基于病害检测的管片结构服役性能评价方法

何况

（郑州市轨道交通有限公司，郑州 450000）

1 引言

盾构隧道管片在长期重荷载情况下会出现变形、破损及渗漏等病害，威胁轨道交通安全[1]。传统的管片结构病害检测只是进行单一项目的检测，不能达到综合评估隧道管片的健康状态和服役[2-3]。本文根据相关规范，对地铁隧道管片的综合服役性能评价方法进行了研究。

2 管片服役性能评价依据

管片结构服役性能评价参照DG/TJ08-2123—2013《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》 对结构构件及连接的服役状态等级进行评定，根据评定标准所需数据对隧道管片开展针对性检测。

3 服役状态等级评定标准

3.1 隧道结构层次划分

隧道结构服役状态等级的评定单元应划分为结构整体、结构区段、结构构件3 个层次。隧道结构层次划分方式可按表1 执行。

表1 隧道结构层次划分

3.2 隧道环境作用等级

隧道使用环境类别与作用等级的确定应按如下规定评定执行。

1）一般环境及其环境作用等级可参考表2 评定。

表2 一般环境及其作用等级

2）氯化物环境及其环境作用等级，可参照表3 评定。

表3 氯化物环境的作用等级

3.3 隧道结构构件及连接的服役状态等级

隧道结构构件及连接的服役状态等级由高到低应按表4划分。

表4 结构构件及连接的服役状态等级分级标准

4 服役状态等级评定方法

4.1 构件服役状态等级评定

结构构件服役状态等级应根据构件所处环境等级、完整状态、密闭状态、变形状态和结构构件极限承载能力状态的子项指标评定。

1）满足表5 所有情形时，构件的服役状态等级应评定为“a 级”。

表5 构件服役状态“a 级”指标

2）若出现表6 中情形之一时，构件的服役状态等级应“b 级”。

表6 构件服役状态“b 级”指标

3）若出现表7 中情形之一时，构件的服役状态等级应评定为“c 级”。

表7 构件服役状态“c 级”指标

4）构件出现表8 情形之一，构件的服役状态等级应评定为“d 级”。

表8 构件服役状态“d 级”指标

5）构件出现下属情形之一，构件的服役状态等级应评定为“e 级”：（1）剥落深度超过保护层厚度，出现钢筋裸露；（2）表面剥落面积超过该构件表面积的1/3；（3）构件出现贯穿裂缝；（4）D环境等级下构件出现滴漏；E 环境等级下构件出现水珠；（5）挠度＞L0/250，倾斜度>4‰；（6）结构构件极限承载能力状态的安全性控制指标[α]≤0.85，[α]的计算方法参照DG/TJ08-2123—2013《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》附录F。

4.2 结构连接服役状态等级评定

结构连接服役状态等级应根据密封件完整性、连接的渗漏水程度、接缝张开量和错台量、衬砌管片间连接螺栓损伤程度、预埋件损伤和钢构损伤的子项指标评定。

1）结构连接符合下列情形之一的，结构连接的服役状态等级应评定为“a 级”：（1）结构连接的密封件完整；（2）接缝张开量δ≤允许值[δ]=6 mm；（3）错台量Δ≤允许值[Δ]=20 mm。

2）结构连接符合下列情形之一的，结构连接的服役状态等应评定为“b 级”：（1）结构连接出现渗水；（2）接缝张开量[δ]＜δ≤2[δ]=12 mm；（3）错台量[Δ]＜Δ≤1.5[Δ]=30 mm。

3）结构连接符合下列情形之一的，结构连接的服役状态等级应评定为“c 级”：（1）结构连接出现水珠、滴漏；（2）接缝张开量2[δ]＜δ≤3[δ]=18 mm；（3）错台 量1.5[Δ]＜Δ≤2[Δ]=40 mm。

4）结构连接符合下列情形之一的，结构连接的服役状态等级应评定为“d”级：（1）结构连接出现线漏；（2）接缝张开量δ＞3[δ]=18 mm；（3）错台量Δ＞2[Δ]=40 mm。

5）结构域连接出现下列情形之一的，结构连接的服务状态等级应评定为“e 级”：（1）连接件承载能力极限状态验算的安全性指标[α]≤0.85；（2）结构缝出现漏泥沙；（3）盾构隧道的衬砌管片间的连接螺栓有拉脱、剪断、较大滑移或严重损坏；（4）混凝土构件端节点连接松动，且伴有明显的变形裂缝；（5）预埋件的锚板有明显变形或锚板、锚筋与混凝土之间有明显滑移、拔脱现象；（6）钢构件连接构造有严重缺陷；（7）钢构件连接件有裂缝或锐角切口；（8）钢构件的焊缝、螺栓或铆接有拉脱、滑移、松动、剪坏等严重损坏。

