0 引言
截止 2021 年 8 月,我国过已有 48 个城市开通运营城市轨道交通线路 247 条,运营总里程已达到7 900 余公里。 对已运营轨道交通结构的病害产生机理和治理技术将成为未来全新的研究领域。对于工程技术人员来说,根据地铁隧道变形数据分析病害成因、甚至能提前预判病害的发生,从而及时采取结构加固措施更显得尤为重要。
徐宇鹏等以隧道逐环监测数据为基础,研究隧道区间的病害空间分布特征和自相关性,全面掌握地铁隧道运营状态和病害发展趋势。 刘涛等对盾构隧道的病害类型、病害分布、病害发育程度进行调查分析,建立应力 变形 病害间的映射关系,探究盾构管片病害的发展模式与分布规律。邵华等分析了上海地铁盾构隧道收敛变形数据库中赋存地层、隧道埋深、收敛变形等不同样本元素对于盾构隧道收敛变形的影响规律。 柳献等基于足尺试验,对比分析了地铁隧道衬砌结构正常运营状态的变形、周边扰动下的破坏模式与极限承载力。 谢家冲等基于某软土地区城市地铁 1 号线的实测数据,统计分析该地铁线路整体与典型区间的病害情况与裂缝分布特点。 另外一些学者则采用数值模拟等理论方法分析盾构隧道病害、结构损伤及断面变形特征。 另一方面,基于对病害发生原因和特征的研究,也开展了许多隧道病害治理的工程实践。
本文通过对南京地铁 3 号线九龙湖站—诚信大道站盾构区间隧道变形监测、结构检测数据的统计与对比分析,重点研究了管环收敛形态、数值大小与病害发展、分布特点等指标的相关性。
1 病害统计及检测
南京地铁 3 号线九龙湖站—诚信大道站为盾构法 施 工 区 间。 隧 道 管 片 错 缝 拼 装, 外 径 为6. 2 m、内径为 5. 5 m、环宽为 1. 2 m,连接件采用弯螺栓进行连接。 线路上行线长 1 324. 022 m、下行线长 1 349. 696 m,其中 46. 4% 穿越地层位于软塑—流塑粉质黏土层中。 其自 2015 年 4 月 1 日投入运营至今隧道内普遍出现腰部收敛值较大、裂缝掉块、渗漏、错台及壁后空鼓等病害。 通过对管片病害检测,为与监测数据的对比研究获取了大量基础数据资料。
1. 1 管片裂缝
上行线共检测出 47 环管片出现裂缝、同时有46 环管片出现掉块或崩角;下行线共检测出 132环管片出现裂缝、同时有 25 环管片出现掉块或崩角。 出现裂缝及破损的管环占总量的 11. 1%,裂缝主 要 集 中 在 1 023—1 099 环 管 片 ( 上 行)、1 064—1 102 环管片(下行)。 单环管片开裂数量1~10 条,如图 1 所示。
图 1 区间隧道管片裂缝数量统计图
1. 2 管片错台
上行线共检测出 29 环管环间错台,错台量20~36 mm,如图 2 所示。 错台弧长 0. 72 ~ 4. 32 m,主要分布在拱顶±45°范围内;下行线共检测出 72 环管片错台,错台量 20 ~ 32 mm,错台弧长 0. 72 ~3. 36 m,主要分布在拱顶-60°~65°范围内。
图 2 区间隧道管片错台量统计图
1. 3 管片渗漏水
上行线共检测出渗漏水 119 处,其中渗漏面积>0. 2 m2 的有 79 处。 最大渗漏面积 9. 5 m2,发生在 760 环。 下行线共检测出渗漏水 316 处,其中渗漏面 积 > 0. 2 m2 的 有 208 处。 最 大 渗 漏 面 积13. 17 m2,发生在 1 051 环,如图 3、4 所示。
图 3 上行线隧道管片渗漏面积统计图
图 4 下行线隧道管片渗漏面积统计图
由于渗漏主要发生于拱腰部位,未发现隧道有滴漏或线流现象,如图 5 所示。
图 5 管片渗漏图
1. 4 壁后空鼓
对上述管片裂缝、错台及渗漏集中区域 500—600 环管片、1 000—1 110 环管片进行管片壁后密实性检测,测点位置布置在每条隧道拱腰位置,实测成果如图 6 所示。
图 6 隧道壁后欠密实区管片分布图
1. 5 混凝土强度
根据图 1 统计数据,对裂缝数量较多的管片开展强度及碳化深度检测,以判别其结构和耐久性标准是否满足设计要求,统计结果如表 1 所示。
表 1 混凝土强度及碳化深度检测结果汇总表
由表 1 数据分析可知,裂缝环管片混凝土实际强度推定值均大于设计强度 50 MPa,且其与裂缝数量、收敛等无正向比例关系。 结构收敛不会成为管片混凝土强度及耐久性标准降低的主要诱因。
2 管环收敛变形
2. 1 收敛变形量实测
上、下行线管环逐环收敛变形量测量结果如图7、8 所示。
图 7 上行线逐环管片收敛值统计图
图 8 下行线逐环管片收敛值统计图
2. 2 收敛形态分析
