隧道管片開裂地層結(jié)構(gòu)法建模研究及修補技術(shù)

劉永利

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司，天津 300350）

1 前言

盾構(gòu)法是目前城市軌道交通隧道施工的重要施工技術(shù)，裂縫、滲漏水等管片質(zhì)量缺陷是盾構(gòu)隧道建設(shè)中的常見問題。采用數(shù)值模擬方法檢測管片質(zhì)量時，盡管以擴(kuò)展有限元法可以判定出管片結(jié)構(gòu)損傷范圍，但是容易忽視裂縫寬度等開裂狀態(tài)，也沒有考慮到隧道擾動范圍內(nèi)土體特性的干擾，對管片開裂問題的研究存在一定局限性[1]。

根據(jù)相關(guān)研究可知，管片裂縫的特征和管片自身質(zhì)量、施工擾動、地質(zhì)條件等因素相關(guān)[2]。本文對南京市軌道交通7號線曉莊站ü萬壽村站區(qū)間施工過程中出現(xiàn)的盾構(gòu)管片開裂情況展開調(diào)查，采用地層結(jié)構(gòu)法，借助DIANA10.3程序分析管片鋼筋混凝土的非線性數(shù)值及裂縫特征，同時考慮土體與結(jié)構(gòu)對管片的共同作用，研究影響管片開裂現(xiàn)象的因素和管片裂紋分布特征，并提出可行的管片治理措施，最終效果良好。

2 工程概況

南京市軌道交通7號線曉莊站ü萬壽村站區(qū)間出曉莊站后沿棲霞大道北部往東，靠近曉莊廣場隧道，下穿中石化鐘樓加油站、邁皋橋法庭、人行天橋，過錦湖輪胎廠東南角、燕華花園，再下穿怡寧路，靠近緯一路高架后至萬壽村，如圖1所示。上下行線起訖里程均為DK26+930.846～DK28+055.337，區(qū)間上下行線路總長度為2 240.731 m。區(qū)間平面曲線最小轉(zhuǎn)彎直徑為900 m，最大坡度為16.815‰，為上坡。隧道頂部埋深為13.16～25.761 m。隧道周邊土體從下到上依次是圓礫層、粉砂、軟土層和粉土層，上軟下硬。由于軟土層的壓縮性高、擾動性大，而且深度較深，南京市軌道交通7號線隧道面臨的主要施工環(huán)境不利于施工的開展。

圖1 曉莊站－萬壽村站區(qū)間平面示意圖

隧道盾構(gòu)襯砌管環(huán)管片設(shè)計厚度為350 mm，寬度為1 200 mm，隧道盾構(gòu)襯砌管環(huán)由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊共同組成，管片混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B等級分別為C50和P12。標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)構(gòu)造圖

3 管片裂縫基本情況

通過對區(qū)間隧道盾構(gòu)管環(huán)開裂情況進(jìn)行詳細(xì)檢查，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)管環(huán)管片存在一些縱向裂縫，而且大部分分布于隧道頂部區(qū)域，出現(xiàn)管片開裂問題的隧道內(nèi)實景如圖3所示。詳細(xì)局部區(qū)域開裂情況如下。

圖3 隧道內(nèi)管片開裂實景示例（415環(huán)2點位）

（1）415環(huán)2點位，寬度0.02 mm，長度50 cm。

（2）416環(huán)12點位，寬度0.02 mm，長度52 cm。

（3）418環(huán)12點位，寬度0.02 mm，長度20 cm。

（4）422環(huán)1點位，寬度0.01 mm，長度30 cm。

（5）438環(huán)12點位，寬度0.02 mm，長度45 cm。

（6）442環(huán)1點位，寬度0.02 mm，長度55 cm。

4 地層結(jié)構(gòu)法建模研究管片開裂特性

4.1 地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模型構(gòu)建

地層結(jié)構(gòu)法基于構(gòu)建的地層結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算分析。管片裂縫是隧道內(nèi)力響應(yīng)最直接的表現(xiàn)之一。盾構(gòu)管片開裂的主要原因是管片制造養(yǎng)護(hù)過程不科學(xué)、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制不到位，另外，施工擾動、地質(zhì)條件等因素也一定程度上影響管片質(zhì)量。本文同時考慮襯砌環(huán)內(nèi)管片間的相互影響以及管片受到的土體作用，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]構(gòu)建的數(shù)值模型對隧道盾構(gòu)管環(huán)展開分析，相關(guān)尺寸、參數(shù)如圖2、表1所示。

