地铁大直径盾构隧道运营期结构安全状态评价研究

乔小雷 董 飞 李 奥 高才驰

(1.南京地铁运营有限责任公司，南京 210046; 2.苏交科集团股份有限公司，南京 210029; 3.江苏省水下隧道绿色智慧技术工程研究中心，南京 210029)

引言

隧道病害随着运营时间变长而逐渐显现，随之而来的是结构服役性能逐渐劣化且不可逆转。隧道结构状态关系到列车的正常运行与人民生命财产安全，也是业内关注的重点。

刘庭金等结合病害调研与监测数据分析，对上方堆载引起的盾构隧道结构安全问题开展研究[1]；苏辉依托上海软土盾构隧道运营期受力特征，基于4项病害指标对隧道结构的安全状态进行评估[2]；刘学增等在结构受力演化分析的基础上，以隧道结构长期安全变形控制指标为依据，对苏通GIL综合管廊的安全状态进行评价[3]；陈君采用修正的模糊综合评价方法对地铁盾构隧道安全状态进行研究[4]；周兵等结合总体评判与专项评估，依托马峦山隧道构建城市交通隧道运营安全风险评估体系[5]；魏纲等基于运营期地铁盾构隧道，对其结构安全评价指标进行分类，明确了各安全评价指标的分级标准[6]；程曦等基于云模型理论构建了隧道结构安全的综合评估模型[7]；陈君在影响结构安全的主因素分析的基础上，采用修正的模糊综合评价法分析了上海地铁1号线盾构隧道的安全状态[8]；胡群芳等基于运营状态提出长大公路隧道安全评价指标，采用模糊层次分析对其安全状态进行评价[9]；刘文黎等采用EFAST方法分析了反映地铁盾构隧道安全状态的各指标敏感度[10]；林盼达等基于理论分析确立运营期盾构隧道安全评价指标体系，在修正的模糊综合评价的基础上对隧道结构安全状态进行评价[11]。

不难看出，以往针对运营期盾构隧道结构安全状态评价的研究多基于常规直径盾构隧道，研究方法以模糊综合评价为主，对于单洞双线大直径地铁盾构隧道的研究相对较少。以下依托南京地铁某大直径过江盾构隧道区间，在病害调研的基础上，建立隧道结构安全评价体系，获取了各管片环的安全状态。以期为国内相似对运营大直径盾构隧道的运维提供指导。

1 工程概况

南京地铁某区间隧道采用单洞双线大直径盾构隧道方案穿越长江，隧道外径11.2 m，内径10.2 m，管片宽2 m。预制烟道板、中隔墙以及口型件将隧道断面空间划分为烟道层、上行线轨行区、下行线轨行区以及底部空间4部分(见图1)。衬砌为C60混凝土通用楔形管片，每环管片由“1块封顶块(SF)+2块邻接块(SL)+5块标准块(SB)”拼装而成。除口型件和烟道板采用“工厂预制+现场拼装”外，其余构件均为现浇施工。

图1 南京地铁越江大直径盾构隧道横断面(单位：mm)

区间隧道线路纵坡设计为“V”形，全长3.35 km(1677环)。北岸陆域段主要穿越粉砂、细砂，局部穿越砾砂、含砾中粗砂地层；江中段主要穿越粉砂、细砂、砾砂、含砾中粗砂、粉砂、细砂、流塑状粉质黏土、软塑-流塑状粉质黏土地层；南岸陆域段主要穿越软塑-流塑状粉质黏土、粉砂、细砂地层(见图2)。沿线地下水类型为松散岩类孔隙水及基岩水，其中以松散岩类孔隙水为主，包括孔隙潜水和微承压水。孔隙潜水层透水性和赋水性差，微承压水层透水性和赋水性良好，碎屑岩类裂隙水可看作弱含水层。

图2 南京地铁越江大直径盾构隧道纵断面

2 隧道典型病害特征

隧道病害调研表明，大直径盾构区间隧道典型病害类型主要有：接缝变形、管片开裂与破损、渗漏水以及内部结构开裂。

2.1 管片接缝变形

该区间内管片接缝变形以环缝和纵缝的错台为主。错台量检测点沿隧道中线对称设置，其中，于烟道层以面向隧道大环号方向(江北至江南)沿顺时针设置5个测量点；轨行区环缝错台范围内上下各设置1个测点；隧道管片纵缝错台测点设置于所在环内可测纵缝所在的实际位置(见图3)。

