地铁联络通道受损管片修复方法的适应性研究

姜智彬

(中铁二十五局集团第五工程有限公司， 266101， 青岛∥高级工程师)

盾构法是地铁区间隧道施工的主要方法，而盾构隧道在施工和运营阶段会由于多种因素而引发相应病害。在盾构推进拼装阶段，隧道可能会因涌水、涌砂导致地表塌陷[1-2]，管片会由于顶推力过大而开裂、破损[3]，隧道还可能存在错台、变形等缺陷[4]。在运营阶段，可能会由于近接施工发生隧道的位移和变形[5]，也会因为隧道老化、结构腐蚀和施工不当等原因导致隧道的开裂、渗漏[6-7]。

针对管片破损问题，国内外已有大量学者对预防检测、原因分析和修复加固等方面进行研究。文献[8]通过数值模拟方法研究了多裂纹的演化特征及其对隧道衬砌性能的影响。文献[9]提出了1种新的基于隧道变形数据的识别方法，以发现隧道衬砌中的损伤。文献[10]介绍了日本隧道的无损检测技术及结构变形的修复方案。内张钢圈整环加固方法是控制大变形的常用方法，文献[11]研究此加固方法后发现，加固后结构的破坏模式主要是钢板与管片的黏结面破坏。

综上可知，现有的地铁盾构区间受损管片修复加固技术大部分位于普通区间段，而对于联络通道内特殊管片区段的研究较少。本文在现有对联络通道的受损管片修复加固技术基础上，依托深圳地铁20号线会展北站至会议中心站区间的联络通道项目，针对现场的管片破损程度进行分区，设计相应的受损管片钢板加固参数，在联络通道开口环设计减缓应力集中的三角钢片，并结合数值模拟和现场监测对所设计的应用效果进行分析，以期为类似的工程案例提供设计参考。

1 工程概况

深圳国际会展中心配套市政项目会展北站—会议中心站区间周边为待开发地块及填海空地，区间地质状况属于滨海滩涂地貌。该区间联络通道兼废水泵房顶部埋深约18.6 m，泵房底板埋深约26.2 m。由于联络通道上部涵盖富水中粗砂层，在施作联络通道及泵房过程中存在地层卸载作用，地层应力发生变化，联络通道局部发生涌水、涌沙，进而造成联络通道处附近管片出现破损和裂缝等病害。如图1所示,受损管片的修复加固区域为受损管片存在隐患的258环至270环,其中,262环处为联络通道开口环。

图1 联络通道受损管片区域

本项目采用内设钢圈的形式对受损隧道进行加固。施工方案为:对收敛变形严重的管片环(259环至267环)每环采用30 mm厚、环宽1 100 mm的钢板进行加固；对受损较为严重的管片环(258环、268环至270环)采用20 mm厚、环宽1 100 mm的钢板进行加固;钢板设置非骑环缝。联络通道已开洞管片应在盾构管片变形稳定后方可进行加固钢圈的施工。图2以259环至263环为例,说明该施工方法的纵横断面设计方案。

2 联络通道受损管片钢板加固模拟

2.1 建立计算模型

根据受损管片钢板加固设计资料，基于圣维南原理，充分考虑边界效应的影响，采用FLAC3D有限元软件建立三维数值仿真模型，如图3 a)所示，数值模型长(x方向)、宽(y方向)、高(z方向)的尺寸为60.3 m×33.0 m×47.0 m。区间隧道管片结构、等代层采用弹性实体单元进行模拟，加固钢环采用shell单元进行模拟，如图3 b)所示。地应力场按自重应力场考虑。

2.2 计算参数选取

根据该涌砂区间的地质勘察报告及土样试验资料，计算模型的地层物理力学参数如表1所示，盾构隧道的支护体系物理力学参数如表2所示。

2.3 加固后混凝土强度分析

钢板加固完成后，选取受损管片254环至275环管片进行分析，其最大拉应力、最大压应力云图如图4所示。由图4可知，受损管片经钢板加固后，混凝土的最大拉应力、最大压应力位于联络通道管片开口处，通道上部出现较大拉应力，在通道下部墙脚出现较大压应力。从联络通道盾构管片开口位置向两侧延伸，其最大拉应力、最大压应力逐渐>减小。

