软土盾构隧道运营初期服役病害及纵向沉降变形分析

[摘要] 城市地铁隧道主要结构形式为盾构隧道。本文结合工程实践经验，调查、总结、分析了盾构隧道在服役初期的主要病害。在盾构隧道结构渗漏水、裂缝及损坏、断面收敛变形等病害方面进行了初探性分析，并论述其主要危害。在盾构隧道纵向沉降变形病害方面进行了重点论述，结合工程实例数据，介绍了目前已发现引起盾构隧道纵向差异沉降的主要因素。

[关键词] 盾构隧道 病害 渗漏水 裂缝 差异沉降

Abstract：The main structural form of urban subway tunnel was shield tunnel. In this paper， combined with engineering practice experience， the main disease of shield tunnel during the initial stage of operation was investigated， summarized and analyzed. The diseases，such as water leakage、crack and damage、section convergence deformation and so on in shield tunnel structure， and its main harm were exploring analyzed. The longitudinal settlement deformation of shield tunnel was mainly discussed with project data， and the major cause of longitudinal differential settlement of shield tunnel found at this stage was introduced.

Keywords： shield tunnel，disease，water leakage，crack，differential settlement

0、前言

城市轨道交通逐步由建设高峰期进入运营期，作为其主要结构形式的盾构隧道健康服役的问题日益突出。在国内北京、广州、深圳、上海的运营时间不长的线路中，已经发现诸多盾构隧道病害，诸如：渗漏水、纵向不均匀沉降、局部管片裂缝与错台、管片破碎与脱落、管片与道床脱开等；在国外运营时间较长的盾构隧道中，已发现衬砌钢筋锈蚀及结构混凝土腐蚀等多种耐久性不足的病害，同时发现由于周边土体流失，导致管片掉落的突发事故。另外目前城市各种频繁的建设工程，如基坑开挖、盾构隧道相互穿越、大规模的地面卸载加载、打桩等，给盾构隧道安全健康运营带来巨大风险。盾构隧道结构设计寿命为100年，但目前，尚无科学的方法来准确预测它们的寿命，只能以“预防为主”、“早期发现”、“及时维护”和“对症下药”为基本原则，通过各种检测手段获得定量数据，科学地健康诊断评估其服役现状，确保其运营安全。

1、盾构隧道运营期主要病害

1.1 结构渗漏水

这是软土隧道最主要的病害之一。对隧道的稳定、洞内设施、行车安全、地面建筑和隧道周围水环境产生诸多不良影响甚至威胁。渗漏水部位主要发生在环缝、纵缝、注浆孔及旁通道位置。并且呈现出冬季渗漏水现象较秋季等其它季节严重的规律。区间隧道中旁通道因其施工工艺特殊，渗漏水现象较为普遍。

图1 衬砌渗漏水

裂缝是混凝土结构最常见的病害，很多混凝土结构在使用期间都是处于带裂缝工作状态中。裂缝按形状可分为表面裂缝、贯穿裂缝，按走向可分为纵向裂缝和横向裂缝等。当裂缝为贯穿裂缝时，就会引起盾构隧道的渗水。

盾构隧道裂缝致病原因包括断面变形导致封顶块张开（纵缝）、不均匀沉降引起环缝张开、施工时的拼装误差、千斤顶挤压和外界荷载变化（地震、施工等），一般错位过大的位置会伴有接头失效的情况发生，导致渗漏水的发病几率大大增加。根据相关软土盾构隧道病害调查结果，管片因隧道沉降等其他因素导致破坏的现象较少，但由于隧道纵向沉降而造成的管缝张开、嵌缝条脱落的现象在运营隧道中已经发现，管片角部出现碎裂或缺角现象大多数由于制作、养护、吊运、安装和外力等诸因素的影响造成。

图2 衬砌裂缝

1.3 断面收敛变形

引起断面收敛变形的因素一般认为有荷载因素和不均匀沉降因素两类。荷载因素包括施工时引起的变形（千斤顶挤压、注浆压力过大等），以及运营期的外荷载因素（既有荷载的长期作用以及地震、外界施工等突发性加载）。通过现场调查，某软土盾构隧道区段管片监测统计显示，横向超过设计允许值 0.5%D（D为隧道外径）占被测管片总数的85%，横断面呈现出“横鸭蛋”形。

2、纵向差异沉降变形

一般性沉降的原因主要为土体的固结沉降和次固结沉降，而不均匀沉降的原因则可以分为荷载不均匀、土性不均匀以及结构刚度不均匀三种。不均匀沉降将导致断面变形、管片错位、螺栓变形等数种病害的发生，当纵向变形过大时，不仅仅会影响结构的适用性，其耐久性和安全性也会受到影响。大量实测资料表明，软土地区盾构施工引起的地面沉降有一个随时间逐渐增大的过程，尤其是建设在软弱、高压缩性土体中的隧道。在正常情况下，工后沉降约为总沉降量的30%～90%，伴随着长期沉降的发展，地面沉降槽的宽度也在不断增加。地面长期沉降将严重危及邻近建（构）筑物、桩基和地下管线等设施的安全与正常使用，可能引起隧道局部较大差异沉降，进而造成隧道挠曲并发生环向接缝张开、产生渗水漏泥。 差异沉降受地层分布、结构埋深影响实例：根据在某高架线路定期沉降观测过程中，监测到某车站站前500m左右产生了差异沉降；经与地层结合分析认为，轨道交通桥墩一般选取7-2层为持力层，而该位置地层7-2层缺失，桩基入土至7-1层，从地层上找到了差异沉降的原因，从而进行了合理的分析与沉降发展情况预测。

结构刚度过渡段差异沉降分析的实例：在高架线路段向地下的过渡段、停车场地下向地面的过渡段、地铁车站与盾构隧道过渡段的定期沉降测量工作中，均发现了较为明显的差异沉降现象。下图显示刚度过渡段差异沉降运营初期3年半的时间内仍未收敛，而一般建筑2年左右的沉降将逐步进入稳定期。

图3 刚度不均差异沉降实例

堆载影响差异沉降分析的实例：在某盾构隧道线路定期沉降监测过程中，发现车站出站东侧150m左右差异沉降较大，调查发现此区间段在建设期上方为未开发的农田，实测发现地铁上方土堆地表标高高出设计勘察时达5-6m，大于结构设计的计算荷载。

图4 堆载影响差异沉降实例

卸载影响差异沉降分析的实例：如下图所示，某项目施工期间地铁监测过程中，道床垂直位移的变化规律，表现为基坑围护阶段隧道上方土层受到挤压，隧道垂直位移呈下降趋势；基坑开挖阶段隧道上方土层的大量卸载，隧道垂直位移呈上升趋势；随着结构施工阶段的进行，隧道上方荷载不断增加，隧道垂直位移逐步的回落；结构封顶施工结束之后，隧道上方荷载量不再发生变化，隧道垂直位移有微小反弹抬升，随后逐渐趋于稳定。

图5 卸载影响差异沉降实例

3、结语

盾构隧道各种病害的发展是一个渐进的过程，目前国内地铁开通运营时间不长，由于观测时间短，大部分病害还不能得出很有规律的结论。但是对于病害表现异常的区间段，应保持高度警惕，观测其发展动态。为了保证地铁安全运营，应在工作中对相关病害现象、数据进行及时总结、分析，为后期变化监测提供理论支持。