运营隧道修复技术.doc

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运营地铁隧道修复技术

主要研究单位：

上海轨道交通运营管理中心

中国矿业大学

主要研究人员：

王如路、岳丰田、邱炜民、张旭、张勇、夏禕、李芹峰、石荣剑

1.研究背景

地铁建设一般都是沿着城市中心地带，地铁隧道的周围不可避免的会遇到沿线地区的城市建设或者是其它地铁线路隧道及车站的施工，这些必将引起地铁隧道结构的沉降，当沉降量超过一定的限度，尤其是不均匀沉降，将会引起地铁隧道结构的变形，给地铁的正常运行带来隐患，对周边环境（包括地表、附近建筑物、地下市政管线等）产生沉降、位移，甚至引发难以想象的安全事故，造成不可估量的经济损失和恶劣的社会影响。

同时，地铁隧道的轴线变形和地面沉降使隧道产生弯曲变形，导致隧道接缝张开，渗漏加剧，甚至漏泥，长此以往，地铁运营安全和乘客的舒适性将受到影响，维修费用随之增加。

另外，地铁隧道运行过程往往会受到地震、负重或卸载、腐蚀等外力作用而产生一定的破损。

这些都可能导致隧道发生沉降过大、变形过大或出现隧道结构损伤现象，必须根据具体的原因和现场情况采取相应的措施。

地铁隧道的周围不可避免的遭遇沿线地区的城市建设，这些必将引起地铁隧道结构的纵向沉降，当沉降量超过一定的限度，尤其是不均匀沉降，将会引起地铁隧道结构的变形，给地铁的正常运行带来隐患，对周边环境（公路地表、附近建筑物、地下市政管线等）产生沉降、位移，甚至引发难以想象的安全事故，造成不可估量的经济损失和恶劣的社会影响。

而隧道结构因沉降过大造成的隧道结构变形过大需要处理时，一般在隧道结构内进行，并且不能影响地铁的正常运营，所以处理措施会受到施工场地的限制和施工时间的约束。

另外由于受到隧道内通行限界的限制，隧道内可以处理的空间比较有限，所以在隧道内进行修复施工的技术和方法有别与常规的处理措施，需要进行专门的研究，提出在限定的隧道工作环境下，考虑地铁运营时间的限制条件，针对性的修复技术和施工工艺，建立一整套运营地铁隧道内管片修复技术方法。

2.主要研究内容

本课题针对上海地区特有的软土中运营地铁隧道出现的变形过大等问题开展研究，完成了项目建议书的全部研究内容，研究成果解决了在隧道内的狭小施工空间内，在不影响地铁正常运营的有限施工时间的条件下，进行隧道修复的问题，为以后类似的应用提供了基础。

课题的研究主要内容包括：

2.1隧道内钢圈综合修复技术

针对地铁隧道不均匀沉降导致的管片的损坏和隧道的变形的现象，提出隧道内钢圈综合修复的施工技术，即通过在隧道内、外对隧道周围进行注浆，待隧道结构的沉降稳定后，使用芳纶纤维材料对损坏管片进行加固，提高管片的强度。