尺寸单位：mm

b) 横剖面

为进一步定量分析，在钢板加固后提取258环至270环管片数据，绘制各环的最大拉应力、最大压应力直方图，如图5所示。从图5 a)可以看出，经过钢板加固后管片的最大拉应力峰值1.305 MPa位于开口环的262环，联络通道开口环两侧的受损管片应力明显减小，其原因是开口环未形成整环闭合，存在应力集中，从而导致出现管片加固后拉应力仍然最大；从图5 b)可以看出，管片最小主应力集中在260环至263环，其峰值为4.692 MPa。与管片受到的拉应力相比，受损管片压应力受到的影响范围更广。

a) 有限差分数值模型

b) 钢板加固shell单元 图3 涌砂区间内受损管片钢板加固计算模型 表1 计算模型的地层物理力学参数

表2 盾构隧道的支护体系物理力学参数

a) 最大拉应力

b) 最大压应力

a) 最大拉应力分布

b) 最大压应力分布

通过计算得到所加固区域受损管片的安全系数。钢板加固后，盾构管片受拉安全系数的最小值为3.8(261环管片拱底处)，该值大于TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》的抗拉要求(3.6)；盾构管片受压安全系数最小值为4.5(263环管片边墙靠近联络通道处)，其值大于《铁路隧道设计规范》的抗压要求(2.4)。因此，钢板加固后的管片混凝土满足设计安全系数要求。

2.4 加固后钢板强度分析

受损管片经钢板加固完成后，钢板自身的最大拉应力、最大压应力云图如图6所示。

a) 最大拉应力

b) 最大压应力

从图6可以得到，加固钢板的拉应力峰值区间位于258环处，最大值为1.162 MPa；加固钢板的压应力峰值位于258环处，最大值为2.084 MPa。提取1#～15#加固钢板的最大拉应力、最大压应力数据作进一步分析，得到1#～15#加固钢板最大拉应力、最大压应力曲线,如图7～8所示。

注：262环中部的白色区域为联络通道开口位置。

a) 最大拉应力分布

b) 最大压应力分布

从图7和图8可以得到，由于钢板加固设计中联络通道左、右侧钢板的加固范围不对称，导致258环的加固钢板远离联络通道开口位置而没有附加钢板来分担土压力荷载，使得1#加固钢板的拉、压应力普遍较大；相反，由于存在有较多钢板分担了压力荷载，因而越远离联络通道开口，加固钢板的拉、压应力越小。

3 受损管片钢板加固实测效果分析

联络通道受损管片经修复之后，为监测管片的应力变化情况，在现场采用预埋式JTM-V1000D型振弦式应力计、JTM-MV20A系列智能型振弦式传感器采集箱进行数据采集。依据现场的处理情况，在联络通道和废水泵房施工完成且盾构管片变形稳定后，对该区间受损严重的区段管片进行加固。修复加固完成后记录受损管片的应力变化值，其结果如图9所示。

a) 拉应力

b) 压应力

由图9的实际监测值可知：受损严重的254环至270环管片经过钢板加固修复后，其拉、压应力均满足管片的安全评定标准，受损管片应力分布规律与模型模拟的规律一致，联络通道开口环(262环)处的管片应力峰值最大。

4 结语

1) 受损管片经钢板加固后，其最大拉应力、最大压应力位于联络通道管片开口处，在通道上部出现较大拉应力，在通道下部墙脚出现较大压应力。沿纵向分布的规律为：从联络通道盾构管片开口位置向两侧延伸，最大拉压力、最大压应力逐渐减小。

2) 受损管片修复完成后均满足设计要求。其中:盾构管片的受拉安全系数最小值为3.8，出现在261环管片拱底处；受压安全系数最小值为4.5，出现在263环管片边墙(靠近联络通道)处。

3) 依据设计方案修复之后，加固钢板自身最大拉应力峰值为1.162 MPa，位于258环处；加固钢板最大压应力峰值为2.084 MPa，也位于258环处。这是由于设计中加固范围不对称，导致1#加固钢板的拉、压应力普遍较大，具体施工时可适当提高较弱侧的加固参数。

4) 本工程联络通道采用全环钢板加固，且在联络通道开口处的钢板环设计有三角钢板块，可有效减小联络通道开口环位置的应力集中现象。依据实测数据，所设计的钢板修复加固方案应用性良好。