表1 管片鋼筋以及混凝土建模參數(shù)

篇幅所限，本文僅研究地鐵區(qū)間開挖后，在地應(yīng)力作用下的管片混凝土開裂情況。模擬中，借助管片內(nèi)外側(cè)縱筋進(jìn)行詳細(xì)計算，獲得鋼筋等效厚度，數(shù)值分別取2.04 mm和1.98 mm。隧道盾構(gòu)管片切向剛度為3h 1 011 N/m3，法向剛度為1h 1 013 N/m3。

地層結(jié)構(gòu)法數(shù)值模型示意圖如圖4所示。地層模型長（x）為20 000 cm，高（y）為8 000 cm，土體網(wǎng)格大小為1 000 cm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)研究。圖4中，θ代表環(huán)內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)角度；h代表地表和隧道頂部間距；另外對靜止土壓力系數(shù)K0以及彈性模量Es進(jìn)行綜合考慮，便于參數(shù)研究。

圖4 地層與管環(huán)模型示意圖

4.2 地層條件影響

由于模型中的隧道結(jié)構(gòu)借助實體而建模，為有效評定隧道管片開裂情況，制定開裂率[4]指標(biāo)，詳見公式（1）。

開裂率=已開裂積分點數(shù)量r管片單元積分點數(shù)量總和h 100%。 （1）

圖5、圖6依次為管片最大裂縫寬度、隧道開裂率受到地層彈性模量的作用線性圖。把Es、K0和h這3個關(guān)鍵參數(shù)作為重點進(jìn)行敏感性分析研究。依據(jù)軟土地區(qū)城市土層性質(zhì)特點[5]，并按照參考文獻(xiàn)[6-8]的方式對土層特性參數(shù)進(jìn)行取值，進(jìn)行計算工況的構(gòu)建，如表2所示。

圖5 最大裂縫寬度受地層彈性模量作用線形圖

圖6 開裂率受地層彈性模量作用線形圖

表2 工況計算

由圖5分析得到，當(dāng)?shù)乇砼c隧道頂部間的距離h為35 m時，彈性模量Es為75 MPa，裂縫寬度增長出現(xiàn)非線性拐點。在h較大和彈性模量Es較小的條件下，靜止土壓力系數(shù)K0導(dǎo)致的最大裂縫寬度最大；當(dāng)?shù)乇砼c隧道頂部間的距離h為15 m時，最大裂縫寬度受到Es和K0的變化的影響最不明顯。

由圖6可知，當(dāng)?shù)乇砼c隧道頂部間的距離h和靜止土壓力系數(shù)K0變化時，彈性模量關(guān)系曲線斜率大致相同，但是開裂率隨著彈性模量Es的增加呈下降趨勢，而且降低速率隨著彈性模量Es的增加逐漸平緩。另外，隨著彈性模量Es的降低，開裂率增長趨勢比較明顯，以h=35 m、K0=0.3的工況為例，彈性模量Es為125 MPa時開裂率為48%，彈性模量Es為25 MPa時開裂率為21%，下降128.6%，即損傷范圍的積分點下降數(shù)量減少1倍。將最大裂縫寬度變化情況與之進(jìn)行對比，當(dāng)彈性模量Es值比較大時，開裂率的變化受到h和K0的變化影響較大，如果K0為0.5、彈性模量Es為125 kPa，則h分別為35 m、25 m和15 m時所對應(yīng)的開裂率依次是10%、6%和0%。

