浅谈地铁盾构隧道的耐久性设计

中铁隧道勘测设计院有限公司 天津 300133

摘要：随着中国城市化的发展，城市轨道交通在我国各大城市交通中发挥着越来越重要的作用。作为“百年工程”，城市轨道交通的耐久性设计是必须要考虑的问题。文章结合地铁盾构隧道的结构体系及构造特点，根据目前传统设计方法，总结了耐久性设计的基本内容，并引述国内出现的改善耐久性的新工法。

关键词：盾构隧道；耐久性设计；环境类别和作用等级；管片制作；构造措施

0.引言

随着国家城市化进程的加快，传统道路交通的低利用率以及结构性缺陷等原因，已无法满足现代都市的交通需求。交通拥堵造成的生活不便、环境污染、城市运营成本增加等一系列问题，是政府普遍面临的难题，到目前为止，城市轨道交通是长久解决交通拥堵的较好方案，已成为各中大型城市争先发展的基础设施，至2014年末，我国累计有19个城市建成地铁运营里程2539km，预计到2020年全国拥有轨道交通的城市将达到50个，届时我国轨道交通运营里程将超过6000km，也就是说未来几年城市轨道交通的建设将保持高速增长。

现行《地铁设计规范》（GB50157-2013）规定了地铁主体结构的设计基准期（使用年限）为100年，对于地铁这类投资大、建设周期长、质量要求高的“百年工程”，其地下结构耐久性至关重要，这一要求在工程设计和施工中如何具体反映和体现，是目前工程界人士日益关注的问题。

地铁盾构隧道与岩土、地下水等介质紧密接触，并不断受到侵蚀，并且要承受疲劳、超载、地震等外来作用，同时结构所用材料自身的性能也会不断退化，从而使隧道各部分产生不同程度的损伤和劣化，产生一系列危害（如隧道漏水、变形过大、差异沉降、裂损、坍塌等）。例如上世纪70年代建成的香港地铁部分区间隧道，运营20年之后发现内排钢筋锈蚀，导致混凝土保护层剥落，影响到运营安全及使用寿命。香港地铁花费了大量资金，在不影响正常运营的前提下，利用夜间停运的短暂几个小时，采用超高压水刀铲除内排钢筋及其保护层，然后喷钢纤维混凝土（植筋）后再添扎内排钢筋，用聚合物混凝土补强修复；国内地铁区间隧道、过江隧道等一些地下工程也遇到了类似问题。地铁建设资金投入大，后期维修、改建困难，因此对结构耐久性要求更高。本文就地铁盾构隧道耐久性设计进行简要阐述。

1.地铁盾构隧道耐久性的影响因素分析

国内地铁盾构隧道一般采用预制平板型钢筋混凝土管片，混凝土结构埋置于地下岩土中，同时受到地下水或其它侵蚀性介质的影响，其耐久性影响因素存在较大的复杂性和不确定性，主要因素包括如下几个方面：

（1）环境因素，包括岩土、隧道内外部温湿度、地下水、CO2、特殊离子环境、侵蚀性物质环境、杂散电流等。

（2）材料因素，包括水泥品种、水胶比、掺合料、外加剂、螺栓的耐腐蚀性、密封垫的耐久性、防腐涂料等。

（3）结构因素，包括结构尺寸与构造、应力状态及水平、裂缝程度、不均匀沉降、砂层液化、外荷变化、地震作用、爆炸冲击波等。

（4）施工因素，管片的生产、运输及安装过程中引起的管片损坏，现场尤其以管片拼装时碰撞、管片就位与盾构掘进姿态不一致、盾构纠偏时管片顶力分布不均匀最容易造成管片缺棱掉角，甚至管片崩裂；另外，管片拼装后的同步注浆分布，能否有效形成管片背后的保护圈，也对管片耐久性至关重要。

地下工程具有工程前期投资大、工程隐蔽性强、后期修复困难等特点，一旦耐久性出现问题，一是难以发现，日积月累，酿成重大安全事故；二是即使发现，也不得不花费大量的资金去修复加固。要提高地铁盾构隧道的耐久性能，应从设计、施工、使用管理等方面综合考虑，针对各种影响耐久性的因素采取相应的措施。作为工程设计人员，设计之初就应当引入耐久性的概念，加强对盾构隧道预制管片、接头螺栓、密封垫等部位的保护，切实做到降低运营维护费用及增加工程使用寿命。

2.地铁盾构隧道耐久性设计方法和内容

混凝土结构的耐久性设计可分为传统经验方法和定量计算方法。目前定量计算方法主要应用在特殊工程、教学科研上，尚未达到在工程中普遍应用的程度。国内现行的混凝土结构设计规范所采用的仍然是传统经验方法或改进的传统方法，即将环境作用按其严重程度定性地划分成几个作用等级，在工程经验类比的基础上，对于不同环境作用等级下的混凝土结构构件，由规范直接规定混凝土材料的耐久性质量要求和钢筋保护层厚度等构造要求。

