既有地铁隧道变形检测及安全评估实例探讨.pdf

第 54 卷第 17 期 2023 年 9 月Vol.54 No.17 Sep.20232157 建 筑 技 术 Architecture Technology既有地铁隧道变形检测及安全评估实例探讨翟永亮（郑州一建集团有限公司，450046，郑州）摘要：针对郑州地铁 1 号线某运营区间隧道变形管片安全性进行评估探讨。通过三维激光扫描对管片收敛值较大的管环进行全面检测，查明病害情况。通过模拟计算和分析评价管片的承载能力和耐久性，并提出了针对本区间变形管片的评估建议。关键词：地铁；既有隧道；收敛变形；安全评估中图分类号：TU 74 文献标志码：A 文章编号：1000-4726(2023)17-2157-03dIscUssIon on defoRmatIon detectIon and safety assessment of exIstIng sUbWay tUnnelsZHAI Yong-liang(Zhengzhou No.1 Construction Group Co.,Ltd.,450046,Zhengzhou,China)abstract:This paper discusses the safety assessment of tunnel deformation segment in an operation section of Zhengzhou metro line 1.Through 3D laser scanning,the pipe ring with large segment convergence value is comprehensively detected to find out the disease.Through simulation calculation and analysis,the bearing capacity and durability of the segments are evaluated,and the evaluation suggestions for the deformed segments in this section are put forward.Keywords:subway;existing shield;convergent deformation;safety assessment随着城市化进程的加快和不断完善，城市轨道交通系统也得到了快速的发展，截至 2022 年年底，我国共有 55 个城市开通了城市轨道交通项目，运营总里程达到 10 291.95 km，其中地铁 8 012.85 km，占比77.85%。地铁隧道经过长时间的服役，受环境腐蚀，材料老化，在荷载的长期效应、疲劳效应与突变效应等灾害因素的耦合作用，不可避免地导致结构产生损害，甚至在极端情况下导致结构失效。为保证列车的安全运行和乘客的人身安全，隧道结构的健康度评价也越来越受到大家的重视。周耀1首次提出地铁车站结构健康监测设计方法，并结合北京地铁号线国贸站建立国贸站健康监测系统；苏涛2结合工程实例在施工前采用三维建模的计算方法进行安全评估，再结合施工过程中的监测数据，实时分析地铁隧道结构及轨道道床等变形情况，有效地指导工程施工；杜亚楠3结合北京地铁多个区间隧道衬砌结构的运营现状及运营隧道区间检测与监测资料，在已有隧道健康评估研究的基础上，考虑地铁隧道不同施工方法的特点，建立基于云模型的综合评价方法，并完成隧道二次衬砌健康诊断系统的开发；朱杭琦等4运用地质雷达与三维激光扫描技术结合的方式，对该隧道结构进行了详细检测，并通过MIDAS 软件建模计算极限承载力，最后对结构安全性做出评估。郑州地区地铁隧道在“720”特大暴雨自然灾害后全部进行了三维断面扫描，并对隧道结构严重的病害进行安全评估和加固处理。针对郑州市地铁 1 号线某区间运营隧道收敛值大于 70 mm 的环片进行裂缝、错台、渗漏等问题检测，在对工程设计、施工与验收资料的收集和检查与现状检测的基础上，采用数值计算的方法，根据三维激光扫描结果，反算隧道单环结构的内力，判断管片承载能力和耐久性是否满足设计要求，并根据现场病害检测数据对管片使用性进行进一步评估。