武汉某地铁盾构隧道运营期常见病害原因分析及治理措施

周彩荣

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司武汉分公司， 430077， 武汉//工程师)

随着城市轨道交通系统的迅速发展，地铁盾构隧道在运营期将不可避免地出现一系列病害现象，这将影响到地铁运营的安全性、经济性和耐久性。目前，国内外学者对隧道结构的病害问题已有大量研究，但大多是集中于对山岭、公路、铁路隧道结构病害的研究，对盾构隧道结构的病害成因及治理措施的研究相对较少[1]，因而对盾构隧道常见的病害原因及治理措施展开进一步研究显得尤为重要。

武汉某地铁隧道区间为双线单圆盾构隧道，长约1 790 m，管片外径为6 m，设置3座联络通道，采用冻结法施工。隧道区间位于长江Ⅱ级阶地，长距离穿越软塑、流塑淤泥质土层。机场线及8号线下穿本区间形成复杂的地下立交关系。此范围内管片为增设注浆孔衬砌环，采取洞内注浆加固措施。该区间于2015年12月开始运营，而机场线在2015年6月已完成下穿。8号线右线在2016年4月初下穿时，该隧道区间内出现了不同程度的病害，如隧道渗漏水和冒泥现象、管片掉块、整体道床与管片脱开产生离缝、道床变形缝附近产生贯通横向裂缝、纵向不均匀沉降等。本文结合实际工程地质条件，对该地铁盾构隧道病害现象进行了特征分析及原因研究，并有针对性地提出治理措施，可为类似地铁盾构隧道病害治理提供一定的借鉴。

1 盾构隧道渗漏现象

1.1 隧道渗漏特征分析

隧道渗漏是地铁盾构区间最常见问题之一，不仅影响隧道结构的耐久性，而且容易造成地铁隧道内设施受损，引起隧道发生不均匀沉降和变形等。本文所研究的地铁盾构区间隧道内总体保持干燥状态，左右线局部有渗漏点及湿渍，分布比较零散且无规律，主要分布在环缝、纵缝、拼缝和吊装孔等位置。同时，联络通道处渗漏较严重，存在积水冒泥现象，其渗漏部位位于两侧腰部及拱底道床附近，具体隧道渗漏现象如图1所示。

a)环缝渗水

b)拼缝渗水

c)吊装孔渗水

d)联络通道地面积水积泥

1.2 隧道渗漏原因及治理措施

隧道渗漏产生的原因是多方面的，涉及到防水材料失效、管片制造与拼装工艺、注浆加固不充分、沉降不均匀等诸多因素[3]。其中，联络通道为区间隧道的外挂结构，采用冻结法施工，周边地层冰胀后发生融沉，沉降导致接缝张开，进而造成弹性密封垫防水性能减弱。根据监测可知，管片错台量较大，3#联络通道左线隧道附近错台量达45 mm，严重超出允许错台量(相邻管片径向错台5 mm，相邻环片环面错台6 mm)[4]。JGJT 212—2010《地下工程渗漏治理技术规程》[5]中规定的各渗漏现象处理措施如表1所示。

2 盾构隧道道床病害原因分析及治理措施

2.1 道床病害原因分析

盾构隧道的整体道床是在结构底板凿毛后与管片结构浇筑在一起的，存在多个层面的结合，这些层面往往成为盾构隧道结构中最薄弱的环节。在地下水作用、列车长期运行振动、施工工艺和施工质量、隧道不均匀沉降等多种因素影响下[6]，将导致整体道床与管片脱开产生离缝、道床变形缝附近产生贯通横向裂缝，部分缝隙伴随渗水、冒泥现象。

表1 盾构隧道管片渗漏治理措施

图2为武汉某地铁盾构隧道整体道床与左线隧道间离缝分布统计情况。由图2可知，道床与管片间离缝主要出现在3号联络通道及8号线、机场线下穿位置附近，均位于淤泥质土层。离缝分布无明显特征规律，沿纵向间断分布并非连续通长，离缝长度为14～42 m，宽度大小不等，一般为1～3 mm左右，最大深度可达到400 mm。

图3为武汉某地铁盾构隧道整体道床横向裂缝照片。由图3可知，大部分道床板变形缝附近均产生一条横向裂缝，且道床板两变形缝中间部分基本不产生横向裂缝，部分道床横向裂缝有冒浆冒泥现象，部分道床横向裂缝保持干燥。

