运营隧道内衬修复技术及其适用性分析

罗 涛

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

1 概述

文章依托既有盾构管片钢内衬修复设计、施工工程项目，对盾构法隧道应用钢内衬修复技术的可行性、关键应用技术及突出问题进行研究。通过工程类比、理论分析、数值模拟、考察调研与现场施工、监测相结合的研究手段，将理论与实际相结合，力求掌握钢内衬修复技术。

2 内衬修复技术

2.1 技术简介

盾构法是地铁区间隧道施工中常用的工法之一，具有施工速度快、地面沉降小、施工过程安全、环境影响小、造价可控等优点，在国内城市地铁建设实践中得到了大量推广和全面应用，并取得了良好的技术经济效益。

然而盾构法由于其自身施工工艺特点，对于成型隧道病害的处理存在其特有的难点，一是由于土体共同作用，隧道变形往往伴随周边岩土体的变形，结构侵限后处理后恢复难度大。一般仅有调线调坡、压缩限界、重新修建三个途径。二是由于结构厚度较小，一般仅为300～350mm，发生损坏后修复手段少。当管片结构受到如裂缝、崩角、小程度错台之类的损伤，可采用高强度材料封堵裂缝、修补结构等较为简单的工艺处理解决；但如果出现横、纵向收敛变形，结构不均匀沉降后一般伴随区域性的结构破损，限界侵限，情况严重的可能会导致隧道管片结构的百年耐久性受到影响，需要采取较强措施弥补管片的结构性能损失。因此，当盾构隧道结构变形发展到一定程度后，受某些因素影响排除置换管片结构的方案后，一般可供建设方选择的方案就只有隧道内壁附着钢内衬的补强方案。

2.2 钢内衬实施的前提条件

一般的隧道结构破坏不是非常严重，隧道内净空满足限界条件，经注浆、卸载等各种处理措施后隧道沉降、变形稳定，内衬实施期间无渗漏水时，可使用钢内衬技术。

2.3 钢内衬加固材料及工艺

（1）材料。①钢板：Q345钢材，厚度20mm、30mm。②螺栓：适用于开裂混凝土特种M16锚栓。临时固定锚栓应使用能迅速进入受力状态的机械锚栓；其他部位应使用化学锚栓，其材料耐久性能应尽可能与地铁隧道结构服役时间相匹配。③刚性环氧树脂粘贴剂。④轨底橡胶绝缘垫片。⑤阻燃型SPUR涂层。

（2）施工工艺。①隧道内轮廓扫描，钢内衬制作。②管线改排。③堵漏。④手孔封堵。⑤钢环安装。钢内衬紧贴既有限界，由下往上对成安装，用膨胀螺栓临时固定，空腔部分采用环氧树脂填充。道床两侧设置牛腿支架，并在道床上部通过钢拉条连接，从而形成整环受力结构。压注环氧树脂，环形钢板就位后采用环氧胶泥进行封堵；利用钢板面预留的压浆嘴及钢环侧边的溢浆孔安装压浆嘴，压注树环环氧树脂。

3 某地铁钢内衬修复项目

3.1 项目背景

某城市地铁盾构隧道施工期间右线始发掘进约200m后盾构机发生机械故障，掘进能力急剧下降，为保证施工安全和节点工期，同时考虑到事故区域道路下方的市政管线较多、车流量较大、人口密集，无法改用明挖工艺，在短时间内应急处置后，于右线掘进方向前一段距离自行设计、施工一座宽11.7m、长15.7m的临时盾构工作井，用于应急拆解更换盾构机。

盾构机拆解更换之后，未慎重考虑过渡方案，采用盾构空推通过盾构井。通过后竖井采用杂填土配合型钢梁支撑的方式回填，直接造成井内回填土的压实度较差，引发持续的工后沉降。后续空推通过时因盾构机二次始发反力不足，上部千斤顶无法正常加力，导致隧道环向变形和纵向错台及变形严重，尤其上部管片拼装错台严重超过规范。

经过现场踏勘及数据采集、分析显示，区间左线208环前后隧道发生较严重变形。横轴外扩达到15.6cm，纵轴收敛最大值也达到了约14cm。发生椭变大于50mm的管片结构共有10环，均位于竖井结构之内。

截至治理方案确定，204～215环范围内管片收敛径长与标准圆差值范围为37～181.4mm。管片开裂64处，多为长度1.2m的贯穿裂缝，裂缝宽度范围0.31～1.32mm不等，裂缝深度12～30cm不等。但出现渗水情况较少，偶尔可见拱腰裂缝及二次注浆孔渗水，丰水季节可见大面积湿渍。

