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畢湘利 | 上海軌道交通提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的創(chuàng)新實(shí)踐

2024年01月19日 17:33 | 來源： 城市交通網(wǎng) · 閱讀量： 1,613
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[目的]盾構(gòu)隧道是柔性結(jié)構(gòu)，具有多縫特征。受施工初始質(zhì)量缺陷、周圍載荷變異、外部環(huán)境惡化以及管養(yǎng)不到位等因素影響，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形超限、滲漏超標(biāo)以及耐久性劣化等問題，僅依靠運(yùn)營期加固和整治無法徹底解決。且隨著線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，維修成本和夜間天窗時(shí)間資源的代價(jià)也會(huì)急劇增加，最終影響城市軌道交通全網(wǎng)的運(yùn)維效率和質(zhì)量。因此需研究提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的技術(shù)措施。[方法]分析了上海軌道交通盾構(gòu)隧道的主要病害及影響盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全的主要因素;介紹了上海軌道交通提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的技術(shù)措施以及確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的創(chuàng)新實(shí)踐。[結(jié)果及結(jié)論]上海軌道交通采取的提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的技術(shù)措施包括優(yōu)化擴(kuò)大盾構(gòu)隧道內(nèi)徑、采用錯(cuò)縫拼裝方式、提升接縫密封防水設(shè)計(jì)，確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的創(chuàng)新實(shí)踐包括采用預(yù)埋承插式管片新型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)、采用推拼同步智能盾構(gòu)裝備及隧道智能建造技術(shù)。從源頭把握盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全，通過優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新拼裝技術(shù)以及采用智能化裝備，在建設(shè)階段提升盾構(gòu)隧道的成型質(zhì)量、減少結(jié)構(gòu)初始缺陷，能夠降低運(yùn)營期盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的可能性，可為隧道的長期運(yùn)營安全奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

0? 引言

盾構(gòu)法對(duì)環(huán)境影響較小、成本低、適用范圍廣，是修建城市軌道交通地下區(qū)間隧道的主流工法[1-3]。從結(jié)構(gòu)角度看，盾構(gòu)隧道通過環(huán)、縱向螺栓連接預(yù)制管片拼裝成型，其最顯著的特點(diǎn)是接縫眾多。每公里單圓盾構(gòu)隧道包含5000~6000塊管片，接縫總長度可達(dá)隧道自身長度的20倍以上。然而，接縫是隧道力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)，也是引發(fā)隧道變形、滲漏和耐久性等問題的最直接因素。此外，盾構(gòu)隧道的多縫特征使得成型隧道表現(xiàn)為具有一定剛度的“柔性結(jié)構(gòu)”。這種“柔性結(jié)構(gòu)”在地下的長期服役過程中，由于施工初始質(zhì)量缺陷、周圍載荷變異、外部環(huán)境惡化以及管養(yǎng)不到位等因素的綜合影響，健康狀況難以避免地出現(xiàn)退化，進(jìn)而引發(fā)的隧道結(jié)構(gòu)安全問題也日益凸顯[4]。

城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全直接影響其運(yùn)營質(zhì)量，結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重時(shí)甚至危及運(yùn)行安全，造成極大負(fù)面影響。例如，倫敦地鐵Jubilee線曾發(fā)生隧道結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形和病害，200m長的隧道區(qū)間不得不重新修建[5]。前蘇聯(lián)圣彼德堡地鐵1號(hào)線隧道也曾因事故導(dǎo)致結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞，使列車終止運(yùn)行[6]。當(dāng)前，城市軌道交通盾構(gòu)隧道的維修、整治策略以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式(“補(bǔ)丁式”)為主，這可改善其局部性能與狀態(tài)，但可能引發(fā)病害轉(zhuǎn)移，難以滿足長期高質(zhì)量運(yùn)營需求[7-8]。

城市軌道交通盾構(gòu)隧道是百年結(jié)構(gòu)，僅依靠后期維修難以保證其長期運(yùn)行安全。同時(shí)，城市軌道交通承載了城市絕大多數(shù)公共交通出行客流，“百年運(yùn)營、百年維修”的狀態(tài)會(huì)大大降低公共交通服務(wù)質(zhì)量，不利于城市高質(zhì)量發(fā)展。為確保城市軌道交通盾構(gòu)隧道的全生命周期安全，切實(shí)提升運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量，需從源頭上把握盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全，處理好建設(shè)與運(yùn)維的關(guān)系。本文結(jié)合上海軌道交通盾構(gòu)隧道的建設(shè)運(yùn)維實(shí)踐，探討確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的具體策略和方法，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)供同行借鑒參考。

