黑丝一区二区_91热久久免费频精品_亚洲国产中文最新_午夜精品福利视频_国产精品国产三级区

2024年11月26日 丨 網站首頁 丨 返回舊版
>軌道交通>正文

畢湘利 | 上海軌道交通提升盾構隧道結構本質安全的創(chuàng)新實踐

2024年01月19日 17:33 | 來源： 城市交通網 · 閱讀量： 1,573
分享到：
[目的]盾構隧道是柔性結構，具有多縫特征。受施工初始質量缺陷、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)結構變形超限、滲漏超標以及耐久性劣化等問題，僅依靠運營期加固和整治無法徹底解決。且隨著線網規(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，最終影響城市軌道交通全網的運維效率和質量。因此需研究提升盾構隧道結構本質安全的技術措施。[方法]分析了上海軌道交通盾構隧道的主要病害及影響盾構隧道結構安全的主要因素;介紹了上海軌道交通提升盾構隧道結構本質安全的技術措施以及確保盾構隧道結構本質安全的創(chuàng)新實踐。[結果及結論]上海軌道交通采取的提升盾構隧道結構本質安全的技術措施包括優(yōu)化擴大盾構隧道內徑、采用錯縫拼裝方式、提升接縫密封防水設計，確保盾構隧道結構本質安全的創(chuàng)新實踐包括采用預埋承插式管片新型盾構隧道結構、采用推拼同步智能盾構裝備及隧道智能建造技術。從源頭把握盾構隧道結構本質安全，通過優(yōu)化隧道結構設計、創(chuàng)新拼裝技術以及采用智能化裝備，在建設階段提升盾構隧道的成型質量、減少結構初始缺陷，能夠降低運營期盾構隧道結構發(fā)生病害的可能性，可為隧道的長期運營安全奠定堅實基礎。

0? 引言

盾構法對環(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]。從結構角度看，盾構隧道通過環(huán)、縱向螺栓連接預制管片拼裝成型，其最顯著的特點是接縫眾多。每公里單圓盾構隧道包含5000~6000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“柔性結構”。這種“柔性結構”在地下的長期服役過程中，由于施工初始質量缺陷、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)的隧道結構安全問題也日益凸顯[4]。

城市軌道交通結構安全直接影響其運營質量，結構病害嚴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)生隧道結構嚴重變形和病害，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號線隧道也曾因事故導致結構被嚴重破壞，使列車終止運行[6]。當前，城市軌道交通盾構隧道的維修、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)病害轉移，難以滿足長期高質量運營需求[7-8]。

城市軌道交通盾構隧道是百年結構，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質量，不利于城市高質量發(fā)展。為確保城市軌道交通盾構隧道的全生命周期安全，切實提升運營服務質量，需從源頭上把握盾構隧道結構本質安全，處理好建設與運維的關系。本文結合上海軌道交通盾構隧道的建設運維實踐，探討確保盾構隧道結構本質安全的具體策略和方法，相關經驗供同行借鑒參考。

1??盾構隧道結構安全問題分析

截至2022年底，上海軌道交通已經開通運營20條線路，運營里程超過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。上海軌道交通盾構隧道在運營過程中產生的病害有滲漏水、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重。據統(tǒng)計，大部分隧道在運營3~9年之間開始出現(xiàn)病害。每年隧道結構病害整治投入巨大，占用夜間天窗時間最多。

 

考慮盾構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)隧道結構病害的本質原因。此外，盾構隧道施工控制基本依靠人工完成，這極易導致管片成型質量參差不齊、結構存在初始缺陷，從而引發(fā)服役期管片錯臺、破損等。

 

對于由結構多縫特征和初始缺陷引發(fā)的盾構隧道病害，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的運維效率和質量。因此，為了提高盾構隧道的全壽命周期安全性，應通過轉變結構設計理念、優(yōu)化設計方案、創(chuàng)新施工技術等，在建設階段提升盾構隧道的整體剛度、減少初始缺陷，以高質量建設夯實安全運營的基礎，確保結構本質安全。

2??上海軌道交通提升盾構隧道結構本質安全的技術措施

在提升盾構隧道結構本質安全方面，在30多年的實踐和探索中，上海軌道交通采取的技術措施包括優(yōu)化擴大盾構隧道內徑以預留加固空間、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計等。

2.1??優(yōu)化擴大盾構隧道內徑

盾構隧道內徑主要由限界決定，同時也需考慮施工誤差、測量誤差、設計擬合誤差以及不均勻沉降等因素。在上海軌道交通建設初期，盾構隧道內徑設計為5.5m，并一直沿用20多年。從長期運營來看，5.5m的內徑設計存在空間布置過于緊湊、小半徑曲線段較難設置疏散平臺以及結構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量建設保障高質量運營的角度出發(fā)，率先研究盾構隧道內徑優(yōu)化方案，將內徑由5.5m擴大至5.9m。這為運營期隧道沉降變形及病害綜合治理預留了空間。從盾構隧道結構全壽命周期以及盾構隧道結構的本質安全的角度來衡量，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。通縫拼裝的管片結構符合“柔性襯砌”的設計理念，能夠在一定范圍內通過變形協(xié)調周圍環(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)較大的結構變形和接縫滲漏水。而錯縫拼裝的管片結構具有縱向加強效應,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”建設期末，上海軌道交通盾構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隧道埋深逐步加大且盾構隧道受力環(huán)境日益復雜，再加之管片制作精度和拼裝技術的提升可為采用新的管片拼裝方式提供技術保障，因此決定全面采用錯縫拼裝的管片結構形式。

