已运营地铁隧道盾构管片破损的竖井永久修复技术

连逢逾 陈 刚 廖林川 贺 威

(1.四川成德轨道交通有限公司, 610041, 成都; 2.成都轨道建设管理有限公司, 610200 , 成都; 3.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学), 610059, 成都; 4.中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司, 102209, 北京)

受外部施工作业的影响,地铁隧道盾构管片很可能出现破损,给地铁的正常运营及人员安全带来重大隐患,亟需对出现问题的地铁盾构隧道修复加固。国内外学者针对盾构隧道管片破损修复措施展开了多方面研究。目前通常使用钢内衬、芳纶纤维布及碳纤维等材料来修复加固受损的管片。文献[1]结合上海某隧道修复项目详细阐述了运营盾构隧道内的钢环整修修复工艺;文献[2]通过管片外注浆加固土体、管片内张钢环等工艺使得石家庄地铁1号线某盾构区间的隧道管片破损得以解决;文献[3-4]采用钢板内衬的方法修复盾构隧道管片破损,证明了该施工技术的可行性;文献[5]采用数值模拟的方法,证明了钢板对盾构隧道管片的加固效果;文献[6]依托武汉地铁4号线穿越长江隧道区间的修复工程,将粘钢结构应用于地铁盾构隧道修复施工,效果显著;文献[7]通过现场试验和有限元模拟相结合的方式,研究分析了芳纶纤维布加固盾构隧道管片的效果;文献[8]依托青岛地铁8号线大洋站管片损伤修复工程,研究了岩补泡沫水泥砂浆修补损伤管片的效果,发现修补后的衬砌管片抗渗抗裂性以及耐久性显著提高;文献[9]采取开挖辅助竖井的施工方法和措施对破损管片进行彻底修复,成功地解决了邻近高压电力铁塔开挖竖井修复管片空间狭小、涌水量大、沉降变形要求高、施工难度大等难题;文献[10]对竖井洞外修补方案及其适用性进行了研究,研究发现,管片破碎至竖井开挖阶段,拱顶弯矩增大、轴力减小,影响结构安全; 管片破碎修复部位,在回填土荷载作用下,内力可能由内侧受拉转变为外侧受拉,可能会加剧管片内侧裂缝或局部碎裂现象。

然而,目前关于采用明挖竖井修复破损管片的研究较少。本文以某地铁隧道区间盾构管片顶拱穿孔竖井修复为工程依托,详细阐述对已运营地铁隧道内盾构管片破损的永久修复技术。以期为盾构隧道管片破损修复提供一定的工程经验和参考。

1 工程概况

1.1 工程概述

某地铁隧道区间右线起始里程为YK23+187.167,终止里程为YK24+382.026。该区间右线长1 194.859 m。盾构区间隧道外径为6.0 m、内径为5.4 m,管片长度为1.5 m,厚度为0.3 m。每环衬砌环由6块管片组成,包括1块封顶块、2块邻接块及3块标准块。区段管片采用M27螺栓连接。在降水井施工时,施工单位不慎将YK23+568.561处拱顶管片击穿。

1.2 管片破损情况

被击穿管片为隧道直线段衬砌环标准块。受损范围内混凝土及部分钢筋出现损伤;受损区域在该标准块与另一标准块连接手孔附近,位于列车前进方向隧道横断面12点钟方位,管片破损处现场示意图如图1所示。

a) 管片内侧

1.3 工程地质和水文地质

该区间范围内上覆第四系全新统人工填土,其下依次为松散卵石、中砂、稍密卵石、中砂、中密卵石、中风化泥岩。管片被击穿处的覆土厚度为17.3 m,管片破损位置所处地层情况如图2所示。地下水位埋深为4.1～6.1 m,水量较丰富。

图2 管片破损位置所处地层情况

2 隧道管片修复技术

2.1 修复技术

在常见修复施工的方法中,在盾构隧道内施加钢内衬或是在盾构管片上部施作钢筋混凝土拱都具有一定的施工难度,而且施加钢内衬施工还会对地铁的正常运营造成较大影响,也不能彻底修复。

考虑到该隧道范围内地层围岩稳定性较好的特点,可以在管片破损上方直接开挖竖井,不仅能缩短施工工期,彻底地修复破损位置,还能确保隧道的结构和防水质量。由此,现场采用管片破损竖井修复技术,即明挖竖井修复破损管片,待管片达到强度要求后直接分层回填竖井。管片破损竖井修复施工示意图如图3所示。

