(dāng)代化交通方式，以便捷、準(zhǔn)時(shí)及安全等特點(diǎn)成為人們優(yōu)先選擇的一種出行方式。截至2021年年底，我們國(guó)家已有35個(gè)城市開(kāi)通了城市軌道交通。華而不實(shí)，地鐵運(yùn)營(yíng)里程高達(dá)4354.3km，占總里程的75.6%。但由于地下環(huán)境復(fù)雜、隱蔽性強(qiáng)，且施工技術(shù)受周邊既有建筑限制，導(dǎo)致地鐵設(shè)計(jì)中不確定性因素倍增，襯砌構(gòu)造病害難以控制[1,2,3]。如2020年杭州地鐵1號(hào)線在開(kāi)通不到一周時(shí)間出現(xiàn)3次滲水事故，導(dǎo)致大規(guī)模停運(yùn)。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間及里程的增長(zhǎng)，隧道構(gòu)造不可避免地出現(xiàn)性能劣化，進(jìn)一步加劇了病害的發(fā)生概率及危害。如2020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(duì)4號(hào)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(jiàn)，合理識(shí)別隧道襯砌的病害特征，分析其發(fā)生原因并提出切實(shí)有效的加固方式方法是特別重要和必要的。2城市地鐵隧道襯砌病害及原因分析襯砌構(gòu)造作為隧道的骨架，其力學(xué)和耐久性能直接關(guān)乎隧道的運(yùn)營(yíng)安全。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道所處環(huán)境和施工技術(shù)的不同，通過(guò)大量實(shí)踐調(diào)查，對(duì)襯砌構(gòu)造的典型病害進(jìn)行了研究，獲得了顯著成效[4,5]?，F(xiàn)結(jié)合既有成果，針對(duì)地鐵隧道襯砌病害表現(xiàn)與機(jī)理間的關(guān)系，從下面3方面進(jìn)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(huì)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(zhǎng)期滲漏水還會(huì)顯著降低襯砌構(gòu)造的承載力，在襯砌后土體中構(gòu)成空洞，威脅隧道構(gòu)造的安全。使用明挖法和礦山法施工的地鐵隧道，襯砌構(gòu)造多采用整體式澆筑。滲漏水的位置一般出如今施工縫、變形縫以及混凝土構(gòu)造本身開(kāi)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)量諸多的接縫和栓孔。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(jì)來(lái)看，施工技術(shù)及質(zhì)量是影響滲漏水的重要因素。整體澆筑的襯砌構(gòu)造應(yīng)嚴(yán)控混凝土的澆筑質(zhì)量、工藝及材料配合比。針對(duì)裝配式管片，應(yīng)在檢查制作和運(yùn)輸經(jīng)過(guò)中保證管片質(zhì)量的同時(shí)，嚴(yán)控密封材料的性能。在施工工程中，管片拼合不嚴(yán)、錯(cuò)位碎裂及變形均會(huì)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構(gòu)造的力學(xué)和耐久性能?，F(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土構(gòu)造，施工工藝和技術(shù)缺乏極易導(dǎo)致襯砌開(kāi)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(kāi)裂的重要原因。有調(diào)查表示清楚，盾構(gòu)隧道的襯砌發(fā)生裂縫、破損的比例超過(guò)80%發(fā)生在組裝施工經(jīng)過(guò)中。管片拼裝時(shí)的碰撞、錯(cuò)位、受力超限等因素是主要原因。除此之外，地下水變化導(dǎo)致的沉降、背洞以及地表超載壓力也會(huì)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(shí)會(huì)發(fā)生錯(cuò)臺(tái)和張開(kāi)。這種裂縫下的襯砌構(gòu)造受力狀態(tài)不合理，裂縫在外表和內(nèi)部進(jìn)行封堵的同時(shí)還需要進(jìn)一步采用構(gòu)造加固措施。2.3襯砌性能劣化地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，根據(jù)規(guī)范進(jìn)行耐久性設(shè)計(jì)的隧道混凝土襯砌通常能知足設(shè)計(jì)年限要求。但由于上述滲漏水和開(kāi)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(zhǎng)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(huì)加劇混凝土的劣化。襯砌開(kāi)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(shí)，混凝土保衛(wèi)層的失效會(huì)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(jìn)一步加劇襯砌開(kāi)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知足估計(jì)的設(shè)計(jì)年限要求。3襯砌加固方式方法對(duì)滲漏水而言，需要根據(jù)滲漏水程度并結(jié)合浸透部位，采取不同的加固方式方法。通常對(duì)于僅出現(xiàn)濕漬的位置，一般采取跟蹤觀察的方式方法，暫不進(jìn)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(jìn)行封堵處理。由于混凝土材料收縮、溫度變化等本身的問(wèn)題引起的滲漏，采用以上方式方法或許能夠到達(dá)要求，但假如伴隨著外荷載、沉降等因素，出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫，還需要判定裂縫的成因并進(jìn)行加固處理。對(duì)于襯砌開(kāi)裂及脫落而言，當(dāng)前的加固措施一般分為襯砌內(nèi)部和外部的加固方式方法。襯砌的外部加固方式方法主要為微擾動(dòng)注漿方式方法。通過(guò)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(huì)導(dǎo)致地下水滲流途徑變化，外部土體發(fā)生固結(jié)沉降。內(nèi)部加固的方式方法通常采用鋼拱架、鋼板、FRP以及TRC等材料進(jìn)行內(nèi)壁加固，提高襯砌的力學(xué)強(qiáng)度，減緩或制止襯砌裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。華而不實(shí)，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(jià)也通常較高，空間占用率也較大。對(duì)于局部部位的加固，能夠采用黏結(jié)鋼板的方式方法提高襯砌的抗拉強(qiáng)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(lái)提高加固構(gòu)件的耐久性。最近幾年，TRC或FRCM等水泥基基體-FRP組合的加固體系出現(xiàn)，又進(jìn)一步增加了FRP材料的耐火性且知足在潮濕狀況下的施工條件。對(duì)于襯砌劣化而言，需要根據(jù)混凝土強(qiáng)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式方法。對(duì)于混凝土碳化深度未到達(dá)保衛(wèi)層厚度的，可保持觀察或僅對(duì)外表裂縫進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)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(jìn)行除銹和防銹處理。若襯砌出現(xiàn)較大面積或區(qū)段的強(qiáng)度顯著下降，則需要采用內(nèi)外表鋼拱架、黏結(jié)FRP或鋼板等抗拉材料，外部錨桿支護(hù)等方式方法進(jìn)行加固，提高襯砌的力學(xué)強(qiáng)度。4結(jié)束語(yǔ)在國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，針對(duì)城市地鐵隧道襯砌構(gòu)造的特點(diǎn)，總結(jié)了襯砌構(gòu)造的3種常見(jiàn)病害形式，分別針對(duì)現(xiàn)澆和裝配襯砌構(gòu)造，分析了病害的原因和構(gòu)成機(jī)理?？偨Y(jié)了不同病害下的加固方式方法以及適用性。研究表示清楚，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(shì)，還有待于進(jìn)一步發(fā)展。以下為參考文獻(xiàn)[1]肖同剛,王如路.上海地鐵運(yùn)營(yíng)隧道病害治理與控制技術(shù)[C]//地下交通工程與工程安全---第五屆中國(guó)國(guó)際隧道工程研討會(huì).中國(guó)土木工程學(xué)會(huì),2018.[2]蔡鵬超.北京地鐵運(yùn)營(yíng)隧道襯砌病害分類及其安全狀態(tài)分級(jí)研