由于施工拼装误差和运营期受荷作用影响,上、下行线隧道均不同程度产生椭圆化变形,且该椭圆长轴与隧道水平线偏转角 1° ~88°,绝大部分偏转角度处于 1°~30°(图 9)。 随着偏转角变化,隧道管环腰部呈现所谓“外扩型”和“收缩型”收敛形态。 有98%的管片环呈现拱腰“外扩型”收敛变形形态,且收敛数值自 1~102 mm 广泛分布;而仅有 38 环管片呈现拱腰“压缩型”收敛变形形态,且收敛数值最大49 mm,仅为“外扩型”数值的一半,见表 2。
图 9 隧道收敛形态示意图
表 2 隧道收敛数据统计表
3 收敛与病害及结构性能相关性
3. 1 管片裂缝
上、下行线共 2 200 环管片,每一环管片裂缝数量与水平收敛值对应关系如图 10 所示。 对裂缝较多的 5 环管片,进行裂缝宽度、长度测量,其中裂缝宽度≥0. 2 mm 有 3 条,裂缝长度 1. 2 m 有 22条,如表 3 所示。 代表性管环的裂缝开展图如图11 所示。
图 10 管环收敛值与裂缝数量关系图
图 11 管环裂缝展开图
排除离散性较大的数据,对各级裂缝与所对应的最小水平收敛值进行指数曲线拟合可见,随着管片水平收敛值逐步增大,其对应的管环裂缝数量也呈单调增大的趋势,这与张金红等对杭州地区软土盾构隧道的研究成果基本一致。 当某一环管片收敛值达到 60 mm 以上时,最多可能出现 8 条裂缝。 由表 3 可见,收敛值>60 mm 时,裂缝最大宽度均已达到或接近设计标准值 0. 2 mm,且均为纵向贯通裂缝,局部出现湿渍。 目前,南京地区对管片采取洞内钢环加强措施的标准为收敛值 >80 mm。 建议对软土地区盾构隧道将钢环加固标准减小为 60 mm。
表 3 隧道收敛值与裂缝宽度、长度关系表
管环裂缝发生位置主要位于拱顶位置邻接块,这与其“外扩型”收敛特征条件下管环顶内侧承受较大弯矩相关。
3. 2 管片错台
上、下行线共 2 200 环管片错台量与水平收敛值对应关系如图 12 所示。 对隧道内管片拼缝存在明显错台的发生位置及错台产生频率统计如图 13所示。
图 12 管环收敛值与错台量关系图
图 13 管环错台位置分布图
由图 12 可见,管片错台量离散型较大,其与收敛值大小没有明显的正向关关系。 这主要是由于错台量不仅受本环管片、还受到邻近环管片断面变形的影响。 图 13 显示管片错台较大的位置主要发生于下半断面 3—5 点、7—9 点 60°扇形区域内,尤其是 4 点和 8 点两侧各 15°区域内发生错台数量最多,占 测 量 点 位 的 92. 1%, 这 与 管 片 收 敛 形 态图(图 9)相符。
3. 3 管片渗漏水
单个湿渍面积>0. 2 m2 的渗水面积与水平收敛值对应关系如图 14 所示。 上、下行线各 1 100环管片渗漏发生位置及渗漏面积统计如图 15、图16 所示。
排除离散性较大的数据,对渗漏面积与所对应的最小水平收敛值进行指数曲线拟合可见,随着管片水平收敛值逐步增大,其对应的管环渗漏面积也呈单调增大的趋势。 4 m2 以下的渗漏在 10 ~80 mm 收敛数值区间内都普遍存在,大于 4 m2 的渗漏只有在收敛值达到 30 mm 以上时才开始出现。
图 14 管片渗漏面积与收敛值关系图
图 15 上行线管片渗漏面积及其分布图
图 16 下行线管片渗漏面积及其分布图
图 15—16 表明,除隧道底部有道床覆盖区域未检测出渗漏外,渗漏面积较大的部位主要分布在隧道拱腰水平线上、下各 30°范围,与 3. 2 节所述椭圆长轴偏转角度处于 1 ~ 30°之间的规律高度一致。 以上进一步证明了隧道收敛变形是管片渗漏的主因,且渗漏常发生于“外扩型”椭圆长轴位置。
3. 4 壁后空鼓
隧道管片壁后空鼓现象与水平收敛值对应关系如图 17、图 18 所示。
图 17 500~ 600 环壁后密实性与收敛值关系图
图 18 1 000~ 1 100 环壁后密实性与收敛值关系图
图 18—19 中上、下行隧道收敛值大小与壁后空鼓病害的产生并不存在十分明显的关联性。 未发现壁后有空鼓的隧道段收敛变形速率明显大于其余区段,变形趋势基本稳定。 壁后空鼓形成的原因是复杂的:隧道施工时注浆填充效果、长期地下水作用、列车运营振动等均可能导致壁后空鼓,收敛数值较大的区段并不一定产生空鼓,反之亦然。
4 结论
(1)隧道管环椭圆化收敛形态主要以水平向“外扩型”为主,其长轴方向与水平线偏转角多处于±1° ~ ±30°之间。
(2)管环收敛数值与裂缝数量、渗漏面积基本成正相关,但是与结构强度、错台量及壁后空鼓无明显相关性。
(3)软土地层内隧道当收敛值>60 cm 时,管片纵向贯通裂缝数量明显增多,且最大宽度已达到或超过设计标准值 0. 2 mm。 建议对软土地区盾构隧道将钢环加固标准调整为 60 mm。
(4)管片渗漏部位常发生于隧道水平线附近±30°范围,这与“外扩型”收敛椭圆长轴方向产生最大变形量 Δmax 的范围相一致,进一步验证了管片收敛变形是导致接缝渗漏的主要成因。
摘自《地下空间与工程学报 》