离缝产生的原因主要有两个方面：地基不均匀沉降和道床与管片基面不牢。在列车长期振动作用下，由于周边淤泥土体液化产生变形，导致隧道纵向沉降不均匀，而整体道床为刚性体，其适应变形能力差，当管片沉降时刚性体道床未能同步下沉，进而使其与管片接触部分开裂形成离缝[7]；隧道的不均匀沉降量过大导致管片接缝张开，外界水土将进入隧道内部，在列车动载反复碾压下于离缝处产生冒浆冒泥现象。另外，道床与管片之间的连接主要取决于盾构管片手孔及混凝土的粘结力，如浇筑前基面凿毛处理不当，可能导致道床与管片间剥离形成空隙，进而产生离缝。

图2 武汉某地铁盾构隧道整体道床与左线隧道间离缝分布统计情况

伴随着离缝的产生，道床底部出现吊(脱)空现象。吊空后的道床在列车动载反复碾压下于薄弱处(如变形缝附近)发生横向断裂，裂缝内可能有泥水被压出，进而构成冒泥翻浆现象。横向裂缝产生的另一因素是道床变形缝两侧沉降存在较大差异，当沉降差超过其允许值时将产生横向裂缝。

a) 横向裂缝

2.2 道床病害治理措施

在整体道床病害治理过程中，由于浆液在列车动载作用下进行胶凝固结，因而需要其与混凝土界面有较高的粘结强度和抗拉、抗剪强度；另外，隧道管片外为淤泥质层，采用常规浆液很难锚固稳定且难以灌注微细缝隙。实践证明，EAA环氧材料可克服固体表面的水膜与界面粘结，对水有一定的亲和性，渗透能力强，且能重复注浆，在防渗、固结、补强中应用较为广泛[7]。

道床与管片间离缝治理的主要施工步骤：①施工前对离缝内杂物及积水进行清理；②在道床板离缝侧布置注浆孔，钻孔时应避免钻破管片底部；③在离缝处开槽(宽度和深度约为2～3 cm)，用高强速凝水泥密封，以免串浆、冒浆；④如道床底部较密实则直接注入EAA环氧浆液，否则注浆过程为依次注入EAA环氧浆液、水泥浆和EAA环氧浆液，最终将会形成水泥-环氧复聚物。

道床横向裂缝的治理措施如下：对于干燥横向裂缝，沿缝开V型槽，再用钢丝刷刷除表面松动颗粒，用清水清理干净，表面风干后涂刷界面处理剂，再回填环氧材料后立模加压[8]；当横向裂缝处有冒浆现象时，道床底部吊空现象就较严重，其治理措施与道床离缝较深情况基本相同。

3 隧道不均匀沉降原因分析及治理措施

3.1 隧道不均匀沉降特征

研究表明，软土地区隧道沉降需经历数年才能达到稳定，且隧道不均匀沉降是各种影响因素对隧道整体状况的综合反映[9-10]。不均匀沉降将影响地铁结构的耐久性和运营的安全度，是导致隧道渗漏、道床和底板脱空、隧道线型偏差等病害的重要因素，也是判断隧道是否稳定的重要依据之一。

图4为左线道床的累计沉降量统计情况。自2015年9月在道床上布设监测点以来共进行了6次监测，其中道床初始高程取初次测量值。从图4中可以看出：道床纵向沉降量呈波动不均匀分布，沉降量均未超过竖向位移预警值10 mm[11]，其中，8号线右线下穿部位道床附近累计沉降量最大，相对初始值累计沉降在5 mm左右；左线ZDK29+260—ZDK29+350区段由于结构下卧软土层相对较厚，且厚度均大于10 m，累计沉降量在3 mm左右；3号联络通道处累计沉降量在2 mm左右。

3.2 隧道不均匀沉降成因分析

结合该盾构区间实际工程情况，对影响隧道不均匀沉降的各种因素进行分析，归纳总结如下：

(1) 8号线右线下穿施工。盾构掘进的过程中，盾构土舱压力、掘进速度、同步注浆等因素对周边土体形成扰动，受扰动的土体在工后较长时间内发生固结变形及次固结变形，导致隧道在工后较长时间发生沉降。从监测结果可知，盾构下穿已运营的隧道对其沉降影响很大，且随着运营时间的增加，不均匀沉降和变形将会进一步增加。

