【摘要】城市地下環境複雜，施工技術的限制及運營後周邊環境的影響給地鐵隧道襯砌結構帶來極大安全風險，甚至引發影響地鐵運營安全的事故。論文總結城市地鐵隧道襯砌結構的常見病害類型，分析其形成原因及機理，並對目前國內外有效可行的襯砌結構加固方法進行了介紹和分析。
【關鍵詞】地鐵隧道；襯砌；病害；加固
1引言
近幾十年我國城市規模快速擴張，市區交通不暢問題日益嚴峻。城市地鐵作為一種現代化交通方式，以便捷、準時及安全等特點成為人們優先選擇的一種出行方式。截至2018年年底，我國已有35個城市開通了城市軌道交通。其中，地鐵運營里程高達4354.3km，占總里程的75.6%。但由於地下環境複雜、隱蔽性強，且施工技術受周邊既有建築限制，導致地鐵設計中不確定性因素倍增，襯砌結構病害難以控制【1~3】。如2012年杭州地鐵1號線在開通不到一周時間出現3次滲水事故，導致大規模停運。隨著運營時間及里程的增長，隧道結構不可避免地出現性能劣化，進一步加劇了病害的發生機率及危害。如2012年1月下旬，為消除隧道不均勻沉降的累積影響，上海地鐵對4號線海倫路區段封站大修，嚴重影響了市民出行。由此可見，合理辨別隧道襯砌的病害特徵，分析其發生原因並提出切實有效的加固方法是十分重要和必要的。
2城市地鐵隧道襯砌病害及原因分析
襯砌結構作為隧道的骨架，其力學和耐久性能直接關乎隧道的運營安全。目前，國內外學者針對隧道所處環境和施工技術的不同，通過大量實踐調查，對襯砌結構的典型病害進行了研究，取得了顯著成效【4，5】。現結合既有成果，針對地鐵隧道襯砌病害表現與機理間的關係，從以下3方面進行分析總結。
2.1襯砌滲漏水
滲漏水是隧道襯砌的一種最主要病害形式，不但會影響地鐵電氣設備的使用安全性，帶有侵蝕性介質的長期滲漏水還會顯著降低襯砌結構的承載力，在襯砌后土體中形成空洞，威脅隧道結構的安全。使用明挖法和礦山法施工的地鐵隧道，襯砌結構多採用整體式澆築。滲漏水的位置一般出現在施工縫、變形縫以及混凝土結構自身開裂的位置處。使用盾構法施工的地鐵隧道，襯砌為裝配式管片，分布數量眾多的接縫和栓孔。管片間縱、環接縫，以及螺栓孔和注漿孔是主要滲漏水的位置。從以往統計來看，施工技術及質量是影響滲漏水的重要因素。整體澆築的襯砌結構應嚴控混凝土的澆築質量、工藝及材料配合比。針對裝配式管片，應在檢查製作和運輸過程中保證管片質量的同時，嚴控密封材料的性能。在施工工程中，管片拼合不嚴、錯位碎裂及變形均會導緻密封墊與管片間缺乏可靠黏結而發生滲漏水。
2.2襯砌裂縫及脫落
裂縫作為隧道的另一種重要病害形式，其數量和形態在一定程度上反映了襯砌結構的力學和耐久性能。現場澆築的混凝土結構，施工工藝和技術不足極易導致襯砌開裂。調查發現，隧洞超挖導致的襯砌缺乏可靠支撐和背後空洞積水壓力，以及欠挖造成的襯砌局部應力集中是襯砌開裂的重要原因。有調查表明，盾構隧道的襯砌發生裂縫、破損的比例超過80%發生在組裝施工過程中。管片拼裝時的碰撞、錯位、受力超限等因素是主要原因。此外，地下水變化導致的沉降、背洞以及地表超載壓力也會致使隧道產生較大變形。裝配式的管片接縫在發生較大縱、橫向變形時會發生錯台和張開。這種裂縫下的襯砌結構受力狀態不合理，裂縫在表面和內部進行封堵的同時還需要進一步採用結構加固措施。
2.3襯砌性能劣化
