双相波纹不锈钢在盾构法隧道结构加固中的应用

潘沛浪,冯华松,方 庆,沈 伟,赵文亮

(1.中铁十二局集团有限公司，山西 太原 030000；2.滁州市滁宁城际铁路建设开发有限公司，安徽 滁州 239000；3.重庆赛迪工程咨询有限公司，重庆 404100；4.上海市基础工程集团有限公司，上海 200438)

1 研究背景

盾构法隧道是在采用盾构机进行地下工程暗挖，然后拼装预制衬砌，形成隧道结构，其预制衬砌的拼装形式导致结构整体呈现柔性可变性性质。软土地区，由于受到地质条件、地表沉降、建筑活动、列车振动等众多因素的影响，故运营隧道病害主要表现为渗漏水、结构体裂缝及损坏、纵向沉降及收敛变形[1]。当出现收敛变形时，隧道横断面呈现出“横鸭蛋”形的现象，随着收敛变形过大，结构上环向螺栓变形承载力损失，顶部、底部接缝张开，然后出现腰部缝压损，渗漏水伴随产生且不断加剧，进一步加快收敛变形。收敛变形的处置方法主要包括上部卸载、侧面微扰动注浆和内部结构补强，应根据变形原因有针对性的选用，其中常用的结构补强方法包括黏结芳纶布、安装内衬钢环等，一般根据变形程度界定施工方法[2]。目前常见的收敛变形处置技术多是针对城市轨道交通隧道，多为5.5 m内径，针对大型隧道收敛变形处置的研究还亟待完善。

2 常用的结构补强技术

2.1 钢内衬环加固技术

钢内衬环加固是通过钢内衬安装成环，采用化学锚栓将钢内衬环固定管片上，然后采用刚性环氧填充与管片的缝隙，使钢环与受损管片共同受力。钢板与混凝土衬砌的黏结失效是加固结构的关键性能点，黏结失效之后结构的整体性能被破坏，结构刚度迅速降低[3]。

钢内衬环多采用1.6 cm～3 cm厚钢板，宽度根据管片宽度设定为70 cm,80 cm,120 cm等，由于分块太多会导致焊接量增加及质量缺陷，常用单块重量高达500 kg，需要依托机械手(如图1所示)安装，且需动力车头配合将安装设备及材料运至作业面。钢环施工准备时间长，施工整体效率低，难以在短时间内完成快速支撑，无法满足抢修施工“快速支撑，立即受力”的要求。且钢环安装机目前较为成熟的是针对5.5 m内径的隧道，若是针对大盾构隧道不具有通用性。

2.2 芳纶布黏结加固技术

隧道收敛变形时，管片顶部内表面受拉，管片接缝有张开趋势。芳纶布黏结加固技术是通过环氧类胶黏剂将芳纶布黏结在拱顶处接缝两端，利用芳纶布很强的抗拉强度防止接缝张开(见图2)。

芳纶布加固一般用于水平面、下弧面，例如对结构横梁进行加固，具有很好的效果。但在隧道内加固黏结部位为上弧面。当受力后，芳纶布黏结区接缝附近，除了横向受拉，还会产生向下的力，向下的力会导致芳纶布脱胶且松弛，导致其横向拉力起不到作用，故芳纶布加固仅可以作为一个临时加固措施。

2.3 复合腔体内衬加固技术

复合腔体是采用碳纤维包裹钢隔舱，安装时背部黏胶贴在管片上，并采用化学螺栓进行固定，最后在隔舱内填充砂浆(见图3)。复合腔体本身具有较好的力学性能，通过减薄钢板厚度及每段长度，达到人工安装的目的，目前还没有较多的应用案例。

复合腔体与混凝土的黏结失效是加固结构的关键性能点，破坏由接缝处斜裂缝引起，导致复合腔体黏结面局部剥离，并很快扩展至整个黏结面，黏结失效之后结构的整体刚度迅速降低[4]。

受其自重要求限制，其单体宽度采用了16 cm，每环管片需范围布设4环～5环，且环与环之间没有连接，共同受力有一定限制。其与管片的黏结方式采用的是贴胶方式，螺栓数量相对钢内衬环加固较少，单位面积的黏结力较钢内衬环较弱。

2.4 钢波纹板加固技术

钢波纹板也是在构造上进行改良，通过波纹的构造形式，使波纹板在减薄的情况下，也能满足受力需求。钢波纹管涵作为一种柔性结构，在结构上可充分发挥钢材抗拉性能强、具有较大的抗变形和抗沉降能力，在未来的应用中着重对波纹钢的设计参数、防腐防水、拼装方法及器械进行研究[5]。

国内外已有很多波纹板相关的研究及工程案例，多采用镀锌钢板作为波纹板的原材，实际应用中，因为镀锌的质量及安装时对镀锌层的破坏等原因，波纹板自身厚度又薄，导致波纹板腐蚀成了一个问题。

综上所述，本文结合以上技术的特点及缺陷，对一种双相波纹不锈钢加固技术进行应用研究，既满足轻量化需求，又规避了钢波纹板锈蚀的难题。

3 双相波纹不锈钢加固技术应用

3.1 工程概况

本次研究的依托项目为滁州至南京城际铁路(滁州段)二期工程盾构隧道段，其中衬砌管片采用C55等级混凝土，钢筋主要采用HPB300,HRB400E钢筋，衬砌环内径7 700 mm，共分7块，厚度400 mm，环宽1 600 mm(平均)，采用通用楔形环，46 mm(双面楔形)楔形量，错缝拼装，斜螺栓连接。科研工艺应用范围为1 255环～1 257环，采用双相波纹不锈钢进行隧道管片加固。