1??盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全問題分析

截至2022年底，上海軌道交通已經(jīng)開通運(yùn)營20條線路，運(yùn)營里程超過800km。上海軌道交通各線路的地下區(qū)間幾乎全部采用盾構(gòu)法修建完成，服役管片總量超70萬環(huán)，服役時(shí)間跨度1年至30年不等。上海軌道交通盾構(gòu)隧道在運(yùn)營過程中產(chǎn)生的病害有滲漏水、裂縫、縱向沉降和收斂變形等，幾種病害一般同時(shí)存在，相互影響，且以收斂變形最為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大部分隧道在運(yùn)營3~9年之間開始出現(xiàn)病害。每年隧道結(jié)構(gòu)病害整治投入巨大，占用夜間天窗時(shí)間最多。

 

考慮盾構(gòu)隧道本身的多縫特征，管片接縫無論是在強(qiáng)度還是剛度方面都是隧道力學(xué)性能的薄弱環(huán)節(jié)，使隧道沿環(huán)向和縱向的剛度呈不均勻變化，這是引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)病害的本質(zhì)原因。此外，盾構(gòu)隧道施工控制基本依靠人工完成，這極易導(dǎo)致管片成型質(zhì)量參差不齊、結(jié)構(gòu)存在初始缺陷，從而引發(fā)服役期管片錯(cuò)臺(tái)、破損等。

 

對(duì)于由結(jié)構(gòu)多縫特征和初始缺陷引發(fā)的盾構(gòu)隧道病害，僅依靠運(yùn)營期的加固和整治是無法徹底解決的，而且隨著線網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，維修成本和夜間天窗時(shí)間資源的代價(jià)也會(huì)急劇增加，最終會(huì)影響城市軌道交通全網(wǎng)的運(yùn)維效率和質(zhì)量。因此，為了提高盾構(gòu)隧道的全壽命周期安全性，應(yīng)通過轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、創(chuàng)新施工技術(shù)等，在建設(shè)階段提升盾構(gòu)隧道的整體剛度、減少初始缺陷，以高質(zhì)量建設(shè)夯實(shí)安全運(yùn)營的基礎(chǔ)，確保結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全。

2??上海軌道交通提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的技術(shù)措施

在提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全方面，在30多年的實(shí)踐和探索中，上海軌道交通采取的技術(shù)措施包括優(yōu)化擴(kuò)大盾構(gòu)隧道內(nèi)徑以預(yù)留加固空間、針對(duì)不同的環(huán)境敏感地段采用錯(cuò)縫拼裝方式以及提升接縫密封防水設(shè)計(jì)等。

2.1??優(yōu)化擴(kuò)大盾構(gòu)隧道內(nèi)徑

盾構(gòu)隧道內(nèi)徑主要由限界決定，同時(shí)也需考慮施工誤差、測(cè)量誤差、設(shè)計(jì)擬合誤差以及不均勻沉降等因素。在上海軌道交通建設(shè)初期，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑設(shè)計(jì)為5.5m，并一直沿用20多年。從長期運(yùn)營來看，5.5m的內(nèi)徑設(shè)計(jì)存在空間布置過于緊湊、小半徑曲線段較難設(shè)置疏散平臺(tái)以及結(jié)構(gòu)變形等病害整治空間受限等問題，特別是變形等病害整治空間緊張給服役期的隧道維護(hù)帶來了巨大壓力。為此，上海軌道交通從高質(zhì)量建設(shè)保障高質(zhì)量運(yùn)營的角度出發(fā)，率先研究盾構(gòu)隧道內(nèi)徑優(yōu)化方案，將內(nèi)徑由5.5m擴(kuò)大至5.9m。這為運(yùn)營期隧道沉降變形及病害綜合治理預(yù)留了空間。從盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)全壽命周期以及盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的本質(zhì)安全的角度來衡量，這樣做是值得的。

2.2??采用錯(cuò)縫拼裝方式

盾構(gòu)隧道的拼裝有通縫拼裝和錯(cuò)縫拼裝兩種形式。通縫拼裝的管片結(jié)構(gòu)符合“柔性襯砌”的設(shè)計(jì)理念，能夠在一定范圍內(nèi)通過變形協(xié)調(diào)周圍環(huán)境的變化(荷載增大)。然而，通縫管片由于拼裝允許誤差大，成型隧道的真圓度較低，施工初始缺陷較大，在運(yùn)營期容易出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形和接縫滲漏水。而錯(cuò)縫拼裝的管片結(jié)構(gòu)具有縱向加強(qiáng)效應(yīng),其整體剛度更強(qiáng)，可以更好地抵抗外部荷載和環(huán)境變化，且錯(cuò)縫拼裝施工精度要求高，成型隧道真圓度更好，施工初始缺陷較小。

