地铁隧道非常规处钢环加固案例分析

地铁隧道非常规处钢环加固案例分析

董科奇

上海隧道工程有限公司

摘要：深圳地铁某隧道修复工程，采用钢环加固工艺对受损隧道进行结构补强，施工较常规有多处突破。本文介绍所采用的施工工艺，并对非常规处加固案例进行着重分析。

关键词：地铁；盾构隧道；隧道病害；钢环加固。

Case Analysis of Reinforcement of Steel Ring at Unconventional Places in Subway Tunnels

Abstract：In the repair project of a tunnel in Shenzhen subway, the damaged tunnel was reinforced with steel ring reinforcement technology, which made several breakthroughs compared with the conventional construction. This paper introduces the construction technology adopted, and focuses on the analysis of reinforcement cases at unconventional locations.

Key word: Subway; Shield tunnel; Tunnel diseases; Steel ring reinforcement.

0 引言

近些年来地铁行业快速发展，给城市公共交通带来极大便利，在推动城市地下空间的发展的同时，不可避免的与之冲突，这一情况在土地资源稀缺的深圳尤为严重。在深圳市某条双线单圆地铁盾构隧道，外径6米内径5.4米，因受区间两侧土地开发项目基坑土方开挖作业和填海片区地质等因素影响，左右线隧道范围内出现拱底沉降、水平位移、横向收敛变化量都较大等现象，最大水平收敛达141mm；管片出现较多裂缝，裂缝大小不一，宽度大多超过0.2mm，多为单环通长纵缝，单环管片纵向裂缝2~10条不等，多发生在隧道顶部30°范围；同时该范围内管片存在崩角、错台和渗漏水情况严重的现象，隧道结构已产生较大损伤。为确保地铁的安全运营，对盾构管片从内部进行钢环加固，对相应的病害进行整治。本文通过具体钢环加固施工项目，分析工艺要点，对运营隧道钢环加固所遇到的非常规施工提出针对性方案，望为类似钢环加固施工提供一定的借鉴意义。

1 盾构管片加固标准

目前盾构隧道的病害主要分为以下几个：渗漏水、崩角掉块、裂缝、收敛变形，由于所处地质及周围施工作业的影响，加之地下环境的腐蚀性，病害若不不及时加以治理，根据地铁隧道结构灾变演化模型，病害将向着不可逆的方向发展，进而引起结构灾害事故。本文分析实例为某地铁隧道内部的加固方式为钢环加固以达到结构补强。为确保加固效果，在进行钢环加固前，需对内部隧道病害进行分析整理，针对不同病害的发展强度选择是否加固，其加固原则如下：