3.2 修复标准

修复工作开展初期，工作组首先需要对损伤区间制订一个合理的处理标准。如在何种情况下需要启动钢内衬修复工艺，以及采用多厚、多宽如何分幅的钢板，采用何种牛腿形式及注浆材料。考虑当时暂定每1.2m为40万元的处理价格，若修复范围过大将带来较高的运营处理费用，而过小也会使后期运营期间的风险无法消除。鉴于当地并无相关的工程案例、经验，工作组首先对国内有施工经验的几个城市进行了考察，部分考察情况如下：（1）深圳地铁1号线钢板加固控制指标：≥0.2mm裂缝注浆封闭处理，管片环水平拉伸变形量≥70mm或管片纵向贯穿裂缝≥0.2mm。（2）武汉地铁4号线：管片受损较严重，受损面积达到5%约1m2左右，采用整环不骑缝加固，宽度800mm。隧道径向变形较大，横径变形＞80mm，竖径变形＞100mm，设置整环加强钢环。（3）广州地铁1号线：裂缝宽度＞0.3mm或者椭变率超过25‰，径向收敛达到80mm以上的管片，采用850mm宽钢内衬支护。（4）上海地铁：外径6200mm，内径5500mm，350mm管片，直径变化量120mm（钢板衬结构结构）。

工作组在综合考虑上述城市的实际事实及实施标准后按照当地地铁公司的相关指导意见，暂定对椭变＞80mm的管片环实施不骑缝钢内衬加固，加固管片环内表面内衬厚度20mm，牛腿内衬钢板厚度30mm。

4 钢内衬应力的模拟

钢内衬结构安装以后，管片结构变成了一个由原有钢筋混凝土管片+螺栓与刚性环氧树脂、内衬钢板、连接锚栓形成的多相综合应力结构，其应力状态较为复杂，传统的力学模型及理论较难对其实际应力状态做出准确模拟。因此有必要通过有限元分析的手段进行模拟分析，同时进行现场足尺全环加载试验。参照同济大学及华南理工大学相关实验数据及结论，根据试验荷载位移曲线，可将管片衬砌破坏过程划分为四个阶段：

（1）螺栓应力不增加阶段（0～110kN）。管片变形量线性增加，变形量较小。

（2）螺栓屈服前（110～250kN）。螺栓应力逐渐增大，衬砌结构变形增大，管片结构刚度逐渐减小。

（3）螺栓强化阶段（250～418kN）。螺栓屈服后，螺栓刚度减小，管片结构刚度进一步减小，变形速率增大。

（4）螺栓达到极限应力（418～446kN）。接缝外弧面混凝土达到极限强度后，管片结构刚度大大降低，结构变形加快，直至结构破坏。

加载试验期间采用了施加钢内衬加固和未加固的两套结构进行对比试验，对比试验结果显示，钢内衬加固后，管片衬砌环结构刚度大大提高，结构变形大大减小；钢内衬加固后，管片衬砌环结构极限承载力试验结果为568kN，管片衬砌环结构极限承载力提高了38%。接缝位置及张开量如图1所示。

5 内衬技术适用性分析

5.1 限界适用性

根据现有管线改排经验，一般横向椭变最为紧张的是顶部接触网位置。以6m外径管片限界为例，从隧道顶部往下依次要满足合计4375mm的限界空间，而隧道轨面距离隧道顶部理论距离为特殊减震4480mm，一般减震为4560mm。如果计入规范允许的工后沉降及施工误差累加100mm，剩余空间为特殊减震4380mm，一般减震为4460mm，仅剩余5～95mm纵轴形变量，无疑是非常紧张的。

5.2 材料耐久性

图1 接缝位置及张开量图表

钢内衬中与管片结构相锚固的化学锚栓，作为钢内衬应力安全储备的一个环节，其耐久性难以与内衬及管片结构相匹配。问题主要体现在化学锚固胶的老化，随着使用时间的推移其力学性能逐步下降，最终使锚栓连同锚固胶一同拔出锚固体并被破坏。目前，仅部分厂家可提供锚固胶50年及以上耐久性的认证报告（企业认证），但其与管片的百年设计使用寿命仍有一定差距。

5.3 内衬结构的可置换方案

由于钢内衬结构存在耐久性不匹配的风险，因此有必要研究其拆卸替换的方案。同时，当其施工质量出现局部缺陷时，拆卸内衬也是较好的弥补方案。

6 结论

（1）隧道形变病害治理的根本在于隧道自身结构与外界岩土环境之间的协调，任何的隧道修复技术均需要从了解隧道的外界岩土环境入手，从根本上消除隧道形变的根源后，方可启动内部修复工作。

（2）隧道施加钢内衬之后其结构承载能力有所增强，对变形也有良好的抑制作用，随钢板宽度、厚度、环氧树脂的抗拉强度的增加而上升。

（3）钢内衬承受超负荷荷载之后，环氧树脂与混凝土管片结合面剥离形式被破坏，但其破坏征兆不明显，表现为脆性破坏。未充分发挥钢板的力学强度，从结构力学的角度上来讲是有些浪费的，后期有待新技术、新工艺在这个方面做出突破。

（4）目前已完成的钢内衬修复实体，投入使用至今不足10年，其耐久性与隧道设计寿命匹配的情况还存在疑问。