图3 地铁大直径盾构隧道病害测点示意

根据文献[13]，盾构隧道管片接缝变形允许值，环缝与纵缝错台量的最大限值分别取20 mm和12 mm。

根据现场检测结果，环缝错台超限测点不足1%，烟道层约60%以上测点以及轨行区约80%以上测点的环缝错台量低于5 mm。烟道层环缝错台最大值为35.16 mm，轨行区环缝错台最大值为27.00 mm。多数管片纵缝错台量小于5 mm，烟道层纵缝错台最大量为21.40 mm；轨行区纵缝最大错台量为18.43 mm(见图4)。

图4 管片接缝最大错台量

2.2 管片开裂与破损

管片结构破损通常包括管片开裂、崩角、接缝破损、螺栓孔破损(见图5)。

图5 管片破损病害类型

管片崩角发生的频率较高，其次为开裂及螺栓孔破损。管片破损在200～900环区间内显著高于其他区域(见图6)。从现场的调研情况来看，隧道拱肩位置出现管片破损的情况较多。

图6 管片破损纵向分布

2.3 隧道渗漏水

隧道结构渗漏水形式主要包括：管片接缝漏水、螺栓孔漏水、管片裂缝漏水以及施工过程中二次注浆所导致的注浆孔渗漏水(见图7)。

图7 渗漏水类型

由于管片接缝、螺栓孔等渗漏水通道的大量存在，加之地下水源充足，使得渗漏水在盾构区间隧道全长范围内较为普遍(见图8)。渗漏水状态包含湿渍、渗水与水珠3种情况；渗漏水通道以盾构管片的螺栓孔为主，管片接缝次之。

图8 隧道渗漏水分布区域

2.4 内部结构开裂

地铁盾构隧道内部结构破坏包括中隔墙及牛腿开裂两种情况(见图9)。

图9 内部结构破坏类型

(1)中隔墙裂缝

中隔墙裂缝的“贯通”是指裂缝沿中隔墙竖直方向的贯通(竖向贯通)。中隔墙裂缝在隧道区间中的分布整体呈现为两侧少、中部多的特点，以未贯通裂缝为主(见图10)。

图10 中隔墙裂缝分布统计

全线共存在17处沿墙厚度方向贯通的裂缝(横向贯通)，且同时存在竖向贯通的情况。单环出现厚度方向贯通裂缝最多为3条，位于第1079环位置。

(2)牛腿裂缝

对于牛腿裂缝，“贯通缝”定义为观测到的从牛腿顶部(烟道板位置)扩展至底部(管片位置)的表面裂缝。牛腿裂缝在本区间内较为普遍，且轨行区内两侧牛腿均以贯通缝为主(见图11)。

图11 牛腿裂缝分布

现场情况表明，本区间内仅有12.6%的环内未发现牛腿开裂的情况，大多数环内牛腿存在1～3条裂缝，最多可达7条。32.2%的牛腿裂缝位于管片环缝之间，9.4%位于烟道板缝之间，同时位于环缝与烟道板缝之间的裂缝占比为2.3%。

3 隧道结构安全状态评价

3.1 基于层次分析的模糊综合评价方法

隧道典型病害是其运营期内长期受力与变形的结果，是结构安全状态评价的重要依据。在病害调研的基础上，结合层次分析和模糊综合评价对本区间隧道结构的安全状态进行评价。

(1)评价因子及权重

结合现场调研结果，选定接缝变形、管片破损、内部结构开裂以及渗漏水病害作为隧道整环断面安全状态的评价指标，建立以各管片环断面为目标层的大直径地铁盾构隧道运营期安全状态评价的递阶层次结构(见图12)。除病害调研结果外，还将隧道纵向不均匀沉降专项监测结果纳入评价体系。

图12 地铁大直径盾构隧道安全评价层次结构

结合现场病害检测结果，采用两两比较法确定各层级指标的权重，在SAATY提出的1～9标度的基础上，通过层次单排序以及一致性检验加以确定[12]。

(2)安全状态评价集

(1)