至“十三五”建設(shè)期末，上海軌道交通盾構(gòu)隧道以通縫管片拼裝形式為主，在局部環(huán)境敏感區(qū)段采用了錯(cuò)縫拼裝。進(jìn)入“十四五”后，上海軌道交通考慮到新建盾構(gòu)隧道埋深逐步加大且盾構(gòu)隧道受力環(huán)境日益復(fù)雜，再加之管片制作精度和拼裝技術(shù)的提升可為采用新的管片拼裝方式提供技術(shù)保障，因此決定全面采用錯(cuò)縫拼裝的管片結(jié)構(gòu)形式。

2.3??提升接縫密封防水設(shè)計(jì)

盾構(gòu)隧道內(nèi)滲漏水是地鐵安全運(yùn)營的最大威脅。盾構(gòu)隧道滲漏水主要表現(xiàn)在環(huán)縫、縱縫、注漿孔、變形縫和螺栓孔等部位，其本質(zhì)是隧道接縫防水失效。針對(duì)管片接縫防水和滲漏治理，上海軌道交通重點(diǎn)研究了橡膠材料力學(xué)性能，提出了長期防水性能優(yōu)越的接縫密封墊材料及斷面設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)立了標(biāo)準(zhǔn)化的管片接縫滲漏治理措施。

在防水材料選擇方面，上海軌道交通完成了由氯丁橡膠與遇水膨脹橡膠復(fù)合型密封墊(1、2號(hào)線)，到三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠復(fù)合型密封墊(4、8、9、13號(hào)線)，再到三元乙丙橡膠單一型密封墊(12、13、14、15、18號(hào)線等)的轉(zhuǎn)變。三元乙丙橡膠單一型密封墊應(yīng)力松弛小，受溫度變化影響小，通過接觸面壓應(yīng)力以彈性壓密止水，具有良好的耐久性和止水性。在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面，上海軌道交通對(duì)橡膠密封墊斷面進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì)，全面采用“多孔性”橡膠密封墊，該形式可應(yīng)對(duì)長期受壓后的應(yīng)力松弛等問題，水密性良好，已在全國范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

3??上海軌道交通提升盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的創(chuàng)新實(shí)踐

為進(jìn)一步提升盾構(gòu)隧道建設(shè)質(zhì)量，從本質(zhì)上保障盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全，上海軌道交通將數(shù)字化、智能化新技術(shù)應(yīng)用于盾構(gòu)隧道建設(shè)，提出設(shè)計(jì)新型管片結(jié)構(gòu)、提高施工裝備自動(dòng)化水平等舉措。

3.1??采用預(yù)埋承插式管片新型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)盾構(gòu)隊(duì)道基本采用螺栓作為連接件，其安裝直觀可靠，且能滿足緊固力要求。但螺栓手孔的設(shè)置削弱了混凝土管片的局部承載力，使得手孔附近易出現(xiàn)管片開裂或破損，進(jìn)而引發(fā)滲漏水和鋼筋銹蝕等耐久性問題;螺栓孔與螺栓之間的安裝間隙約為3~6mm，螺栓緊固作業(yè)依靠人工操作，施工工效較低且難以保證管片拼裝精度，易影響管片成型質(zhì)量，易造成結(jié)構(gòu)初始缺陷。

在廣泛調(diào)研國內(nèi)外盾構(gòu)隧道接頭形式發(fā)展進(jìn)程、新型連接件形式及新型連接件管片工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，上海軌道交通研究開發(fā)了基于新型接頭的預(yù)埋承插式管片盾構(gòu)隧道技術(shù)體系。該新型接頭管片摒棄了傳統(tǒng)的螺栓連接方式，采用管片澆筑前預(yù)埋連接件、施工拼裝時(shí)相鄰管片機(jī)械式連接的拼裝方法。預(yù)埋承插式管片接頭如圖1所示。表1為預(yù)埋承插式管片設(shè)計(jì)方案與傳統(tǒng)螺栓連接管片設(shè)計(jì)方案的主要參數(shù)對(duì)比表。由于取消了手孔、螺栓孔等構(gòu)造措施，新型接頭管片避免了傳統(tǒng)管片連接方式所產(chǎn)生的局部削弱和耐久性問題。機(jī)械化連接方式也為盾構(gòu)隧道施工自動(dòng)化、智能化發(fā)展創(chuàng)造了條件，減小了施工中人為因素對(duì)管片拼裝質(zhì)量的影響。

 