对于地铁盾构隧道，耐久性设计主要依据国家标准《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）、《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476-2008）进行，同时要满足城市轨道交通行业标准《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》（CJJ49-92）中对结构设计的相关要求。归纳起来，地铁隧道的耐久性设计应包括以下内容：

（1）明确结构的设计使用年限、环境类别和作用等级，作为开展耐久性设计的基础性技术标准。

（2）提出混凝土原材料品质、配合比及耐久性指标要求，作为施工阶段检测和验收的依据。

（3）明确混凝土结构裂缝控制要求，作为结构设计和后期维护的主要技术标准。

（4）采用有利于减轻环境作用的结构形式、布置和构造，如结构尺寸、保护层厚度要求等。

（5）针对严重环境作用，采取防腐蚀附加措施或多重防护策略。

（6）对于地铁隧道，需要考虑杂散电流的腐蚀，采取针对性的防护措施。

（7）提出耐久性所需的施工质量控制要求和验收要求。

（8）提出结构使用阶段的维护与检测要求。

3.环境类别和作用等级

按照傳统方法进行设计，首先需要明确环境类别和作用等级。目前，国内规范对于环境类别定义存在差异，按《混凝土耐久性设计规范》，地铁隧道处于无冻融、无海洋氯化物、无化学腐蚀的条件下，腐蚀机理为混凝土碳化引起的钢筋锈蚀，环境类别为一般环境（I类）。

对于一般环境，判别环境作用等级时，需要考虑的环境因素主要是湿度（水）、温度、CO2与O2的供给程度。如图1所示，由于地铁隧道长期埋置于地下水位以下，外侧与水和土壤直接接触，可按永久的静水浸没环境考虑，环境作用等级为I-B。对于隧道内侧，一般按非干湿交替的室内潮湿环境考虑，环境作用等级为I-B。也有观点认为，地铁隧道内侧处于干湿交替环境中，管片厚度不大，临水面也无防护层，且常有结露水，环境作用等级应为I-C。由于地铁隧道内存在地下水渗漏情况，随着隧道内温度和通风条件的变化，隧道内的湿度也随之改变，但是否达到干湿交替的程度，目前还没有实测数据作为依据。另一方面，目前的规范对干湿交替仅作定性的规定，未明确定量的判断标准。因此，建议针对已运营地铁隧道内的温度、湿度及其变化情况，在一定时期内（如一年）进行持续监测，为判断地铁隧道内环境作用等级提供依据。

图1 地铁隧道环境作用示意图

4.预制管片的材料选择及制作

盾构隧道耐久性的关键是混凝土材料的制备及预制混凝土管片的制作。混凝土的渗透性影响着水和侵蚀性介质在混凝土中的传输速率及聚集效应，因此提高混凝土的抗渗性是改善其耐久性的重点。根据目前工程经验，可通过提高混凝土密实度、降低水胶比至0.35以下、减少水泥用量至130kg/m3以下、掺入活性矿物掺和料等措施，且保证管片的混凝土保护层有足够的厚度，可有效阻止外部侵蚀性介质渗透至钢筋表面，避免钢筋锈蚀，从而大幅度提高管片的耐久性。

另外，可在管片外部涂刷防腐涂料，隔绝或减轻地下水及侵蚀性介质与管片的接触，减少各种化学腐作用；特殊条件下，可掺入钢筋阻锈剂，促使钢筋表面的氧化物钝化膜趋于稳定，使整个钢筋被钝化膜包裹，从而起到抑制钢筋锈蚀的作用。

目前国内地铁盾构隧道，提出了双层衬砌理念，即在单层预制管片衬砌的基础上，在其内侧，增加一层现浇钢筋混凝土衬砌。盾构隧道采用双层衬砌，虽然增加了前期工程投资，但从一定程度上改善了管片的受力，也弥补了由于管片安装过程中形成的裂缝对隧道耐久性的影响。

5.地铁盾构隧道耐久性构造措施

5.1 密封垫

对于地铁盾构隧道，预制管片需要采用大量的螺栓进行拼接，接缝采用密封垫进行防水，接缝总长度是隧道长度的20余倍，确保接缝防水材料防水性能的耐久性至关重要。

密封垫按按功能可分为三类：弹性密封垫、遇水膨胀橡胶密封垫、弹性密封垫与遇水膨胀橡胶复合密封垫。密封垫设计除了要满足防水性能外，还应提出耐久性指标。根据国内设计规范，密封垫材料的一般以硬度、拉伸强度、伸长率等拉伸力学指标来评价防水材料的耐久性。上海长江隧道工程对密封垫进行了专题研究，提出以接触应力松弛的时变特性来表征防水密封垫防水性能的耐久性。