4.3 检测项目与关键点

对隧道管片进行现场检测的主要检测项目及关键点见表9。

表9 检测项目列表

5 案例工程管片检测结果

通过对区间隧道81 环管片进行全面病害调查，共获取如下病害信息。

5.1 裂缝

对隧道上行线1 100 环～1 180 环管片经巡查，共发现裂缝64 条，主要分布在拱顶。其中，57 条裂缝宽度均小于0.3 mm，属于微裂缝，微裂缝对管片功能不存在影响，在管片构件服役状态判定中可认定为不可见裂缝；裂缝宽度位于0.3～3 mm 范围内的裂缝有7 条，其中1 113 环裂缝宽度2.89 mm，属于微张开裂缝，对于管片防水性能存在潜在影响，应及时处理。

5.2 渗漏水

隧道渗漏水点共发现26 处，重点分布在1 110 环～1 140环管片范围内。19 处渗漏点经过修复后未出现渗漏现象，剩余7处渗漏点处于浸润状态，待进行处理。

5.3 破损

通过巡查共计发现破损33 处，破损位置主要集中于11：00～1：00 方向（拱顶）范围内，且主要出现在纵向螺栓附近，说明部分管片环与环之间发生相对并行而造成混凝土拉裂掉块，而每环管片块与块之间未发生明显相对变形。各处破损的尺寸较小、深度较浅，并已得到有效治理，对管片结构安全不存在影响。

5.4 错台

由于施工过程中盾构姿态调整原因，导致隧道1 100 环～1 180 环管片见普遍存在纵缝错台现象，见图1。经巡查、检测共发现：错台量≤20 mm 有55 处，错台量20～30 mm 范围内有18 处，错台量30～40 mm 有7 处。拱顶处错台与拱底处错台同步出现，且量值相近、正负相反，该现象说明隧道管片间发生了普遍的整体相对错动，但每环管片形态未出现明显变形。

图1 隧道错台量统计图

5.5 变形

通过对图2 可知：隧道上行线共有81环水平最大宽度值超过5 490 mm；5 490～5 500 mm 共16 环，5 500～5 510 mm 共38 环，5 510～5 520 mm 共27 环。管片收敛变形较小，最大变形量不足4‰D（D 为管片直径），处于允许变形范围（通常允许值为3‰～5‰D，依据DG/TJ08-2123—2013《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》），对管片功能无影响。

图2 管片水平最大宽度值

5.6 管片强度

对隧道上行线以1 120 环～1 160 环每2 环检测1 环、1 100 环～1 120 环与1 160 环～1 180 环每4 环检测1 环的基本原则共计进行了31 环管片的强度检测。检测表明：上线31 环管片混凝土强度推定值均高于50 MPa，强度值介于54.4～61.5 MPa，检测强度均高于管片混凝土设计强度。

6 案例工程管片服役性能评价结果

6.1 构件服役状态等级评定结果

综合上述管片裂缝和破损情况，隧道1 100 环～1 180 环区段管片构件服役状态等级评定为“b 级”，但应重点对存在微张开裂缝的7 环管片（1 108 环、1 113 环、1 126 环、1 134 环、1 136 环、1 147 环、1 155 环）进行防渗、局部加固处理。

6.2 结构连接服役状态等级评定结果

综合上述管片错台、渗漏及变形情况，隧道1 100 环～1 180 环区段管片结构连接服役状态等级评定为 “b 级”，但应重点对存在渗漏情况的7 处管片接缝（1 124 环、1 125 环、1 126环、1 129 环、1 136 环、1 177 环、1 141 环）进行防渗处理。

6.3 安全评估结论

结合管片构件服役状态和管片结构连接服役状态等级评定评定结果，黄河路站—龙虎塘站区间上行线1 100 环～1 180 环管片服役状态综合评定为“b”级。

判定结果认为：

1）该区段部分管片存在性能退化现象，但不影响正常功能，当前病害情况未对管片结构安全性带来影响；

2）施工单位尚须对存在微张开裂缝和处于浸润状态的渗漏点采取相应的防渗、局部加固措施；

3）施工单位尚应对该区段管片渗漏与开裂情况再次进行详细排查，并进行及时处理。

7 结论

本文借鉴上海市地方标准对某地铁盾构区间产生病害区段的管片结构服役性能开展了评定工作，并根据评价结果对病害区段进行了整治，通过工程实践验证，认为本文阐述的评价方法切实可行。

管片结构性能评价标准目前在仅在上海地区有地方标准，国内其他城市或行业内还未有统一的规范，盾构管片结构性能评价技术在轨道交通行业尚鲜有应用。随着城市轨道交通线路运营年限增长，对管片结构性能的评价工作的需求将越来越迫切，针对不同地区管片结构性能评价标准的制定将是未来重要的研究方向。