當(dāng) 彈 性 模 量Es為50 MPa、K0為0.5時，h為35 m、25 m和15 m時所對應(yīng)的裂縫寬度及開裂因子云圖如圖7所示。開裂因子Icr[9]可以依據(jù)公式（2）進(jìn)行計算：

圖7 不同埋深時裂縫寬度及開裂因子云圖（擴(kuò)大80倍）

式（2）中：ft代表混凝土抗拉強(qiáng)度，也是研究對象的最大的主應(yīng)力。

圖7為擴(kuò)大80倍的不同埋深環(huán)境下裂縫寬度及開裂因子云圖，對圖中隧道盾構(gòu)管環(huán)模型外側(cè)環(huán)的開裂因子云圖與盾構(gòu)管環(huán)模型內(nèi)側(cè)環(huán)開裂因子云圖展開分析比較，開裂因子云圖中數(shù)值臨近0的區(qū)域代表該范圍混凝土最大主應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度。

當(dāng)h為35 m時，隧道盾構(gòu)管環(huán)模型左右拱腰內(nèi)部區(qū)域有事先預(yù)測的裂紋范圍出現(xiàn)。此外，Es和K0的變化也可以導(dǎo)致目前隧道盾構(gòu)管環(huán)模型開裂范圍的發(fā)展擴(kuò)大。開裂范圍變化模式大致相同，均在原有4個開裂范圍區(qū)域的基礎(chǔ)上發(fā)展擴(kuò)大，由此導(dǎo)致整體開裂率的提高。當(dāng)h為25 m時，隧道盾構(gòu)管環(huán)模型當(dāng)前開裂范圍和預(yù)測開裂區(qū)開裂深度都加深；當(dāng)h為15 m時，隧道盾構(gòu)管環(huán)模型拱頂和拱底內(nèi)側(cè)、左右拱腰外側(cè)都出現(xiàn)小范圍的開裂現(xiàn)象，從開裂因子云圖分析得出其開裂深度將逐漸加深。

總而言之，地層的土壓力由土體與隧道盾構(gòu)管片共同承受，如果彈性模量Es和靜止土壓力系數(shù)K0出現(xiàn)下降，在地應(yīng)力條件下，隧道盾構(gòu)管片開裂范圍顯著擴(kuò)大。另外，隧道外荷載的大小受到埋深的變化影響較大，由此導(dǎo)致隧道盾構(gòu)管片裂紋特征以及內(nèi)力響應(yīng)的變化。

4.3 管片環(huán)旋轉(zhuǎn)角度

為便于針對隧道管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ（按照12點鐘方向順時針旋轉(zhuǎn)角度）展開參數(shù)分析研究，將彈性模量Es為25 MPa、K0為0.5和h為15 m作為基礎(chǔ)地層的參考值。圖8為隧道盾構(gòu)管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度依次提高，即0°、22.5°、45e和90e情況下，隧道盾構(gòu)管環(huán)開裂云圖以及開裂因子云圖。從圖8詳細(xì)分析得到以下結(jié)論。

圖8 管環(huán)不同旋轉(zhuǎn)角度時管片開裂云圖和開裂因子云圖

（1）隧道盾構(gòu)管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ為22.5e時，隧道盾構(gòu)管環(huán)封頂塊內(nèi)部的裂紋不多，拱頂?shù)牧芽p一般在鄰接塊內(nèi)側(cè)出現(xiàn)。在11～12點鐘方位，隧道盾構(gòu)管環(huán)拱頂出現(xiàn)裂縫的范圍比較大，與實際施工的情況相同。另外，拱頂縱向裂縫明顯擴(kuò)大也是導(dǎo)致隧道盾構(gòu)管環(huán)拱頂縱向裂縫更易出現(xiàn)滲漏水情況的誘因之一。

（2）隧道盾構(gòu)管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ為45e時，隧道盾構(gòu)管環(huán)拱頂區(qū)域沒有縱縫接頭。