式中，H1-H5对应A-E五个安全等级；分别对其进行赋值，建立等级向量G，有

(2)

针对5个安全等级的评分区间，采用均分法确定(见表1)。

表1 安全状态量化分级

(3)隶属度函数与指标评价值

隶属度函数的定义为判断某指标值落于相应等级的概率，采用三角形分布与梯形分布相结合的隶属度函数(见图13)。

图13 隶属度函数

k1～k4为5个安全等级区间的界限值，各指标的限值选取参照相关文献、现行标准、现场调研结果(见表2)。其中，ws表示管片尺寸，对于角部破坏以大尺寸为准；Ln表示裂缝扩展方向的构件尺寸；μA(x)、μB(x)、μC(x)、μD(x)和μE(x)的计算可参照文献[15]中的相关方法。

表2 评价指标限值

将各指标的检测值代入隶属度函数表达式，可得到相应的隶属度矩阵，即

(3)

将等级向量G与隶属度矩阵Q(Mi，j，n)相乘，得到各基础指标的安全综合评价值R(Mi，j，n)，即

R(Mi，j，n)=G·Q(Mi，j，n)=

(4)

基础指标层的安全综合评价值R(Mi，j，n)计算完成后，采用文献[15]中给出的方法计算上一层次的安全综合评价值，直至最高层。对于诸如破损数量、裂缝数量、渗漏水点数以及渗漏水量等定量化评价指标，其评分值见表3。将各层次的计算结果与表1中相对照，即可量化相应的安全度。

表3 定量化指标评价值

3.2 隧道断面安全状态评价结果

根据计算结果，区间内各断面安全状态评分最小值为80.705(774环)；最大值为99.59(1 082环)。安全状态评分小于84分(轻微受损)的断面有36处，占比为2.15%，其余断面的状态判定为“安全”(见图14)。

图14 地铁大盾构隧道各断面安全状态评分

以930环断面为例，该环断面结构安全状态评分为81.41，处于轻微受损状态。现场调研结果发现，该环断面内包含中隔墙开裂、牛腿开裂、中隔墙顶部混凝土开裂等多种病害(见图15)。

图15 隧道第930环断面结构病害情况

以2分为梯度，统计区间内各区段内的断面评分值直方图及其累积频率(见图16)。可以看到评分值介于92～94分的最多，达467处(占比27.85%)；其次为94～96区段，达452处(占比26.95%)。

图16 地铁大盾构隧道断面安全状态评分统计

地铁大直径盾构隧道管片环断面(目标层)的安全状态评价值与基础层指标的评价值与各自权重有关。以管片环缝和纵缝错台为例，分别将其评分值按照升序排列，绘制其与断面安全状态评分值之间的关系曲线(见图17)。

图17 管片接缝变形与断面安全状态评分值关系

评价体系中的基础层由多个指标组成，曲线接缝变形量(基础层指标)评分值对于隧道断面(目标层)的安全状态评分值影响有限。考虑到基础层指标值超过限值后，其对应的评分值没有变化，对于基础层指标超过限值的情况，应以基础层指标状态评价本断面的安全状态。

4 结论

(1)地铁大直径盾构区间隧道典型病害类型主要包括：接缝变形、管片开裂与破损、渗漏水以及内部结构开裂。

(2)管片接缝错台广泛分布于隧道全长范围内，多数断面接缝变形量未超过规范所规定的限值；管片的破损类型包括开裂、崩角、接缝破损、螺栓孔破损，以崩角为主；螺栓孔是渗漏水的主要通道；中隔墙开裂呈现两侧少、中部多的特点，牛腿裂缝较为普遍，且沿隧道纵向分布较为均匀。

(3)各断面安全状态评分最小值为80.705(774环)；最大值为99.59(1082环)。安全状态评分小于84分(轻微受损)的断面有36处，占比为2.15%，其余断面的状态判定为“安全”。

(4)基础层单一指标的评分值对于目标层的安全状态影响有限，当基础层指标值超过限值后，结构安全状态的评价应以基础层指标为准。