图3 管片破损竖井修复施工示意图

2.2 管片破损竖井修复施工工艺

管片破损竖井修复的施工工序为:降水井成井并抽水→开挖竖井范围内地表以下2.2 m深的土体并及时施作混凝土护壁→开挖至地表以下5.0 m并及时施作混凝土护壁→开挖至地表以下6.2 m并及时施作混凝土护壁→开挖至地表以下8.2 m并及时施作混凝土护壁→开挖至地表以下9.2 m并及时施作混凝土护壁→开挖至地表以下11.2 m并及时施作混凝土护壁→开挖进入中风化泥岩层之后每挖深1.0 m就及时施作护壁,直到挖至管片破损深度位置17.4 m→修复破损管片→对修复后的盾构管片进行防腐和防水处理→竖井内部分层回填→施工完成。破损管片修复施工工艺流程如图4所示。

图4 竖井修复施工工艺流程图

2.2.1 降水井布置

竖井开挖前,由于地下水位较高,为提供良好的施工环境,需在隧道周边打设10口降水井,其中8口(降水井1)沿线路方向分布于隧道两侧且间隔6 m,其余2口(降水井2)位于隧道上方,将水位降至中风化泥岩面。降水井分布如图5所示。

a) 降水井平面布置图

2.2.2 竖井开挖

抽水不少于7 d后,在管片破损处上方人工开挖内径为2.1 m的竖井,开挖至管片外轮廓面。开挖过程中随时观察土层变化情况。人工挖孔竖井段深约17.4 m;当挖孔深度达到6.0 m后,应加强通风,桩体每挖掘1.0 m就必须要浇筑1节C30混凝土护壁。护壁是厚度为150 mm的内齿式护壁,每节高度为1.0 m。护壁模板为钢制,拼装紧密,支撑牢固不变形。上下护壁使用竖向筋拉结,拉结长度为5 cm,以保证护壁的支撑强度。

2.2.3 管片修复加固

1) 竖井清孔。人工挖竖井挖至管片(隧道顶)后,对竖井进行清孔、洗孔,为保证管片修补的质量,须保证修补处管片表面干燥。采用功率不小于800 W的电吹风热风风干,风干时长不小于2 h。

2) 破损混凝土处理。使用小型电镐凿除管片外侧受损处松散混凝土和骨料颗粒,并采用高压气体清除管片外侧待修复部位混凝土表面碎屑及灰尘。若有钢筋锈蚀情况,则还须对钢筋进行除锈处理。

3) 受损钢筋恢复。管片内外侧受损主筋采用2根φ14 mm钢筋按原设计间距进行焊接连通,分布筋采用2根φ10 mm钢筋按原设计间距进行焊接连通。主筋与分布筋交叉位置新增φ8 mm拉结筋;主筋及分布筋均采用双面焊接,焊缝长度为5d(d为钢筋直径);手孔两侧各增加1根φ10 mm钢筋,采用植筋方式进行安装,且植筋锚固长度为150 mm。在管片破损位置上方设置一道防坠梁,防坠梁截面尺寸为250 mm×250 mm,长度为900 mm。

4) 界面处理。对管片外侧受损部位混凝土结合面进行界面处理,涂刷水泥基渗透结晶防水涂料。涂刷时应沿两个方向进行涂刷,不少于两遍,确保均匀、无遗漏。

5) 填充修复。填充材料采用掺钢纤维微膨胀细石混凝土。混凝土标号为C55,抗渗等级为P12。钢纤维选用材质为不锈钢型的高强钢丝切断型钢纤维,抗拉强度不低于1 000级,形状为平直形;钢纤维长度为50～60 mm,直径为0.5～0.9 mm,长径比为60～80;每m3混凝土的钢纤维掺量为40 kg。混凝土界面处理剂涂刷完成后,向受损部位灌注修复材料。

6) 防水处理。待修复材料强度达到20 MPa后,对管片修复部位内外侧涂刷环氧树脂防水涂料进行防水封闭。涂刷面积不小于破洞修复范围外侧360 mm;防水涂料涂刷完成后在上部粘贴一层自粘高分子聚合物防水卷材,防水卷材四周采用密封胶进行收口处理。

2.2.4 竖井回填

盾构管片修复后,将分层回填竖井。竖井回填施工工序为:竖井内中风化泥岩层部分分层回填,每层回填1.2 m直至中风化泥岩层表面→回填中风化泥岩层以上0.9 m竖井范围内的土层→继续回填1.1 m竖井范围内的土层→继续回填2.0 m竖井范围内的土层→继续回填1.2 m竖井范围内的土层→继续回填3.5 m竖井范围内的土层→继续回填1.5 m竖井范围内的土层至原地面。