地鐵運營環境下，按照規範進行耐久性設計的隧道混凝土襯砌通常能滿足設計年限要求。但由於上述滲漏水和開裂病害的影響，襯砌性能的劣化也是地鐵隧道不可忽視的重要病害形式之一。長期的滲漏水容易導致襯砌混凝土風化剝落，水中的侵蝕性介質還會加劇混凝土的劣化。襯砌開裂後，內壁空氣中的二氧化碳和外壁地下水中的腐蝕離子侵入速度大大加快，混凝土的碳化速度和劣化速度顯著增加。同時，混凝土保護層的失效會導致鋼筋直接接觸外部潮濕空氣和地下水，發生鏽蝕膨脹，進一步加劇襯砌開裂，以致發生局部襯砌脫落。這使得襯砌的耐久性能往往難以滿足預計的設計年限要求。
3襯砌加固方法
對滲漏水而言，需要根據滲漏水程度並結合滲透部位，採取不同的加固方法。通常對於僅出現濕漬的位置，一般採取跟蹤觀察的方法，暫不進行特殊處理。如出現滲水、滴漏甚至帶泥沙等情況，通常採取加壓灌注環氧樹脂類、水泥基結晶類等材料進行封堵處理。由於混凝土材料收縮、溫度變化等自身的問題引起的滲漏，採用以上方法或許可以達到要求，但如果伴隨著外荷載、沉降等因素，出現結構性裂縫，還需要判斷裂縫的成因並進行加固處理。對於襯砌開裂及脫落而言，目前的加固措施一般分為襯砌內部和外部的加固方法。襯砌的外部加固方法主要為微擾動注漿方法。通過灌注水泥基漿液填充外部的孔隙和背洞，使得襯砌外部約束均勻，但也會導致地下水滲流路徑變化，外部土體發生固結沉降。內部加固的方法通常採用鋼拱架、鋼板、FRP以及TRC等材料進行內壁加固，提高襯砌的力學強度，減緩或制止襯砌裂縫的進一步擴展。其中，鋼拱架的效果最好，能提高區段襯砌的整體力學性能，但造價也通常較高，空間占用率也較大。對於局部部位的加固，可以採用黏結鋼板的方法提高襯砌的抗拉強度。但由於隧道環境潮濕，鋼板的耐久性不易保證，又出現了FRP等聚合物纖維布材料的使用來提高加固構件的耐久性。近幾年，TRC或FRCM等水泥基基體-FRP組合的加固體系出現，又進一步增加了FRP材料的耐火性且滿足在潮濕狀況下的施工條件。對於襯砌劣化而言，需要根據混凝土強度的下降程度、碳化的深度以及鋼筋的鏽蝕程度採用不同的加固方法。對於混凝土碳化深度未達到保護層厚度的，可保持觀察或僅對表面裂縫進行修補。對混凝土出現局部疏鬆、脫落的部分，需要剔除該部分混凝土，並重新澆築混凝土。若鋼筋出現鏽蝕，需要進行除銹和防鏽處理。若襯砌出現較大面積或區段的強度顯著下降，則需要採用內表面鋼拱架、黏結FRP或鋼板等抗拉材料，外部錨杆支護等方法進行加固，提高襯砌的力學強度。
4結語
在國內外相關研究成果基礎上，針對城市地鐵隧道襯砌結構的特點，總結了襯砌結構的3種常見病害形式，分別針對現澆和裝配襯砌結構，分析了病害的起因和形成機理。總結了不同病害下的加固方法以及適用性。研究表明，地鐵襯砌的施工技術和水平是引起病害的主要原因，新型聚合物纖維及水泥基體加固材料和技術的應用是今後加固技術的發展趨勢，還有待於進一步發展。
【參考文獻】
【1】肖同剛,王如路.上海地鐵運營隧道病害治理與控制技術[C]//地下交通工程與工程安全———第五屆中國國際隧道工程研討會.中國土木工程學會,2011.
【2】蔡鵬超.北京地鐵運營隧道襯砌病害分類及其安全狀態分級研究[D].北京:北京交通大學,2017.
【3】黃宏偉,薛亞東,邵華,等.城市地鐵盾構隧道病害快速檢測與工程實踐[D].上海:上海技術出版社,2019.
【4】佘鍵,何川.隧道二次襯砌病害通用處治方法研究[J].中國鐵道科學,2005(26):25-30.