表1 病害整治原则

Tab.1 Princuples of disease control

2 病害处理措施

2.1渗漏水处理

施工工艺流程：平台搭设→管片封缝→埋管注浆→拆管封孔→现场清理，其主要技术要点如下：

（1）注浆前进行压水试验，须先进行压水试验，检验注浆管路是否畅通，并清除管路垃圾。使用小型电动泵自储浆桶吸水并人工泵入注浆管路，压力表显示无压力即可；

（2）埋管注浆管长约100mm，入缝深度控制在20~30mm，注浆压力为0.3~0.5Mpa，流量为10~15L/min，浆液凝胶时间控制在1~2h；

（3）注浆量根据施工现场渗漏点的实际情况决定，当注浆表数值超过预定的注浆压力时，停止注浆。

2.2裂缝处理

施工工艺流程：平台搭设→界面处理→批刮胶泥→安装注浆嘴→裂缝注浆→现场清理，其主要技术要点如下：

（1）对裂缝表面进行界面清理需沿裂缝走向，确保胶泥粘结强度；

（2）采用环氧胶泥刮涂密封裂缝，宽度为40mm，厚度为2mm，确保密封及注浆压力；

（3）待胶泥达到强度要求后，在裂缝处钻孔、埋设注浆嘴，孔间距为200～250mm；

（4）注浆注浆压力控制在0.1-0.2MPa。

图1 裂缝处理

Fig.1 Schematic of crack treatment

2.3掉块修补

施工工艺流程：平台搭设→界面处理→植筋挂网→环氧砂浆嵌补→现场清理。主要技术要点如下：

（1）清理界面，涂刷水泥基渗透结晶涂料（有明水处先堵漏），加大粘结强度；

（2）在掉块处植入钢筋，增强掉块修补处强度及粘结效果；

（3）绑扎钢筋网片，固定在植入的钢筋上方，放置砂浆脱落，增强稳定性；

（4）环氧砂浆填充（初凝时间≥45min，终凝时间≤4h，且砂浆强度≥原混凝土强度）。

图2 掉块修补

Fig.2 Repair of segment broken or damage

2.4钢环加固

隧道因外部受力平衡体系失效发生收敛变形，导致管片之间部分区域拉压应力超出混凝土管片的抗拉抗压极限，发展成崩角掉块、裂缝、渗漏水及道床脱空等病害，无法保障地铁隧道的长期安全运营，在不处理的情况下，病害将沿着不可逆的方向发展加重。本项目对水平收敛达到90mm的盾构管片进行前期病害整治后，再进行钢环安装加固，通过内衬钢环加强受损盾构管片的强度，形成一个新的圆形受力结构，修复其已逐渐失效的力学性能，其主要步骤为：道床两侧砼凿除→钢环加工制作焊接→钢环安装→环氧填充 。

图3 钢环加固

Fig.3 Reinforcement with steel ring

2.4.1 道床两侧砼凿除

对需安装钢环的管片进行道床两侧床提前凿除，通过现场数据采集，利用制图软件模拟，明确道床切割位置及深度，满足设计图纸牛腿支撑加劲肋250mm的要求。施工时机械切割深度控制240mm以内，后续进行人工凿除至设计深度，以防止对隧道管片造成损坏。切割完成后，需对牛腿支撑区域管片内弧面和混凝土道床侧面提前凿毛打磨处理，确保后续钢环安装的精准度及后续环氧填充和粘结的效果。

2.4.2 钢环加工制作焊接

前期对区间管线进行改移、道床水沟进行切割后，为满足钢环安装条件，同时不影响钢环安装完成后，道床两侧水沟排水功能及后续管线使用功能，在加工前对钢环分块、预留排水孔进行调整。依据管片钢筋布置图确定钢环锚栓位置，跳开区间线缆及管片手孔、钢筋，对原管片既有注浆孔位置进行预留。参考原有水沟高度数据，确定牛腿支撑处排水孔的位置，做到钢环安装后不影响区间排水功能。

2.4.3 钢环安装

钢环各板块弧长分别为：大牛腿2.4m、小牛腿1m、小侧板1m、大侧板3.15m、顶板3m，部分区间现场调整。通过隧道整治平板车，在地铁基地装卸钢环，于动车点开往区间隧道，借助隧道整治平板车自带的悬臂梁进行牛腿安装，机械手臂进行环板安装。钢环安装按照从下往上的顺序进行拼装，通过锚栓将钢环临时固定到盾构管片上。其技术要点如下：

（1）牛腿安装期间需对两侧牛腿校核位置，确保钢环位于管片中心处；

（2）钢环安装针对纵缝踏步较大的位置提前进行找平处理，确保钢环与管片的密贴；

（3）钢环安装采用M16膨胀锚栓临时固定，后续补种化学锚栓，为确保顶板与管片有更好的密贴，顶板45°位置采用6~10根后切底锚栓；

（4）加工期间根据原管片注浆孔位置在钢环相应位置预留φ10×15椭圆注浆孔，拼装完成后采用环氧胶泥进行封堵确保环氧填充的密闭性；

（5）钢环焊接采用CO2气体保护焊，焊缝验收质量等级为二级，熔深深度≥18mm；

（6）为确保钢环形成整体受力体系，单环钢环拉条安装不少于1根；

图4 钢环安装

Fig.4 Steel ring installation

2.4.4 环氧填充

待钢环安装焊接成环，锚栓种植完成后，立即对钢环与管片的间隙进行环氧树脂填充，环氧固化后凭借其出色的粘结性能，将钢环与盾构管片连接成一个受力整体，从而达到管片结构补强效果。为此，在对环氧选型上，需考虑材料对砼及钢板有较强的粘结力，尤其是对潮湿基面的粘结效果，固结成型后具备较高的抗压强度和一定的抗拉抗剪切性能；考虑现场施工工况，材料的可操作时间≥30min；针对隧道长久运营，固化后凝结成坚硬的高聚物同时得具备出色的抗老化、抗酸腐性能。环氧压注技术要点如下：