3.2 波纹板规格设计

波纹钢采用QD2001双相波纹不锈钢，具有力学性能好，自身防腐、防火性能优良，无需防腐、防火涂层，抗老化试验大于50 a。根据前期的研究经验，设定了两种尺寸规格，7N板弧长1 192.5 mm(见图4)，8N板弧长1 352 mm，波纹板每环宽度460 mm，内弧面双波峰，截面相同，波高4.5 cm。因管片宽度1 600 mm，每环管片设计采用3环波纹钢加固。

为保证螺栓孔连接顺畅，对加工精度要求较高，材料本身强度高，故采用的是工厂模具压铸成型工艺。但考虑到其通用性，盾构隧道加固用波纹板初始弧度选择5 500 mm外径。本工程内径为7 700 mm，为了满足工程需求，需对通用波纹板进行调弧。经工程验证，卷板机无法满足调弧需求，故采用定制模具，压制成型的方法进行调弧(见图5)。

波纹钢板两侧板型采用拼插搭接安装，插接接头因为有台阶的存在，通过螺栓紧固后，其自身的抗压可以靠插接处传递承载力(见图6)，相对来说，在受压构件中更具优势。波纹钢接头处共设置5个螺栓，分别位于波峰、波谷中心线上。其中波峰位置2个螺栓采用高强抗剪螺栓，作为波纹板间的连接螺栓；波谷位置的3个螺栓采用化学锚栓，作为固定波纹板与管片作用。但因为拼插搭接连接方式，其波纹板接口处需特殊定制，且在现场不宜进行切割等调整偏差。

3.3 波纹板施工关键技术

1)异性构件连接及纠偏构造。

双相波纹不锈钢因为波纹构造的限制，底部牛腿预制难度较大，热加工牛腿需依托定制加工单位，故计划采用原钢牛腿进行连接。本项目采用带有接榫的连接构件，接榫插入至波纹钢波峰位置，所述接榫通过种植螺栓将底部钢板和波纹钢连接固定，提供有效的抗拉力；所述波纹钢底部与底部钢板顶对，提供有效的抗压力。

根据管片结构图纸进行设计，波纹板按照长度共分7N和8N两种规格，弧度均以内径7.7 m调整，按照图纸尺寸计算，计划使用4块7N板波纹钢+10块8N板波纹钢拼成一环，闭合端约剩余140 mm，采用纠偏构造进行补缺(见图7)。

2)壁后填充注浆技术。

注浆关键是注浆方法及注浆材料选择，本项目采用低压注浆工艺，在每环顶部预留注浆孔和排气孔，波纹板具有较大的空隙，通过自流的形式从上向下灌注，依靠自密实砂浆的性能充填空隙，降低对封缝的要求，一次完成整环注浆。注浆材料采用自密实砂浆，最大骨料粒径为3 mm，初凝时间30 min，通过单螺杆泵进行灌注，灌注流量14 L/min。

施工过程中，主要漏浆情况发生在侧面封缝处，尤其是波纹板接口突变位置。主要原因是波纹板与管片无预留缝隙，采用高强砂浆进行抹缝时仅在表面形成一道抗压层，在突变位置密封质量不易保证，故发生漏浆现象。顶部注浆密实度也是一个难点，待出气孔出浆后，仍需进行一定时间的循环注浆，然后采用关闭出气孔，短时间压力注浆的方式，保证注浆密实度。

3)锚栓种植控制技术。

为提高黏结作用，化学锚栓的种植率是一个较为重要的控制量，但是由于衬砌管片中钢筋密布，且钢筋直径较粗，经常出现遭遇钢筋无法完成化学锚栓固定的情况，故利用衬砌圆环构造图中各分块钢筋布置图提前放好波纹钢板的安装位置，避开环向主筋。

为了保证种植数量，在波纹板上加密预留孔。在加工阶段，每块板两侧预留2排化学锚栓孔，每排5孔，中心处2个，每块12孔。每环设计14块波纹板，除去搭接3孔，每环波纹板预留孔数量为126个，每环管片上预留孔数量高达378个。

由于起始和收尾段为本结构的薄弱区，故钢筋种植率更为重要，在起始位置通过试打孔，保证起始、收尾端化学锚栓的种植。实际施工中，仍有部分螺栓种植受到阻碍，目前种植率仍是一个值得研究解决的难题。

4 施工总结

本工程全部为人工作业，高峰期投入8名作业人员，配合小型工器具施工。在首次使用本工艺的情况下，包含管片处理、安装、植筋等，7.7 m隧道安装效率约合1环/班，作业便捷，施工效率高。

运营隧道有限界要求，主要是针对隧道上半圆，以满足列车安全运营需要。根据测量结果，安装波纹板后平均净空缩小约6 cm，道床处隧道净空与设计最大差值减少9.9 cm，上半圆隧道净空与设计最大差值减少4.3 cm，满足建筑最大容许净空10 cm要求。

5 结论与建议

通过本次滁宁线二期工程的衬砌加固施工，验证了双向波纹不锈钢具有施工便捷、高效等众多特点，可作为盾构法隧道加固及应急抢修的施工工艺。主要形成如下结论及建议：

1)双相波纹不锈钢的预制加工不具有普遍性，可以储备5.5 m直径的定型波纹板，再根据项目需要进行二次加工。

2)异性构件连接及纠偏构造具有较强的可操作性，可有效的纠正环向偏差，并与底部钢板(运营隧道中的牛腿构造)有效连接。

3)本工艺采用的注浆技术具有较强的适用性，采用自密实砂浆顶部注浆一次成环具有较好的可操作性，速凝砂浆侧向密封满足顶部注浆工艺防渗漏作用。

螺栓种植率仍是一个常见问题，仍需进一步研究。其加固的效果可根据压载试验，以及加固后的长期变形监测数据进一步分析。