2.3??提升接縫密封防水設計

盾構隧道內滲漏水是地鐵安全運營的最大威脅。盾構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計方案，創(chuàng)立了標準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合型密封墊(1、2號線)，到三元乙丙橡膠與遇水膨脹橡膠復合型密封墊(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)的轉變。三元乙丙橡膠單一型密封墊應力松弛小，受溫度變化影響小，通過接觸面壓應力以彈性壓密止水，具有良好的耐久性和止水性。在構造設計方面，上海軌道交通對橡膠密封墊斷面進行全面優(yōu)化設計，全面采用“多孔性”橡膠密封墊，該形式可應對長期受壓后的應力松弛等問題，水密性良好，已在全國范圍內推廣應用。

3??上海軌道交通提升盾構隧道結構本質安全的創(chuàng)新實踐

為進一步提升盾構隧道建設質量，從本質上保障盾構隧道結構安全，上海軌道交通將數(shù)字化、智能化新技術應用于盾構隧道建設，提出設計新型管片結構、提高施工裝備自動化水平等舉措。

3.1??采用預埋承插式管片新型盾構隧道結構

目前國內盾構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3~6mm，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，易影響管片成型質量，易造成結構初始缺陷。

在廣泛調研國內外盾構隧道接頭形式發(fā)展進程、新型連接件形式及新型連接件管片工程應用的基礎上，上海軌道交通研究開發(fā)了基于新型接頭的預埋承插式管片盾構隧道技術體系。該新型接頭管片摒棄了傳統(tǒng)的螺栓連接方式，采用管片澆筑前預埋連接件、施工拼裝時相鄰管片機械式連接的拼裝方法。預埋承插式管片接頭如圖1所示。表1為預埋承插式管片設計方案與傳統(tǒng)螺栓連接管片設計方案的主要參數(shù)對比表。由于取消了手孔、螺栓孔等構造措施，新型接頭管片避免了傳統(tǒng)管片連接方式所產生的局部削弱和耐久性問題。機械化連接方式也為盾構隧道施工自動化、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量的影響。

 

在力學性能方面，接頭及整環(huán)試驗結果表明，預埋承插式管片結構的初始剛度較傳統(tǒng)螺栓連接管片結構的更高，且極限承載能力也更高(見圖2)。此外，與傳統(tǒng)的凹凸榫構造環(huán)縫接頭相比，預埋承插式環(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。表明預埋承插式環(huán)縫接頭形式有更強的縱向變形適應能力。預埋承插式管片結構“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，能夠很好地適應軟土地層隧道的縱向長期沉降變形，具有很好的推廣應用潛力。

“十三五”期間，預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，采用預埋承插式接頭的管片拼裝質量及隧道成型質量得到了顯著提升(見表2)。此外，預埋承插式管片隧道在運營期內的服役狀態(tài)良好，基本無病害。該技術有效提升了隧道成型質量，減少了結構初始缺陷，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。

3.2??采用推拼同步智能盾構裝備及隧道智能建造技術

在傳統(tǒng)盾構施工方法中，管片拼裝、盾構機推進、糾偏、同步注漿和物料運輸?shù)汝P鍵環(huán)節(jié)均依賴于人工。在當前基建高強度發(fā)展條件下，操作經驗成熟的盾構施工人員相對數(shù)量缺乏。工人經驗不足會對盾構隧道工程質量和安全構成現(xiàn)實威脅，這是近年來安全事故頻發(fā)的重要原因。因此，要提升隧道建設質量，就要把人工操作經驗數(shù)字化、智能化，用系統(tǒng)設備自動控制替代人為操作。

預埋承插式管片新型盾構隧道結構的推廣應用，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條件。為進一步提升建設品質，在“十四五”期間，上海軌道交通加大推進盾構隧道施工從理論、模式、技術到裝備的系統(tǒng)性創(chuàng)新，著力研發(fā)推拼同步智能盾構裝備及隧道智能建造技術，同步改造、升級既有盾構設備。

推拼同步智能盾構實現(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，大幅度提升盾構法施工質量。此外，通過“推拼交替”到“推拼同步”的技術跨越，既可提升工效，又能提升盾構成型質量。

上海軌道交通將在“十四五”期間完成推拼同步智能盾構工程的推廣應用，這將全面提高管片預制成品質量、盾構機施工控制自動化水平、自動測量技術和施工推進控制質量的標準。通過成套智能技術、裝備和標準的推廣應用，實現(xiàn)盾構隧道高質量、高安全、高效率建設，全面提升新建盾構隧道成型質量。

4? 結語

確保盾構隧道結構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)探索確保盾構隧道結構本質安全的創(chuàng)新方法和技術路線，通過優(yōu)化隧道結構設計、創(chuàng)新拼裝技術以及采用智能化裝備，在建設階段提升盾構隧道的成型質量、減少結構初始缺陷，進而降低運營期盾構隧道結構發(fā)生病害的可能性，為隧道的長期運營安全奠定堅實基礎。在“十四五”建設期間，上海軌道交通將持續(xù)推進新技術的研究與應用，通過技術創(chuàng)新，不斷提升建設品質，促進城市軌道交通行業(yè)的高質量發(fā)展。

編輯：卓卓

行業(yè)數(shù)據 更多