畢湘利

(上海申通地鐵集團有限公司, 201103, 上海)

0 引言

盾構(gòu)法對環(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,其最顯著的特點是接縫眾多。每公里單圓盾構(gòu)隧道包含5 000～6 000塊管片,接縫總長度可達隧道自身長度的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)安全直接影響其運營質(zhì)量,結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重時甚至危及運行安全,造成極大負面影響。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,200 m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、整治策略以點對點式(“補丁式”)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行安全。同時,城市軌道交通承載了城市絕大多數(shù)公共交通出行客流,“百年運營、百年維修”的狀態(tài)會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,切實提升運營服務(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)運維實踐,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)開通運營20條線路,運營里程超過800 km。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),服役時間跨度1年至30年不等。上海軌道交通盾構(gòu)隧道在運營過程中產(chǎn)生的病害有滲漏水、裂縫、縱向沉降和收斂變形等,幾種病害一般同時存在,相互影響,且以收斂變形最為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計,大部分隧道在運營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)服役期管片錯臺、破損等。

對于由結(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)模的擴大,維修成本和夜間天窗時間資源的代價也會急劇增加,最終會影響城市軌道交通全網(wǎng)的運維效率和質(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)計理念、優(yōu)化設(shè)計方案、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)夯實安全運營的基礎(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)化擴大盾構(gòu)隧道內(nèi)徑以預(yù)留加固空間、針對不同的環(huán)境敏感地段采用錯縫拼裝方式以及提升接縫密封防水設(shè)計等。

2.1 優(yōu)化擴大盾構(gòu)隧道內(nèi)徑

盾構(gòu)隧道內(nèi)徑主要由限界決定,同時也需考慮施工誤差、測量誤差、設(shè)計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)計為5.5 m,并一直沿用20多年。從長期運營來看,5.5 m的內(nèi)徑設(shè)計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5.5 m擴大至5.9 m。這為運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 采用錯縫拼裝方式

盾構(gòu)隧道的拼裝有通縫拼裝和錯縫拼裝兩種形式。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,在運營期容易出現(xiàn)較大的結(jié)構(gòu)變形和接縫滲漏水。而錯縫拼裝的管片結(jié)構(gòu)具有縱向加強效應(yīng),其整體剛度更強,可以更好地抵抗外部荷載和環(huán)境變化,且錯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)段采用了錯縫拼裝。進入“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

盾構(gòu)隧道內(nèi)滲漏水是地鐵安全運營的最大威脅。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。針對管片接縫防水和滲漏治理,上海軌道交通重點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號線),再到三元乙丙橡膠單一型密封墊(12、13、14、15、18號線等)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)計方面,上海軌道交通對橡膠密封墊斷面進行全面優(yōu)化設(shè)計,全面采用“多孔性”橡膠密封墊,該形式可應(yīng)對長期受壓后的應(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)新實踐

為進一步提升盾構(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)計新型管片結(jié)構(gòu)、提高施工裝備自動化水平等舉措。

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3～6 mm,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、施工拼裝時相鄰管片機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)計方案與傳統(tǒng)螺栓連接管片設(shè)計方案的主要參數(shù)對比表。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。機械化連接方式也為盾構(gòu)隧道施工自動化、智能化發(fā)展創(chuàng)造了條件,減小了施工中人為因素對管片拼裝質(zhì)量的影響。

a) 環(huán)向接頭

表1 預(yù)埋承插式管片與傳統(tǒng)螺栓連接管片設(shè)計方案主要參數(shù)對比表

在力學(xué)性能方面,接頭及整環(huán)試驗結(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)。

注:D為隧道直徑。

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度略小,環(huán)縫接頭表現(xiàn)出較強的延性,接頭失效時允許的環(huán)間錯臺量較大。表明預(yù)埋承插式環(huán)縫接頭形式有更強的縱向變形適應(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,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號線工程中進行了示范應(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,增強了隧道的整體穩(wěn)定性和耐久性,為隧道的長期運營安全提供了堅實基礎(chǔ)。

a) 設(shè)備安裝前

表2 預(yù)埋承插式管片與傳統(tǒng)螺栓連接管片成型隧道質(zhì)量指標(biāo)對比表

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)機推進、糾偏、同步注漿和物料運輸?shù)汝P(guān)鍵環(huán)節(jié)均依賴于人工。在當(dāng)前基建高強度發(fā)展條件下,操作經(jīng)驗成熟的盾構(gòu)施工人員相對數(shù)量缺乏。工人經(jīng)驗不足會對盾構(gòu)隧道工程質(zhì)量和安全構(gòu)成現(xiàn)實威脅,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)驗數(shù)字化、智能化,用系統(tǒng)設(shè)備自動控制替代人為操作。

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,為上海軌道交通進一步實現(xiàn)隧道智能施工、管片自動拼裝提供了技術(shù)條件。為進一步提升建設(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、升級既有盾構(gòu)設(shè)備。

推拼同步智能盾構(gòu)實現(xiàn)了開挖系統(tǒng)智能感知、推進系統(tǒng)自主控制、拼裝和運輸系統(tǒng)自動執(zhí)行,實現(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)機施工控制自動化水平、自動測量技術(shù)和施工推進控制質(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、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,進而降低運營期盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生病害的可能性,為隧道的長期運營安全奠定堅實基礎(chǔ)。在“十四五”建設(shè)期間,上海軌道交通將持續(xù)推進新技術(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),促進城市軌道交通行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。