（3）隧道盾構(gòu)管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ為90e時，封頂塊處于右拱腰，導(dǎo)致應(yīng)力下降。因此，左拱腰相比右拱腰，裂縫的開裂寬度、長度數(shù)值更大。

通過將隧道盾構(gòu)管環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)塊、封頂塊以及鄰接塊三者進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)塊、封頂塊所對應(yīng)的弧度較大、兩側(cè)接頭相對比較遠(yuǎn)。因此，隧道盾構(gòu)管環(huán)封頂塊所處的位置影響拱頂開裂范圍的分布。

區(qū)間隧道采取錯縫拼裝形式，隧道盾構(gòu)管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ依次是+22.5°、-22.5°，因為接頭應(yīng)力釋放導(dǎo)致該側(cè)防開裂的能力提升，所以封頂塊和接頭出現(xiàn)在拱頂某側(cè)。封頂塊旋轉(zhuǎn)到拱腰開裂范圍時也會出現(xiàn)類似特性。若施工區(qū)域地下水比較豐富，則把管環(huán)旋轉(zhuǎn)角度θ設(shè)定為45°。

4.4 建模研究結(jié)果

采用地層結(jié)構(gòu)法對隧道管片開裂地層進(jìn)行建模研究，總結(jié)分析得到：隧道盾構(gòu)管環(huán)開裂大多是縱向裂縫，而且大多集中在隧道拱頂內(nèi)部。另外，位于開裂范圍的封頂塊縱縫顯著擴(kuò)大。而當(dāng)封頂塊不位于4個主要開裂范圍內(nèi)時，開裂范圍基本沒有擴(kuò)大化趨勢。針對隧道盾構(gòu)管環(huán)拱頂縱縫更容易導(dǎo)致滲漏水病害的情況，通過研究發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象是由隧道盾構(gòu)管環(huán)拱頂開裂范圍接頭擴(kuò)大引起的?？梢詫⒐墉h(huán)旋轉(zhuǎn)角度提高一倍，即從f 22.5e變?yōu)閒 45°，從而有效抑制在拱頂處出現(xiàn)的滲漏水現(xiàn)象。

5 管片裂縫整治

5.1 裂縫修補方法明細(xì)表

按照隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫寬度、深度及裂縫滲漏水等不同狀況，因地制宜地采用表面封閉、表面封閉+化學(xué)灌漿、開槽封閉+化學(xué)灌漿等3種不同工藝進(jìn)行裂縫修補，如表3所示。

表3 裂縫修補方法明細(xì)表mm

5.2 材料機(jī)具準(zhǔn)備

化學(xué)灌漿原材料選取AB料，依據(jù)4∶1 進(jìn)行配比的環(huán)氧樹脂。采用微細(xì)裂縫封閉膏對隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫表面進(jìn)行有效密封。選用水泥砂漿和管片修補劑（細(xì)砂 : 快硬水泥= 2 : 1）對隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫進(jìn)行開槽封閉。主要機(jī)械及工具為灌漿泵、抹刀、高壓水槍、抹灰鏟、批灰刀、空壓機(jī)、砂紙、鋼絲刷以及打磨機(jī)等。

5.3 表面封閉工藝

首先采用鋼絲刷對隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫表面附著的灰塵和油污徹底進(jìn)行清除，再用清水仔細(xì)清洗，確保其表面潔凈。接著將隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫用吹風(fēng)機(jī)吹干后，涂抹微細(xì)裂縫封閉膏，然后刮平，確保隧道盾構(gòu)管環(huán)表面的光滑。

5.4 化學(xué)灌漿工藝

化學(xué)灌漿是在隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫處形成密封性空腔，預(yù)留可控制的灌漿進(jìn)出口，采用灌漿泵把漿液壓入隧道盾構(gòu)管環(huán)周邊空腔并將其填滿的工藝，操作順序如下所示。