【5】李咸友.珠山連拱隧道滲漏水病害分析與治理[D].廣州:華南理工大學,2015.
作者：董光輝 吳鋒 單位：天津市地下鐵道集團有限公司
【關鍵詞】地鐵隧道；襯砌；病害；加固
1引言
近幾十年我國城市規模快速擴張，市區交通不暢問題日益嚴峻。城市地鐵作為一種現代化交通方式，以便捷、準時及安全等特點成為人們優先選擇的一種出行方式。截至2018年年底，我國已有35個城市開通了城市軌道交通。其中，地鐵運營里程高達4354.3km，占總里程的75.6%。但由於地下環境複雜、隱蔽性強，且施工技術受周邊既有建築限制，導致地鐵設計中不確定性因素倍增，襯砌結構病害難以控制【1~3】。如2012年杭州地鐵1號線在開通不到一周時間出現3次滲水事故，導致大規模停運。隨著運營時間及里程的增長，隧道結構不可避免地出現性能劣化，進一步加劇了病害的發生機率及危害。如2012年1月下旬，為消除隧道不均勻沉降的累積影響，上海地鐵對4號線海倫路區段封站大修，嚴重影響了市民出行。由此可見，合理辨別隧道襯砌的病害特徵，分析其發生原因並提出切實有效的加固方法是十分重要和必要的。
2城市地鐵隧道襯砌病害及原因分析
襯砌結構作為隧道的骨架，其力學和耐久性能直接關乎隧道的運營安全。目前，國內外學者針對隧道所處環境和施工技術的不同，通過大量實踐調查，對襯砌結構的典型病害進行了研究，取得了顯著成效【4，5】。現結合既有成果，針對地鐵隧道襯砌病害表現與機理間的關係，從以下3方面進行分析總結。
2.1襯砌滲漏水
滲漏水是隧道襯砌的一種最主要病害形式，不但會影響地鐵電氣設備的使用安全性，帶有侵蝕性介質的長期滲漏水還會顯著降低襯砌結構的承載力，在襯砌后土體中形成空洞，威脅隧道結構的安全。使用明挖法和礦山法施工的地鐵隧道，襯砌結構多採用整體式澆築。滲漏水的位置一般出現在施工縫、變形縫以及混凝土結構自身開裂的位置處。使用盾構法施工的地鐵隧道，襯砌為裝配式管片，分布數量眾多的接縫和栓孔。管片間縱、環接縫，以及螺栓孔和注漿孔是主要滲漏水的位置。從以往統計來看，施工技術及質量是影響滲漏水的重要因素。整體澆築的襯砌結構應嚴控混凝土的澆築質量、工藝及材料配合比。針對裝配式管片，應在檢查製作和運輸過程中保證管片質量的同時，嚴控密封材料的性能。在施工工程中，管片拼合不嚴、錯位碎裂及變形均會導緻密封墊與管片間缺乏可靠黏結而發生滲漏水。
2.2襯砌裂縫及脫落
裂縫作為隧道的另一種重要病害形式，其數量和形態在一定程度上反映了襯砌結構的力學和耐久性能。現場澆築的混凝土結構，施工工藝和技術不足極易導致襯砌開裂。調查發現，隧洞超挖導致的襯砌缺乏可靠支撐和背後空洞積水壓力，以及欠挖造成的襯砌局部應力集中是襯砌開裂的重要原因。有調查表明，盾構隧道的襯砌發生裂縫、破損的比例超過80%發生在組裝施工過程中。管片拼裝時的碰撞、錯位、受力超限等因素是主要原因。此外，地下水變化導致的沉降、背洞以及地表超載壓力也會致使隧道產生較大變形。裝配式的管片接縫在發生較大縱、橫向變形時會發生錯台和張開。這種裂縫下的襯砌結構受力狀態不合理，裂縫在表面和內部進行封堵的同時還需要進一步採用結構加固措施。
2.3襯砌性能劣化