不同深度竖井采用不同方式回填,从下至上回填材料依次为:6.2 m厚的C35混凝土、9.7 m厚的轻质泡沫混凝土(填充重度为8.5 kN/m3,强度等级为CF2.5)、1.5 m厚的杂填土。

3 竖井修复效果

3.1 三维有限元模型的建立

为了能够更直观地显示出竖井开挖及回填过程中对地层地应力和隧道结构内力的影响,采用三维方式来建立竖井开挖有限元模型。计算模型应考虑边界效应的影响,隧道上边界到模型上部为实际埋深17.4 m,模型上部边界为自由面,底部为X、Y、Z三向约束,两侧边界均施加法向约束,模型范围为54.0 m(X向)×30.0 m(Y向)×47.4 m(Z向)。有限元模型如图6所示。

a) 整体模型

3.2 材料物理力学参数

计算模型中,土体的本构关系采用摩尔-库伦弹塑性模型,隧道衬砌管片和竖井使用实体单元进行模拟。有限元模型的材料相关参数如表1所示。

表1 有限元模型材料的相关参数

3.3 修复效果分析

管片破损处修复后的最小主应力计算结果如图7所示。绘制破损管片修复前后的环向最小主应力曲线如图8所示。其中正值为受拉应力,负值为受压应力。

图7 管片破损处修复后的最小主应力云图

图8 破损管片修复前后的环向最小主应力曲线

由图7及图8分析可知,使用竖井修复破损管片后,修复部位应力最小为0.732 MPa,盾构管片破损部位之外的其他部分管片应力减小并不明显,应力减小最大的部位在距管片顶部约30°附近的管片,管片应力由2.049 MPa减小为1.632 MPa,应力最多减小了20.35%。

提取管片顶部破损处中心位置和边缘位置随修复施工各阶段的应力数据,并绘制盾构管片破损处在各施工阶段的应力变化曲线如图9所示。

图9 盾构管片破损处在各施工阶段的应力变化曲线图

由图9可知:盾构管片经过修补施工后,破损处边缘位置应力由3.982 MPa减小为1.549 MPa;待修复部位混凝土达到强度要求后,随着竖井回填C35混凝土和轻质混凝土,管片应力开始逐渐增加,最终应力稳定在2.124 MPa左右;管片修补完成后破损位置中心处的混凝土应力为0,之后随着竖井的回填,应力也在逐渐增大,最终稳定在0.732 MPa左右;各施工阶段管片应力数据均小于C50混凝土的承载强度,满足安全控制要求。

3.4 现场修复效果

为确保盾构隧道的运行安全,对管片修复位置展开应力监测修复部位混凝土应力时程曲线如图10所示。

图10 修复部位内侧混凝土应力时程曲线

由图10可知,衬砌管片修补部位混凝土以受压应力为主,在破损管片修补后的43 d内混凝土应力增长较快,之后逐渐趋于稳定。截至2022年2月14日,衬砌管片修补部位钢筋应力已经监测了241 d,衬砌管片修补部位内侧混凝土应力约为0.89 MPa,说明受损管片修复后的安全性符合要求。此外,该实测数据与数值模拟得出的衬砌管片修补位置混凝土应力0.73 MPa结果相近,验证了数值模拟结果的正确性。

本次修复工程共计25 d,相较于预期缩短了约20%的工期,有效降低了地铁运营的风险。在监测期间内,修补的管片总体处于稳定状态。综上所述,该修复技术是可靠的。

4 结语

本文针对某地铁盾构区间管片破损及其修复工程,结合区间内的地质条件,采用在管片破损处上方开挖竖井的技术修复破损管片。通过本次修复工程,得出以下结论。

1) 基于区间内良好的地层条件,采用该竖井修复技术,很大程度上减小了施工难度和对地铁运营的影响,并且实现了对破损管片的高效修复。

2) 基于该修复技术的施工工艺,对其中具体技术作了较为详尽的阐述,如:人工降水、竖井开挖、竖井回填,重点介绍了管片修复加固。证明了该修复技术施工简便,具有良好的修复效果。

3) 修复后管片破损处的压应力最小为0.732 MPa,修复前后破损位置之外的管片应力减小并不明显。随着竖井的回填修复部位边缘处的管片应力开始逐渐增加,最终应力稳定在2.124 MPa左右,破损中心处稳定在0.732 MPa左右。满足C50混凝土承载强度要求,管片结构安全。