（1）灌漿嘴安裝。在隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫交叉位置、縫隙較大的位置、端頭部以及裂縫貫穿處進(jìn)行鉆孔，注意保持一定孔距，然后將鉆孔用清水洗凈。灌漿嘴安裝好以后，確保隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫上進(jìn)漿嘴及出漿嘴同時存在。

（2）洗縫。將隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫表面用風(fēng)、水輪流進(jìn)行沖洗（要求水壓低于0.2 MPa，風(fēng)壓低于0.1 MPa）。

（3）封縫。將隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫切成V型槽形式；其中，槽的寬度為20 mm，深度為20 mm。將槽縫渣有效清理后，通過改性環(huán)氧聚合物砂漿將隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫處槽底有效填充并進(jìn)行快速封堵，槽縫外層借助改性環(huán)氧樹脂封縫膠以及聚硫密封膠順著裂縫表面進(jìn)行涂刮封閉，避免隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫表面有漿液溢出[10]。

（4）試壓檢測。試壓通過隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫區(qū)域單孔壓水，仔細(xì)檢查，以確定隧道盾構(gòu)管環(huán)排水孔位置以及灌漿順序；并對隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫區(qū)域封閉效果進(jìn)行檢查，務(wù)必確保漏氣處完全封閉。

（5）灌漿。對隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫區(qū)域灌漿，確保低壓、慢灌、快速固化，最大壓力不大于1 Mpa，不小于灌漿壓力 0.5～1.0 MPa；當(dāng)灌漿孔之間的裂縫表面有漿液溢出時，馬上終止灌漿。管片裂縫注漿孔平面布置圖和剖面示意圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 管片裂縫注漿孔平面位置圖（單位：mm）

圖10 管片裂縫注漿孔剖面示意圖（單位：mm）

（6）封孔結(jié)束。完成隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫區(qū)域灌漿以后3天左右，當(dāng)漿液凝結(jié)達(dá)到規(guī)范強(qiáng)度后，將止水針全部緩慢抽出，用聚合物水泥防水砂漿對針孔進(jìn)行填充。

（7）裂縫表面打磨及調(diào)色。仔細(xì)打磨隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫區(qū)域及針孔填充位置，再用與隧道盾構(gòu)管環(huán)混凝土同色的水泥砂漿展開調(diào)色涂刷處理。

5.5 開槽封閉工藝與最終成品驗收

順著隧道盾構(gòu)管環(huán)裂縫長度方向開出U型槽，寬度10 mm左右、深度12 mm左右，用鋼絲刷清除干凈，嵌入環(huán)氧砂漿以后再將其壓實抹平，然后用刮刀將裂縫表面徹底清理，確保整潔。

隧道盾構(gòu)管環(huán)管片裂縫整治完成后，經(jīng)過現(xiàn)場質(zhì)檢全部合格。

6 結(jié)束語

本文依托南京市軌道交通7號線曉莊站ü萬壽村站區(qū)間施工過程中出現(xiàn)的隧道盾構(gòu)管環(huán)管片開裂情況和特性，采用地層結(jié)構(gòu)法建立隧道整體模型，并展開非線性數(shù)值研究，同時針對裂縫展開整治，總結(jié)如下。

（1）隧道盾構(gòu)管環(huán)管片開裂范圍在地應(yīng)力作用下，隨著靜止土壓力系數(shù)以及彈性模量的升高而下降。

（2）假如盾構(gòu)管環(huán)管片開裂范圍與預(yù)測開裂范圍深度在原有基礎(chǔ)上逐漸縮小，隧道整體開裂率隨著埋深減小而下降。

（3）明確拱頂裂紋分布情況會因為封頂塊位置的變化而變化。

（4）根據(jù)隧道盾構(gòu)管環(huán)管片開裂情況，提出化學(xué)灌漿工藝、表面封閉工藝、開槽封閉工藝展開整治，施工結(jié)果表明，該施工技術(shù)方案快捷，有效提高管片襯砌質(zhì)量，起到良好的防滲效果。