(2) 工程地质条件。盾构隧道长距离穿越软塑、流塑淤泥质土层，该土层具有高压缩性、高触变性、低承载力的特性，一旦扰动，导致隧道变形时间加长且变形量增大；同时，盾构隧道下卧土层分布不均匀，且原管片地层注浆加固效果难以保证，也将导致隧道产生不均匀沉降。

(3) 列车长期运营。列车振动荷载作用会引起土体固结沉降，尤其是运营初期；另外，列车振动荷载将使盾构隧道漏水冒泥现象加剧。因此，城市轨道交通振动荷载对隧道沉降有重大的影响。

(4) 施工工艺与质量。盾构施工不可避免地将扰动土体，如盾构施工状况、施工管理、衬砌背后同步注浆等都会使土体结构的应力应变状态发生较大变化。

(5) 联络通道冻结法施工。联络通道为盾构隧道的外挂结构，采用冻结法施工后，周边地层冰胀后发生融沉，盾构隧道将随土体产生不均匀沉降，因而联络通道冻结法施工对隧道沉降有较大影响，其影响随时间推移将逐渐减小。

(6) 隧道渗漏。当隧道发生漏水冒泥现象时，将导致隧道周围土体进一步排水固结，如不采取措施则其对隧道沉降的影响将进一步加剧。

3.3 隧道不均匀沉降治理措施

隧道沉降一般采用注浆加固的治理措施，即在盾构隧道下卧层形成刚度大于原状土的加固体。由于盾构隧道纵向是环环相接的柔性结构，在注浆过程中需尽可能减小对地层的扰动，确保每环内注浆引起的附加横向应力和横向变形均在允许范围内，并对地层沉降具有较好的补偿效果。

为减小注浆过程对地层的扰动，且达到良好的控沉效果，注浆工艺及参数、注浆孔位的布置、单孔注浆的方法均应合理选择。由于浆液须具备高密度、高强度、快速凝结、体积收缩小的特性，因此注浆材料宜选用水泥浆与水玻璃双液浆体。同时，注浆设备应满足注浆过程稳定且可调可控、体积小、质量轻，同时能在狭小空间内施工和搬运的要求。

为确保盾构管片受力对称，避免隧道轴线偏移，则需要在同环布置两个注浆孔，且两孔均匀对称注浆；隧道纵向采取间隔跳孔施工的原则，间隔环数不宜少于2环管片[12]，且为避免加固段与非加固段在后期产生过大的差异沉降，建议设置一定范围的过渡段。注浆孔位的布置详见隧道下卧层注浆加固横断面(见图5)和隧道下卧层注浆加固范围(见图6)。同时，每个注浆孔应通过分层、少量、多次的方式从隧道底部向下分层搭接叠加注浆，使隧道沉降在注浆抬升和注浆间隔时间内的固结沉降的交替作用下渐趋稳定，直至两次注浆间隔时间内的沉降量趋于零时，则停止注浆。

图5 隧道下卧层注浆加固横断面图

图6 隧道下卧层注浆加固范围示意图

4 结语

(1) 盾构隧道常见病害之间是相互联系的，往往表现为多种病害同时存在，且随着地铁运营时间的增加病害亦会随之加剧。其中，隧道不均匀沉降是导致产生其他常见病害的重要原因之一，也是判断隧道是否稳定的重要依据之一。

(2) 盾构隧道常见病害是各种复杂因素共同作用导致的结果，目前仅能定性地分析各因素对隧道沉降的影响，难以定量地进行评价。工程地质条件、运营期间列车长期作用、盾构隧道下穿施工或周边邻近区域施工是隧道各类常见病害的重要影响因素，同时施工工艺与质量、联络通道冻结法施工、隧道渗漏等因素对隧道沉降的影响也不容忽视。

(3) 为确保盾构隧道安全运营，建议从“设计—施工—运营”全过程的角度来进行控制。在设计阶段，应充分考虑线路的工程地质条件，尽量避免盾构隧道下卧软弱土层较厚的情况，且对关键节点处应提前做好预处理措施；在施工阶段，应确保施工质量，且尽量减小施工对土体的扰动；在运营阶段，除应严格控制周边邻近区域施工外，还应加强变形量测且加密关键节点处量测点的布设，发现病害应及时治理。