为了控制隧道的变形，使用钢圈在隧道内加固整环管片，并在钢圈和管片之间的缝隙中充填环氧树脂，使管片和后加固的钢圈连接成一个整体，共同承受外部的荷载作用。

通过隧道管片的修复施工，可以有效改善管片的受力状态，控制隧道的渗漏状况，稳定隧道的不均匀沉降变形，同时对地铁的运营不产生影响。

主要的研究内容包括：

（1）隧道外注浆加固稳定技术

隧道外部因土体流失导致地层内松散可能存在局部不密实区域。

为确保隧道维持稳定状态，改善隧道内渗漏情况，为管片裂缝处理和钢套安装创造条件，通过地面注浆管和隧道内管片注浆孔分别进行压注，对隧道外部地层进行注浆施工。

（2）隧道内管片结构的处理技术

在对隧道管片进行芳纶纤维加固处理前，需要对损坏的管片进行初步处理，以保证管片的强度，并且不发生渗漏现象。

对于出现破损状况的管片，依据破损的大小、程度，分别研究了管片碎裂、表面微小裂缝、管片之间落差、管片的堵漏、螺栓手孔封堵及管片表面的除尘清理等问题。

（3）隧道管片芳纶纤维加固技术

粘贴芳纶纤维加固技术是采用高性能粘结剂将芳纶纤维布粘贴在管片结构表面，使两者共同工作，提高管片的承载能力，由此而达到对隧道进行加固、补强的目的。

根据隧道内管片的破损情况，选择隧道顶部破损较严重的管片进行加固施工，控制管片上裂缝进一步扩展。

施工时，芳纶纤维布沿环向粘贴，管片与管片拼缝处离缝粘贴。

（4）隧道内钢圈支护技术

对于受损较严重、变形较大的管片，在隧道内部使用钢圈对管片结构进行加固，来改善隧道的受力性能，控制隧道管片结构的变形。

为了提高隧道内加固钢圈的整体受力性能，钢圈一般为整环加固。

由于运营隧道中道床的影响，隧道下部的管片无法施工钢圈时，在道床的两侧设置牛腿支架，并在道床上部通过钢板连接，从而形成整环的支撑结构。

（5）施工期间隧道变形及环境监测技术

在整个加固过程中需做好隧道内结构变形及周围环境影响的监测工作，及时反映隧道的变化。

主要监测内容包括：

隧道垂直沉降监测、隧道收敛监测、隧道管片变形测量、周边地表监测、施工区域周边监测，对地面建筑、管线进行沉降监测。

（6）隧道修复的施工预案

根据施工现场的情况和施工工艺，确定施工过程的风险源，并对管线安全、施工时间与地铁运营的衔接、物品及人员对地铁营运安全的影响等问题提出具体要求。

2.2隧道内钢圈综合修复施工指导意见

为了规范隧道内钢圈综合修复的施工过程，编制了隧道内钢圈综合修复施工指导意见，全面总结了上海运营地铁隧道修复施工中注浆加固、管片处理、芳纶纤维加固和钢圈支护等各种技术的设计、施工和监测的经验、教训，进一步实现各项技术应用于运营地铁隧道修复的设计、施工及工程质量监督、检查、验收的科学化、规范化，以适应上海地铁隧道建设的需要。

施工指导意见的主要技术内容包括：

总则、术语、地面注浆、管片注浆施工、管片结构处理、芳纶纤维布加固、内钢圈支护、变形与环境监测、施工预案等。

2.3运营地铁隧道旁通道排水管修复技术

隧道旁通道排水管修复的指导思想是将允许变形小的铸铁管更换成耐腐蚀的合金不锈钢管，同时改变排水管与钢管片和积水井的连接接头形式，允许隧道管片和积水井之间产生一定的差异沉降。

施工中，是在冻结加固体的保护下，将排水管口开挖并清理后，在原来的铸铁排水管内安放耐腐蚀的合金不锈钢钢管，同时排水管与钢管片和积水井的接头部位采取法兰连接，最后在两根排水管之间以及接头部位的空隙内充填弹性环氧树脂。

研究的内容包括：

（1）旁通道排水管修复液氮冻结技术的基础研究

隧道旁通道排水管修复中使用的液氮冻结技术受到地铁运营和狭窄施工环境及施工时间的影响，使施工过程与常规冻结加固施工差别较大，并且没有类似工程可供参考。

在正式施工前，根据排水管修复液氮冻结施工特点，进行基础研究，获得液氮冻结加固施工的基本参数，包括冻结管布置方式、冻结壁的发展速度、冻结时间的确定、液氮消耗量的控制指标等。

通过有限元分析，掌握液氮冻结温度场的分布规律及冻结壁强度的验算要求等。

设计一种适应排水管修复施工环境的液氮冻结器的形式，保证液氮冻结效果。

（2）旁通道排水管修复施工技术研究

旁通道排水管修复施工主要包括施工准备、冻结加固、开挖、排水管处理、后期处理五个阶段，施工主要场地为旁通道内及旁通道处钢管片。

根据施工性质的不同，可将全体施工人员划分成冻结组、开挖组、应急组三组人员。

在施工准备阶段，三组人员主要任务是完善物资运输路线，将集水井等施工场地清理干净，同时在施工区域配备抢险物资，接入水、电、通风设施。

在冻结加固阶段，主要由冻结组进行土体冻结加固施工，应急组旁站监护，应对突发危险。

在开挖和排水管处理阶段，主要由开挖组进行道床混凝土凿除、集水坑清理、排水管内安放套管修复等施工，冻结组进行维护冻结加固施工，应急组旁站监护，应对突发危险。

后期处理由冻结组进行融沉注浆等施工，应急组旁站监护，应对突发危险。

（3）旁通道排水管修复的监测技术研究

排水管修复过程中，液氮冻结的效果直接影响排水管修复施工的安全，而对液氮冻结过程和冻结效果的监测，是保证冻结施工达到设计要求的检测方法和标准，所以在施工过程中要对冻结过程进行监测。