在力學(xué)性能方面，接頭及整環(huán)試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)埋承插式管片結(jié)構(gòu)的初始剛度較傳統(tǒng)螺栓連接管片結(jié)構(gòu)的更高，且極限承載能力也更高(見圖2)。此外，與傳統(tǒng)的凹凸榫構(gòu)造環(huán)縫接頭相比，預(yù)埋承插式環(huán)縫接頭的抗剪剛度和強(qiáng)度略小，環(huán)縫接頭表現(xiàn)出較強(qiáng)的延性，接頭失效時(shí)允許的環(huán)間錯(cuò)臺(tái)量較大。表明預(yù)埋承插式環(huán)縫接頭形式有更強(qiáng)的縱向變形適應(yīng)能力。預(yù)埋承插式管片結(jié)構(gòu)“環(huán)剛縱柔”的特性，在提升橫斷面承載性能抵御外界環(huán)境變化的同時(shí)，能夠很好地適應(yīng)軟土地層隧道的縱向長期沉降變形，具有很好的推廣應(yīng)用潛力。

“十三五”期間，預(yù)埋承插式管片在上海軌道交通18號(hào)線工程中進(jìn)行了示范應(yīng)用，隧道成型效果如圖3所示。與傳統(tǒng)螺栓連接管片成型隧道相比，采用預(yù)埋承插式接頭的管片拼裝質(zhì)量及隧道成型質(zhì)量得到了顯著提升(見表2)。此外，預(yù)埋承插式管片隧道在運(yùn)營期內(nèi)的服役狀態(tài)良好，基本無病害。該技術(shù)有效提升了隧道成型質(zhì)量，減少了結(jié)構(gòu)初始缺陷，增強(qiáng)了隧道的整體穩(wěn)定性和耐久性，為隧道的長期運(yùn)營安全提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

3.2??采用推拼同步智能盾構(gòu)裝備及隧道智能建造技術(shù)

在傳統(tǒng)盾構(gòu)施工方法中，管片拼裝、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)、糾偏、同步注漿和物料運(yùn)輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)均依賴于人工。在當(dāng)前基建高強(qiáng)度發(fā)展條件下，操作經(jīng)驗(yàn)成熟的盾構(gòu)施工人員相對(duì)數(shù)量缺乏。工人經(jīng)驗(yàn)不足會(huì)對(duì)盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量和安全構(gòu)成現(xiàn)實(shí)威脅，這是近年來安全事故頻發(fā)的重要原因。因此，要提升隧道建設(shè)質(zhì)量，就要把人工操作經(jīng)驗(yàn)數(shù)字化、智能化，用系統(tǒng)設(shè)備自動(dòng)控制替代人為操作。

預(yù)埋承插式管片新型盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用，為上海軌道交通進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)隧道智能施工、管片自動(dòng)拼裝提供了技術(shù)條件。為進(jìn)一步提升建設(shè)品質(zhì)，在“十四五”期間，上海軌道交通加大推進(jìn)盾構(gòu)隧道施工從理論、模式、技術(shù)到裝備的系統(tǒng)性創(chuàng)新，著力研發(fā)推拼同步智能盾構(gòu)裝備及隧道智能建造技術(shù)，同步改造、升級(jí)既有盾構(gòu)設(shè)備。

推拼同步智能盾構(gòu)實(shí)現(xiàn)了開挖系統(tǒng)智能感知、推進(jìn)系統(tǒng)自主控制、拼裝和運(yùn)輸系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工從智能感知、智能決策到智能執(zhí)行的閉環(huán)。由于施工過程基本無需人工介入，可極大降低人工操作引發(fā)的不確定性，大幅度提升盾構(gòu)法施工質(zhì)量。此外，通過“推拼交替”到“推拼同步”的技術(shù)跨越，既可提升工效，又能提升盾構(gòu)成型質(zhì)量。

上海軌道交通將在“十四五”期間完成推拼同步智能盾構(gòu)工程的推廣應(yīng)用，這將全面提高管片預(yù)制成品質(zhì)量、盾構(gòu)機(jī)施工控制自動(dòng)化水平、自動(dòng)測(cè)量技術(shù)和施工推進(jìn)控制質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。通過成套智能技術(shù)、裝備和標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道高質(zhì)量、高安全、高效率建設(shè)，全面提升新建盾構(gòu)隧道成型質(zhì)量。

4? 結(jié)語

確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的全壽命周期安全是城市軌道交通行業(yè)的共性挑戰(zhàn)。上海軌道交通持續(xù)探索確保盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全的創(chuàng)新方法和技術(shù)路線，通過優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、創(chuàng)新拼裝技術(shù)以及采用智能化裝備，在建設(shè)階段提升盾構(gòu)隧道的成型質(zhì)量、減少結(jié)構(gòu)初始缺陷，進(jìn)而降低運(yùn)營期盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的可能性，為隧道的長期運(yùn)營安全奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在“十四五”建設(shè)期間，上海軌道交通將持續(xù)推進(jìn)新技術(shù)的研究與應(yīng)用，通過技術(shù)創(chuàng)新，不斷提升建設(shè)品質(zhì)，促進(jìn)城市軌道交通行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

編輯：卓卓

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