1工程概况郑州地铁 1 号线某盾构区间盾构法施工，线路右线全长 2 212.110 m，设 2 条平曲线，曲线半径分别为450 m、350 m。区间隧道埋深 1628 m，主要穿越土层为第四纪全新统、上更新统的粘质粉土、粉质粘土、粉砂和细砂层，地下水位在地面以下 1.05.8 m。盾构法施工区间隧道采用外径 6.0 m、厚度 0.3 m的平板单层预制钢筋混凝土管片衬砌，预制钢筋混凝土管片强度等级为 C50，连接螺栓强度等级为 M27收稿日期：20230718作者简介：翟永亮（1983），男，河南封丘人，高级工程师，e-mail:.建 筑 技 术第 54 卷第 17 期2158级管片宽度 1.5 m，每环管片采用 3 个标准块 A，2个邻接块 B、1 个封顶块 K。管片断面采用平面式，环、纵缝接触面皆不设榫槽，仅设置密封垫处留有沟槽。衬砌纵缝、环缝采用弯螺栓连接，其中每环纵缝采用 12 根 5.8 级 M27 螺栓，每个环缝采用 16 根 5.8级 M27 螺栓。管片环与环之间采用错缝拼装。区间标准衬砌环构造如图 1 所示。B1TB2TA3TA2TA1T图 1 区间标准衬砌环构造示意2隧道变形及检测情况本区间在 2021 年“720”特大暴雨灾害后对整条隧道进行了三维激光扫描，重点对隧道收敛值大于70 mm 的管片（共 18 环）进行了健康检测和评估，主要检测项目包含管片病害（破损、渗水、裂缝）检测、断面扫描检测、纵缝、环缝错台检测、纵缝、环缝张开检测、混凝土强度检测，详细调查隧道管片破损、渗漏水、裂缝分布情况，统计分析隧道病害数量和分布形式。2.1 上行线检测统计（1）破损。共检测 17 环，其中 8 环存在破损，共计 10 处，破损面积最大为 8013 cm2，出现在1 177 环 B2 块环缝处，现已修复。（2）渗漏水。共检测 17 环，仅发现 1 处渗漏病害，位于 1 170 环 K 块环缝处。（3）裂缝。共检测 17 环，共计 15 环存在裂缝病害，共发现 80 条裂缝，由检测结果可知，管片裂缝宽度最大值为 0.40 mm（1 404 环），管片裂缝深度最大值为 56 mm（1 404 环）。（4）断面扫描。共检测 17 环，管片直径变形最大值为 7.9 cm，发生在 1 172 环；直径相对变形均大于 6，直径相对变形最大值为 13.17，出现在172 环。（5）错台。纵缝错台共检测 17 环，有 2 环存在超过 10 mm 的纵缝错台，其中最大值出现在 1 175环 KB2 纵缝处，为 16.12 mm。环缝错台共检测17 环，均存在大于 15 mm 的错台，最大值出现在1 1701 171 环拱顶，为 30.08 mm。（6）张开。纵缝张开共检测 17 环，不存在超过6 mm 的纵缝张开，最大值出现在 1175 环左腰 A1B1纵缝处，为 2.26 mm；环缝张开共检测 17 环，不存在超过 6 mm 的环缝张开，最大值出现在 1 1621 163环缝右腰处，为 5.66 mm。（7）混凝土强度。共检测 17 环，检测范围内管片混凝土强度推定值均大于 50 MPa。2.2 下行线检测统计（1）断面扫描。共检测 1 环，管片直径变形值为 8.4 cm。直径相对变形为 12.69。（2）混凝土强度。共检测 1 环，强度推定值大于设计值 40 MPa。3隧道结构安全性评估3.1评估思路在对工程设计、施工与验收资料的收集和检查与现状检测的基础上，对管片承载力与耐久性的评估采用数值计算的方法，根据三维激光扫描结果，反算隧道单环结构的内力，判断管片承载能力和耐久性是否满足设计要求，并根据现场病害检测数据进一步对管片使用性进行评估。对环缝和纵缝连接螺栓的安全性评估采用数值模拟的方法，根据错台检测数据，通过强制施加错台的方法，反算螺栓内力，评价现工况下的螺栓安全性。3.2管片承载力和耐久性评估现使用工况下，基于三维激光扫描成果和材料实测强度参数，采用强制位移法模拟隧道目前变形状态，反算结构的内力、弯矩。通过对该工况下的内力、弯矩分析，校核结构在目前变形状态下各截面是否满足承载能力与耐久性要求。通过对三维扫描隧道变形值超过 70 mm 的 18 环管片的模型计算，在现使用工况下，管片内侧和外侧承载能力均满足要求，但是第 1 172 环管片内侧：计算配筋面积/实际配筋面积=93.54%，管片内侧的承载能力已经非常接近极限，安全余量很小。