（1）环氧填充时，为保证环氧压注密实，注浆管应按Z字型布置，于焊缝、纵缝上下加密预留注浆管；

（2）注浆遵循少量多次，低压注浆，压力≤0.1Mpa，压浆顺序由下至上；

（3）压注钢环顶板上部，待顶部注浆管多次溢出浆液后方可停止，确保环氧密实度。

图5 环氧填充

Fig.5 Filling and adhesive by epoxy

3 钢环加固非常规区域处理措施

3.1 接触网关节改移

在此加固项目中，钢环拼装区域顶部涉及接触网关节改移，此区间接触网为顶部刚性接触网。原接触网设备影响钢环正常拼装，同时因隧道收敛变形，原瓷瓶掉点已达调整极限，致导高无法调整至正常值。为保证钢环正常安装，确保接触网改移恢复之后导高回归正常值，需对该区域内影响钢环安装的接触网设备、架空地线底座、接触网定位掉点进行改移，需对设备进行频繁有序拆除、安装、调试等工序。如何合理划分施工步骤，在有限的作业时间内完成区

间钢环拼装及接触网恢复，将其前后共六个定位掉点需调节至同一高度，确保不影响地铁正常运营，作为此段钢环加固面临的难题。

图6 接触网改移前

Fig.6 Before the catenary is changed

处理措施：此难题细分开来，主要为作业时间短、接触网改移量大、钢环加固环连续导致的空间不足及既有导高不足等问题。在实施过程中，对关节处接触网设备改移的工序进行分散优化，同时将原瓷瓶掉点更换为绝缘横撑，实现接触网导高上升。首先完成前期管片及钢环预装锚栓步骤，其次于钢环安装前完成绝缘横撑的替换安装作业，在后期的钢环正式拼装期间，逐环成环拼装与接触网恢复同步进行。在此区段钢环拼装完成后，成功实现接触网关节的更换，导高顺利调整至正常值，保障了施工及后续运营期间的正常。

主要步骤如下：

（1）预植M20化学锚栓，完成拉拔试验合格后备用；

（2）利用人工作业将99-101环四处绝缘横撑定位掉点进行拆除，同时利用当天作业时间完成绝缘横撑的安装工作，依据现场条件完成部分绝缘横撑的调试工作；

（3）改移99、101的绝缘横撑，待完成第99环和第101环绝缘横撑的安装调试工作后，对第99、101环安装钢板，并倒穿T头锚栓用于后期恢复；

（4）待101环钢板安装完毕且锚栓倒穿完成后，对原101环管片的绝缘横撑进行恢复，改移至第101环钢环上，为后续100环绝缘横撑改移创造条件；

（5）待第101环绝缘横撑恢复完毕，对第100环的绝缘横撑进行改移至边缘，使其满足钢环拼装条件；

（6）待第100环接触网改移完成后，完成第100环钢环拼装，并预留T头锚栓用于后期恢复；

（7）待第99~101环钢环安装完成后，后期利用人工作业对绝缘横撑进行恢复。

图7 接触网关节改移流程图

Fig.7 The flow chart of catenary group relocation

图8 接触网关节改移

Fig.8 The photo of catenary group relocation

3.2 区间信号箱设备整体迁移

隧道内管线设备众多，钢环加固前对管线设备进行改移，在满足钢环安装的同时，尽量减少对其自身使用功能的影响。本项目加固区段6环包含一套信号系统，作为信号基站，为乘客提供2G/3G/4G信号，拆除期间将削弱区间整体信号，严重时将会切断区间整体信号；为尽快完成该段钢环安装，对该套信号系统进行整体拆除，利用动车点完成外侧钢环安装及支架焊接，最后利用人工作业完成信号箱的恢复及调试工作；为确保在改移期间不对区间通讯信号造成大范围瘫痪，减少对乘客带来的影响，在信号基站拆除期间，加大车站端头信号放大器功率。在此段信号箱拆除及恢复期间，区间信号未受到大幅度影响，同时信号箱恢复原位，未发生侵限事故，满足后期信号基站设备的维护需求，最大限度的保障了即有设备的运转。

图9 信号基站恢复

Fig.9 After the Repeater box is restored

3.3 波导管即拆即复

在该地铁线路列车信号传输装置为波导管，位于道床及轨道中间，为确保钢环牛腿加劲肋的受力性能，需确保道床切割深度不小于260mm，在条件不满足的区段进行道床切割及牛腿支撑安装需对波导管设备进行拆除与安装，将影响次日地铁运营模式。列车在相应区段无法采用CBTC模式运行，影响区域采用进路闭塞法BM模式（即点式ATP模式）组织行车。为不影响列车运营模式，在道床切割及牛腿拼装期间，发挥“人车混合作业模式”的优势，同时利用地铁双线隧道行车优势，采用单线列车回厂，工程车辆随末班车出厂，电调实现区间停电，为牛腿支撑安装期间争取有效增加作业时间，实现钢环拼装作业当晚的波导管即拆即复作业，减小管线改移对地铁运营的影响，为运营隧道后续同类施工积累施工经验。

