地铁盾构隧道钢板内衬加固设计与施工

摘要：地铁盾构隧道管片结构受地面建构筑物、堆卸载、周边地层、地下水位等多方面外力作用，有可能出现各种病害，为确保盾构隧道结构安全、后期运营安全，必须对其进行加固补强，文中介绍针对某地铁区间隧道盾构管片采取的钢板加固设计与施工。

关键词：盾构隧道、钢板内衬、设计、施工

一、前言

随着经济社会的不断发展，地铁应景成为发达城市的重要交通工具。尤其是在最近几年里，地铁的发展已经达到一个高潮。作为城市区域功能的一部分，地铁和建构筑物之间总是会有所结合，地铁的建设都要对建构筑物进行保护，但是对于年代久远的建构筑物来说，附近的地层相对敏感，建构筑物自身设计未考虑地铁的相互影响，为确保盾构隧道结构安全、后期运营安全，必须对盾构隧道结构进行加固补强，现国内仅有少数几个城市采取钢板加固的案例。

二、工程概况

某地铁区间下穿既有市政桥梁，市政桥梁距离车站（地下二层站）端头仅40余米，盾构隧道左右线正穿桥梁，盾构掘进方向与桥梁长边方向平行，该桥梁长50.4m，宽40m，是一座三等跨简支桥梁，基础为扩大基础（条石基础）。该桥梁最初修建于60年代，后于90年代进行过一次改建，将桥下部构造保留，经过维修加固及增高，上部构造全部拆除新建，故该桥下部基础材料为条石，上部为砼。

根据详勘资料显示，桥两侧钻孔均揭示有砂层，并且砂层位于推测桥基底范围及隧道拱顶范围，为了查清桥墩基础情况及其下地质情况，满足设计及施工要求，相关部门开展钻孔取芯工作，在桥墩及桥台通过取芯得到基础底标高及基础下地质情况。根据钻孔取芯结果显示，条石基础下方存在素混凝土，并且素混凝土标高不一致，从0.5m～1.5m不等，素混凝土范围与地勘砂层范围基本吻合，素混凝土下方为砂卵石层。结合取芯结果标高，1号台及1号墩基础下方素混凝土进入隧道范围。

三、钢板内衬加固设计方案与分析

由于盾构隧道与市政桥梁基础净距过小，为保证后期地铁运营与桥梁通行的安全，需对盾构隧道采取钢板加固措施。

1、结构受力分析计算

1）计算工况选择

盾构施工对将对桥梁有一定影响，而在隧道使用阶段上部桥台（墩）将作用在盾构隧道管片上，因此桥梁对盾构隧道、尤其对盾构隧道纵向存在不均匀荷载。为此，本次计算分两种工况分别分析：

工况一：隧道施工阶段盾构隧道开挖对上部桥桩（墩）的变形影响；

工况二：隧道使用阶段上部桥桩（墩）对隧道纵向变形的影响（主要体现为管片环缝张开量）。

2）计算程序

计算软件为ANSYS有限元程序，计算为弹性计算。

（1）隧道施工阶段

以平面单元PLANE42分别模拟各层土体、及盾构同步注浆层，以二维梁单元BEAM3模拟盾构管片，参数按地勘报告和一般盾构施工经验确定。计算模式为地层-结构模式。

（2）隧道使用阶段

以厚壳单元SHELL63模拟盾构管片，分别以COMBIN

3

9、COMBIN14模拟地基弹簧和管片环间纵向螺栓连接。计算模式为荷载-结构模式。

3）计算结果及分析

（1）隧道施工阶段

（2）隧道使用阶段

4）结论

（1）盾构施工过程中，对桥台（墩）影响较大，理论计算得桥台（墩）最大差异沉降量达7.7-1.6=6.1mm，应该采用可靠措施改善桥台（墩）底土层性能。本计算未考虑盾构施工前对桥台（墩）侧的注浆和盾构机通过后的跟踪注浆措施，仅考虑了盾构同步注浆作用。。

（2）在隧道使用阶段，考虑桥基础冲击荷载，经计算，管片环缝最大张开量为1.05mm，应采用适当的措施加强管片堵漏防水。

（3）管片结构受力在考虑与桥基础相互作用下，安全储备较小，应考虑加强措施。

2、钢板加固设计方案

经过模拟分析计算，研究决定采取钢板加固补强的措施。

1）对于隧道与桥梁基础接触范围（即一号台及一号墩下方）增设钢板内衬进行加强，使其与盾构隧道结合成叠合结构，提高隧道承载力，增加隧道安全储备。

四、钢板内衬施工

1）钢板内衬的制作，整平→放样→下料→修整→制孔→弯曲→除锈→单面涂聚脲弹性体底漆。

2）钢板内衬的安装前，使用汽车吊、手动液压托盘搬运车将钢板内衬和设备运至施工现场，搭设脚手架。

3）使用打磨机对管片表面进行处理，对螺栓手孔和管片纵缝用抗裂砂浆封堵。

4）结合管片配筋图，配合钢筋探测仪探测钢筋位置，用样板划出锚栓孔位置和钢板内衬对接缝位置线，锚栓孔避开管片钢筋。

5）安装钢板内衬，在钢板内衬表面用千斤顶实施钢板内衬贴紧管片，直至钢板贴紧管片。

7）钢板内衬之间采用焊接方式焊接为一体，以保证形成一个良好的受力整体，起到对隧道加固支撑的作用；在安装钢板内衬过程中在对接焊缝处垫2mm钢衬垫。焊缝均采用坡口焊，采用CO2气体保护焊，焊缝等级为二级。钢板两侧与管片接缝处采用环氧胶泥封堵。用4个螺栓孔充当2个注浆孔和2个排气孔，完成环氧树脂填充压注工作。再将排气孔和注浆孔进行第二次锚栓施工

五、结论及建议

1、在隧道内部采用钢板内衬进行衬砌加固，在一定程度上能减小隧道的受力变形，保证隧道结构稳定。

2、建议定期对隧道结构和上部桥梁结构进行检查及监测，掌握隧道结构受力变化情况，保证运营安全。

3、钢性环氧树脂作为结构填充材料，固化后凝结成高强度聚合物，适用于盾构隧道钢板内衬工况，具有粘接度强，抗压、抗拉、抗剪强度高，不收缩的有点。