裂缝控制配筋面积/实际配筋面积=151.39%，大于 100%，计算裂缝宽度可能会超过 0.20 mm，超过最大裂缝宽度允许值，耐久性不满足设计要求。2159翟永亮：既有地铁隧道变形检测及安全评估实例探讨 3.3 基于现状裂缝的耐久性评估依据 CJJ/T 2892018城市轨道交通隧道结构养护技术标准5盾构法隧道结构特别定期检查基于管片裂缝的健康度评定标准应分别按表 1 执行。表 1 基于管片裂缝的健康度评定标准项目评定标准健康度 1 级 健康度 2 级健康度 3 级健康度4 级健康度 5 级裂缝宽度b/mm0b0.2 0.2 b 0.50.5 b 1.01.0 b 2.0b 2.0在评估区间内，上行线第 1 167、1 171、1 173、1 175、1 177、1 404、1 448 环管片最大裂缝宽度大于 0.20 mm，其健康度评级为 2 级；上行线第 457、1 161、1 162、1 163、1 168、1 170、1 172、1 174、1 176、1 178 环管片最大裂缝宽度均小于 0.2 mm，其健康度评级为 1 级。在评估区间内上行线第 1 404 环最大裂缝深度为 56 mm，超出钢筋所在深度 5 mm，其耐久性不满足要求。3.4螺栓安全性评估根据现场检测数据，采用有限元计算的方法，建立环缝和纵缝螺栓三维模型（图 2）。根据现场检测数据对管片施加强制位移荷载，验算在现状错台条件下螺栓的应力分布情况，判断现状错台条件下螺栓的安全性。根据 18 环的实测错台量进行了计算，最大Mises 应力均小于螺栓屈服强度。强制位移固定约束图 2螺栓安全性评估三维计算模型示意4检测与评估建议（1）根据实测数据和验算结果，建议对上行线第 1 172 环管片本体进行加固处理，以便提高管片结构的承载能力、抗变形能力和耐久性能；对于安全储备低的管片，建议进行二次注浆，抑制管片变形和内力进一步增加，并开展持续性监测和定期检测，根据监测和检测结果再采取相应措施。（2）依据 GB 502082011地下防水工程质量验收规范，建议对 1 404 环进行结构先进行裂缝注浆处理，再进行芳纶布加固。裂缝注浆应待结构基本稳定和混凝土达到设计强度后进行，补强加固的结构裂缝注浆宜选用改性环氧树脂、超细水泥等浆液。结构裂缝注浆应符合下列规定。施工前，应沿缝清除基面上的油污杂质。浅裂缝应骑缝粘埋注浆嘴，必要时沿缝开凿 U 形槽，并用速凝水泥砂浆封缝。深裂缝应骑缝钻孔或斜向钻孔至裂缝深部，孔内安设注浆管或注浆嘴，间距应根据裂缝宽度而定，但每条裂缝至少有一个进浆孔和一个排气孔。注浆嘴及注浆管应设在裂缝的交叉处、较宽处及贯穿处等部位；对封缝的密封效果应进行检查。注浆后待缝内浆液固化后，方可拆下注浆嘴并封口抹平。（3）对于出现受力裂缝的管片，若裂缝宽度小于 0.2 mm，建议对裂缝处混凝土表面进行处理；若裂缝宽度大于 0.2 mm，建议对表面进行处理、骑缝环氧树脂注浆，同时进行二次注浆抑制管片裂缝进一步扩展，并开展持续性监测和定期检测，根据监测和检测结果再采取相应措施。（4）对于错台较大的管片，建议后续定期开展的错台量检测，若错台量有进一步发展，需重新进行计算分析。（5）管片加固需要充分考虑区间运营限界要求，加固完毕后进行限界测量，以确保区间满足后续运营要求。（6）管片加固须进行质量检测，并进行加固后安全评估，评价加固后管片整体安全性。（7）管片加固完毕后，对管片继续进行变形跟踪监测，掌握管片后续变形趋势，为进一步管片安全评价提供数据支撑。5结束语主要针对郑州地铁 1 号线某运营区间在“720”特大暴雨后隧道变形量超过 70 mm 管片进行全面健康检测和承载力、耐久性模拟计算和分析，针对承载力富余量较小和现状裂缝较大的管片给出处理建议，为今后类似工况下管片变形和病害的治理提供参考和借鉴。参考文献1 周耀.地铁车站结构健康监测研究 D.北京:北京交通大学,2008.2 苏涛.地铁隧道结构监测与安全评估综合研究 J.铁道勘察,2019(5):813.3 杜亚楠.地铁隧道衬砌结构健康诊断评价方法与系统的开发研究 D.北京:北京交通大学,2021.4 朱杭琦,徐亮亮.基于三维激光扫描技术的地铁隧道健康检测与安全性评估应用 J.城市地质,2022,17(4):493500.5 城市轨道交通隧道结构养护技术标准:CJJ/T2892018S.