图10 波导管即拆即复

Fig.10 Waveguide reconstruction

3.4 涉及旁通道处钢环加固

地铁隧道旁通道作为应急疏散通道及区间水泵房，在钢环加固时，两环管片为不规则非成环管片，钢环加固内侧无安装钢支撑条件，此环钢环内侧受力无法传递至道床上，削减钢环整体刚度。为保障此三环形成完整受力体系，不影响旁通道的既有作用，在旁通道三环处采用安装门式框架结构，整体安装顺序为先两侧再中间，避免误差累积。同时对该处锚栓进行合理加密调整，提高锚栓的植入率，考虑旁通道侧面为不规则弧面，依托现场放样数据确定此处钢板的卷板弧度，确保钢环与管片密贴。为达到上述要求，在不足2小时有效作业时间里，合理细化工序，完成此处钢环的高精度安装，同步进行旁通道管线及支架的拆除恢复工作，成功实现深圳地铁修复领域第一起旁通道钢环加固。

图11 旁通道钢环加固

Fig.11 Reinforcement with steel ring on the connected alsle metro tunnels

4作业点效率发掘

目前深圳地铁运营线路多为双线单圆盾构隧道，在运营期间，因左右线所处地质环境及外力荷载相近，病害多为双线相邻区间集中发生。在地铁隧道钢环加固工艺中，通过对分部分项工序的划分，已发展成熟为流水作业，合理的利用隧道加固区段的区间及线路优势，充分发挥加固区间的空间及时间优势，在保障施工作业安全与质量的同时，也为加固期间的难题解决提供很好的解决方向。

图12 双机连挂作业

Fig.12 Construction with double engineering vehicle

4.1发掘隧道区间

区间优势不仅在于单个区间的长度，也在于加固区段包含多个相邻的车站及区间。在施工筹划阶段，合理调整作业流程，分散作业面，方便施工作业的展开与安全卡控。在深圳地铁加固领域，利用单个区间的空间长度优势，发展并完善“人车混合作业模式”及“双机连挂作业模式”，在合理卡控安全的前提下，能够在有限的人机物力投入下取得更高的生产成果。基于此作业模式所具备的优势，实现了作业人工作业与动车作业流程的完美衔接，并实现了区间波导管设备的即拆即复，为进一步发展多区间多机连挂作业模式的可行性提供参考。

4.2发掘隧道双线优势

本加固隧道为双线单圆隧道，隧道加固区域涉及三站五区间，施工隧道具备双线行车优势，在本项目的行车方案上采用双线双机作业模式。为充分发掘有效作业时间，采用单线电客车回厂模式，两辆工程车随地铁末班车出厂，左线工程车达到区域后，电调调控实现作业区间合闸停电封锁；右线工程车跟随末班车运行至前方车站存车道，待右线列车返厂完成后进入施工区域。双线动车作业模式，通过对地铁双线优势的发掘，合理利用存车道及区间封锁，利用施工布置，避免施工冲突产生的风险，同时左线有效作业时间增加1小时，右线作业时间增加0.5小时。

4.3散化流程流水作业

钢环加固按照其分部分项划分，尽量细化为多个流水工序，做到流水作业施工的顺畅，避免作业集中，有利于在生产过程中的质量及安全卡控。为此需对地铁隧道的空间合理利用，发挥区域化立体施工模式的优势。由于运营地铁隧道修复的时间及空间特殊性，作业效率易受到时间及空间的制约，而运营地铁天窗作业时间已无法调整。为此合理利用地铁车辆段，散化流程，细化拼装工序，逐步将部分动火作业等工序转移至地铁车辆段，提高夜间施工的效率，间接减少地铁隧道密闭环境动火作业风险。

图13 地铁基地作业

Fig.13 Construction on the subway base

5总结语

盾构管片钢环加固工艺于2015年引进深圳地铁隧道修复领域，通过多个项目的实施，渐渐摸索出对不同难点的解决方案。考虑到隧道钢环加固工艺在一定时期内还将与运营地铁隧道修复领域实施，本文参考在深地铁钢环修复项目所作出的突破，对以往遇到的重难点进行剖析，梳理难处及找到突破口，以望对运营隧道相关修复项目作出参考作用。