5.2 管片连接螺栓

螺栓表面一般采用锌基铬酸盐涂层进行防腐处理。为提高外露螺栓的耐久性和隧道防水效果，管片手孔一般采用微膨胀水泥进行封堵。根据已运营的盾构区间现场检查情况，存在管片手孔封堵材料凸起和掉落的情况，对运营安全产生不利影响。因此，为确保运营安全，顶部手孔可不作封堵，改为对外露螺栓进行补充防锈处理。

5.3 联络通道特殊衬砌环

目前联络通道特殊衬砌环有三种做法：混凝土管片（后期切割）、全环钢管片、钢管片与混凝土管片组合。从耐久性角度出发，特殊衬砌环宜采用混凝土管片。当联络通道采用冻结法对地层进行加固时，需要在管片上钻孔以安装冻结管，如图2所示。如某地铁盾构区间联络通道，采用冻结法加固，需要在联络通道左右各3环管片上冻结管钻孔，开孔总数一般达到72个，开孔直径130mm，而管片主筋净距85～140mm，不可避免会对管片结构造成损伤，甚至破坏管片钢筋。因此，当联络通道采用冻结法对地层进行加固时，宜采用钢管片。采用钢管片时，应注意以下耐久性问题：

（1）钢管片的厚度除了要满足受力要求外，还应考虑钢管片在使用阶段的锈蚀，适当加固钢板厚度。

（2）对于使用阶段外露的钢管片，应采取防腐措施；并对钢管片内侧空腔回填混凝土，形成钢构件的混凝土保护层。

（3）考虑到防腐涂层在施工过程中的磨损，联络通道施工完成后，应对钢管片进行补充防锈处理，涂刷防腐涂料，增强钢构件的耐久性。

图2 区间联通通道冻结孔布置示意图

5.4 后锚固施工

在地铁机电安装阶段，需要在区间隧道内壁上布设大量供电、通风空调、给排水、动力照明、火灾报警系统（FAS）、环境与设备监控系统（BAS）、通信、信号、导向等系统设备管线的支架，以及区间疏散平台等附属结构（如图3、4所示）。

目前，国内绝大多数地铁均采用后锚固的方式与隧道结构连接，需要在管片上钻大量的孔洞，削弱管片的受力性能，甚至有时引起管片开裂、钢筋被破坏，影响管片耐久性能。为此，应加强设计接口协调和机电安装阶段后锚固钻孔施工控制：

（1）电缆支架间距模数与管片宽度统一，控制锚栓到管片边缘的距离，避免锚栓设于管片接缝。

（2）严格控制锚固孔洞施工误差：锚孔深度偏差不得大于10mm，垂直度偏差不得大于5°。

（3）打孔前应采用钢筋探测仪进行探测管片钢筋，锚孔应尽量避开受力主筋。如螺栓孔与管片钢筋冲突，应调整螺栓孔位置，严禁破坏管片钢筋。如有废孔，应用化学锚固胶或高强度等级的环氧树脂水泥砂浆填实。

为了避免后锚固施工对隧道管片的不利影响，钢滑槽、绝缘尼龙套管等预埋件技术在台湾、日本等地区得到了普遍的应用。深圳地铁9号线是国内首条在全线盾构法区间采用全环预埋滑槽技术的地铁线路。

图3 区间隧道管线布设示意图

6.结论

影响地铁盾构隧道耐久性的因素很多，综合本文所述，耐久性设计应特别重视如下两点：①受湿度、温度、地铁杂散电流等因素影响，地铁隧道内的环境作用较为复杂，耐久性设计中的环境作用等级取值应考虑上述不利因素的综合影响；②由于地铁盾构隧道的特殊性，其耐久性设计除了混凝土耐久性相关内容外，应高度重视管片制作、接缝防水、连接螺栓、后期钻孔等细部构造措施设计。

工程设计人员应当借鉴国内外取得的成功經验，吸取国内外涌现的新概念、新技术，结合工程实际，运用科学合理的设计方法，以提高地铁区间隧道的耐久性。

参考文献：

[1]王振信.盾构法隧道的耐久性[J].地下工程与隧道，2002（2）

[2]孙钧.崇明长江隧道盾构管片衬砌结构的耐久性设计[J]，建筑科学与工程学报，2008（3）

[3]吕志刚.浅析地铁结构耐久性设计[J]，建筑设计，2007（11）

[4]混凝土结构耐久性设计规范，GB/T50476-2008，中华人民共和国住房和城乡建设部，2009（5）

[5]混凝土结构设计规范，GB50010-2010，中华人民共和国住房和城乡建设部，2011（7）

作者简介：

唐志辉（1981-），男，湖南浏阳人，2005年毕业于中南大学土木工程专业，本科，工程师，现主要从事隧道及地下工程的设计及研究工作。