同时监测冻结过程中隧道结构产生的影响，保证临近结构的安全。

2.4运营地铁隧道旁通道排水管修复液氮冻结法施工指导意见

为了规范旁通道排水管修复液氮冻结法施工，编制了旁通道排水管修复液氮冻结法施工指导意见，全面总结了上海市工程建设中应用液氮冻结法对地铁旁通道排水管等特殊部位的加固设计、施工和监测的经验、教训，进一步实现液氮冻结应用于地铁旁通道排水管修复的设计、施工及工程质量监督检查验收的科学化、规范化，以适应上海地铁隧道建设的需要。

施工指导意见的主要技术内容包括：

总则、术语、地质资料要求、地层冻结设计、施工准备、冻结孔与冻结管、液氮冻结系统、冻结壁检测与判断、冻结工程收尾工作、排水管开挖、排水管修复、开挖修复的收尾工作、工程监测等。

课题研究的关键技术包括：

（1）研究适合隧道狭小施工环境和运营地铁影响施工时间条件下的施工机械，解决施工中存在的问题；

（2）研究并获得隧道管片结构补强的方法和技术；

（3）研究并获得隧道内钢圈支护控制隧道变形的方法和技术；

（4）研究获得隧道旁通道排水管液氮冻结及修复施工技术。

3.主要研究成果、指标符合性，成果获奖与专利

项目建议书的考核指标包括：

提交了运营地铁隧道修复技术的研究报告。

完成了3项专利的申请材料，其中发明专利申请材料2项，实用新型专利申请材料1项：

一种钢管与隧道钢管片的柔性连接方法；

承压水地层中冻结管的地下施工方法；

一种可拆卸的应急盖板。

获得了新技术2项：

隧道内钢圈综合修复技术；

运营地铁隧道旁通道排水管修复技术。

形成了施工指导意见初稿2项：

隧道内钢圈综合修复施工指导意见

运营地铁隧道旁通道排水管修复液氮冻结法施工指导意见。

4.应用前景与效益预测

在深入研究的基础上进行试验研究、理论分析和现场实测，得到第一手资料，为运营地铁隧道内管片修复问题的解决提供基础参数，研究运营地铁隧道内管片修复和旁通道排水管修复技术，形成隧道内管片修复和旁通道排水管修复的施工指导意见。

整个修复技术的施工过程都在隧道内进行，对地面的环境没有影响，不会造成夜间施工的扰民等问题，同时施工在非地铁运营时间进行，也不会影响地铁的正常运营。

隧道内管片修复和旁通道排水管修复施工指导意见的制定可以保证施工的标准化和程序化，有效的缩短管片修复施工时间，提高管片修复的施工质量，减少对地铁运营的影响，保证隧道结构和施工的安全。

如果运营地铁正常工作期间突然发生隧道的破坏或者沉降，产生的影响是非常严重的，不仅有直接损失，间接损失更大。

以直接损失计算，包括对地面建（构）筑物的影响，隧道本身的损失，地铁停运产生的损失，隧道修复的损失等等，可以说一次这样的事故带来的损失无法估量。

通过本课题的研究，可以降低此类安全事故发生的可能性，同时在出现此类事故时可以根据获得的成果及时采取措施，避免事故的进一步发展，有效的避免可能带来的不利影响，保障地铁的安全运营。

应用本课题的研究成果，可以有效提高隧道内管片和排水管修复的施工效率，保证施工的安全，使隧道修复设计和施工组织标准化。

研究成果可以直接应用于运营地铁隧道变形过大而造成管片损伤需要进行修复或者是排水管需要更换的工程，也可以应用于解决隧道管片或排水管的强度补强问题。