地鐵運營環境下，按照規範進行耐久性設計的隧道混凝土襯砌通常能滿足設計年限要求。但由於上述滲漏水和開裂病害的影響，襯砌性能的劣化也是地鐵隧道不可忽視的重要病害形式之一。長期的滲漏水容易導致襯砌混凝土風化剝落，水中的侵蝕性介質還會加劇混凝土的劣化。襯砌開裂後，內壁空氣中的二氧化碳和外壁地下水中的腐蝕離子侵入速度大大加快，混凝土的碳化速度和劣化速度顯著增加。同時，混凝土保護層的失效會導致鋼筋直接接觸外部潮濕空氣和地下水，發生鏽蝕膨脹，進一步加劇襯砌開裂，以致發生局部襯砌脫落。這使得襯砌的耐久性能往往難以滿足預計的設計年限要求。
3襯砌加固方法
對滲漏水而言，需要根據滲漏水程度並結合滲透部位，採取不同的加固方法。通常對於僅出現濕漬的位置，一般採取跟蹤觀察的方法，暫不進行特殊處理。如出現滲水、滴漏甚至帶泥沙等情況，通常採取加壓灌注環氧樹脂類、水泥基結晶類等材料進行封堵處理。由於混凝土材料收縮、溫度變化等自身的問題引起的滲漏，採用以上方法或許可以達到要求，但如果伴隨著外荷載、沉降等因素，出現結構性裂縫，還需要判斷裂縫的成因並進行加固處理。對於襯砌開裂及脫落而言，目前的加固措施一般分為襯砌內部和外部的加固方法。襯砌的外部加固方法主要為微擾動注漿方法。通過灌注水泥基漿液填充外部的孔隙和背洞，使得襯砌外部約束均勻，但也會導致地下水滲流路徑變化，外部土體發生固結沉降。內部加固的方法通常採用鋼拱架、鋼板、FRP以及TRC等材料進行內壁加固，提高襯砌的力學強度，減緩或制止襯砌裂縫的進一步擴展。其中，鋼拱架的效果最好，能提高區段襯砌的整體力學性能，但造價也通常較高，空間占用率也較大。對於局部部位的加固，可以採用黏結鋼板的方法提高襯砌的抗拉強度。但由於隧道環境潮濕，鋼板的耐久性不易保證，又出現了FRP等聚合物纖維布材料的使用來提高加固構件的耐久性。近幾年，TRC或FRCM等水泥基基體-FRP組合的加固體系出現，又進一步增加了FRP材料的耐火性且滿足在潮濕狀況下的施工條件。對於襯砌劣化而言，需要根據混凝土強度的下降程度、碳化的深度以及鋼筋的鏽蝕程度採用不同的加固方法。對於混凝土碳化深度未達到保護層厚度的，可保持觀察或僅對表面裂縫進行修補。對混凝土出現局部疏鬆、脫落的部分，需要剔除該部分混凝土，並重新澆築混凝土。若鋼筋出現鏽蝕，需要進行除銹和防鏽處理。若襯砌出現較大面積或區段的強度顯著下降，則需要採用內表面鋼拱架、黏結FRP或鋼板等抗拉材料，外部錨杆支護等方法進行加固，提高襯砌的力學強度。
4結語
在國內外相關研究成果基礎上，針對城市地鐵隧道襯砌結構的特點，總結了襯砌結構的3種常見病害形式，分別針對現澆和裝配襯砌結構，分析了病害的起因和形成機理。總結了不同病害下的加固方法以及適用性。研究表明，地鐵襯砌的施工技術和水平是引起病害的主要原因，新型聚合物纖維及水泥基體加固材料和技術的應用是今後加固技術的發展趨勢，還有待於進一步發展。
【參考文獻】
【1】肖同剛,王如路.上海地鐵運營隧道病害治理與控制技術[C]//地下交通工程與工程安全———第五屆中國國際隧道工程研討會.中國土木工程學會,2011.
【2】蔡鵬超.北京地鐵運營隧道襯砌病害分類及其安全狀態分級研究[D].北京:北京交通大學,2017.
【3】黃宏偉,薛亞東,邵華,等.城市地鐵盾構隧道病害快速檢測與工程實踐[D].上海:上海技術出版社,2019.
【4】佘鍵,何川.隧道二次襯砌病害通用處治方法研究[J].中國鐵道科學,2005(26):25-30.
【5】李咸友.珠山連拱隧道滲漏水病害分析與治理[D].廣州:華南理工大學,2015.
作者：董光輝 吳鋒 單位：天津市地下鐵道集團有限公司
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