城市軌道交通橋隧維修與養(yǎng)護隧道設施基礎知識GeneralknowledgeoftunnelinfrastructureCONTENTS目錄地下結構的荷載Loadsonundergrundstructures隧道施工方法Methodsoftunnelconstruction隧道防水要求隧道結構形式TunnelstructuresRequirementsoftunnelwaterproofing1地下結構的荷載地下結構的荷載按照《地鐵設計規(guī)范》(GB50157-2013)的規(guī)定:作用在地下結構上的荷載,可以分為久荷載、可變荷載和偶然荷載。如表1-3所示。2隧道施工方法隧道及地下工程的類型很多,工程特點各異,相應的施工方法和技術也各不相同。表1-3為我國目前地下工程中應用于城市軌道交通區(qū)間隧道的施工方法及其特點。隧道施工方法3隧道結構形式明挖法隧道結構形式礦山法隧道結構形式盾構法隧道結構形式沉管法隧道結構形式

區(qū)間隧道一般有矩形、拱形、圓形、多圓形及橢圓等斷面形式。矩形斷面分單跨、雙跨兩種,其內(nèi)輪廓與區(qū)間隧道建筑限界接近,便于頂板上敷設城市地下管網(wǎng)設施;圓形斷面形式具有結構受力合理、斷面形狀不會因線路縱向坡度和平面曲線半徑變化而改變、對內(nèi)凈空影響小等特點。雙圓盾構的使用在有效利用地下空間、減少施工周期等方面取得一定優(yōu)勢。隧道結構形式1.明挖法隧道結構形式明挖法施工的隧道結構通常采用矩形斷面,一般為整體澆注或裝配式結構,由于其內(nèi)輪廓與地下鐵道建筑限界接近,內(nèi)部凈空可以得到充分利用,結構受力合理,頂板上便于敷設地下管網(wǎng)設施(1)整體式襯砌結構結構斷面分單跨、雙跨等形式,見圖1-25,由于其整體性好,防水性能容易得到保證,故可適用于各種工程地質(zhì)和水文地質(zhì)的條件,但施工工序較多,施工速度較慢隧道結構形式

(2)預制裝配式襯砌預制裝配式襯砌的結構形式,應根據(jù)工業(yè)化生產(chǎn)水平、施工方法、起重運輸條件,場地條件等因地制宜選擇,目前以單跨和雙跨較為通用,見圖1-26。預制裝配式襯砌整體性較差,對于有特殊要求(如防護、減震)的地段,要慎重選用隧道結構形式

(3)區(qū)間喇叭口隧道喇叭口襯砌通常都采用整體式鋼筋混凝土結構,圖1-27表示非對稱型喇叭口結構。隧道結構形式2.礦山法隧道結構形式軌道交通區(qū)間隧道采用礦山法施工時,一般采用拱形結構,其基本斷面形式為單拱、雙拱和多跨連拱,見圖1-28.前者多用于單線或雙線的區(qū)間隧道或聯(lián)絡通道,后兩者多用在停車線折返線或喇叭口岔線上根據(jù)圍巖條件、地下水狀況、地表下沉的控制標準、斷面大小和施工方法等,隧道可以采用復合式襯砌及其衍生方案隧道結構形式

(1)復合式襯砌

復合式襯砌由初期支護、防水隔離層和二次襯砌所組成,如圖1-29所示。外層為初期支護,其作用為加固圍巖,控制圍巖變形,防止圍巖松動失穩(wěn),是襯砌結構中的最重要承載單元。一般應在開挖后立即施作,并應與圍巖密貼,所以最適宜采用噴錨支護,即根據(jù)具體情況,選用錨桿、噴混凝土、鋼筋網(wǎng)和鋼支撐等單一或并用而成。內(nèi)層為二次襯砌,通常在初期支護變形穩(wěn)定后施作。隧道結構形式因此,它的作用主要為安全儲備,并承受靜水壓力,以及圍巖蠕動或因圍巖性質(zhì)惡化和初期支護腐蝕后所引起的后續(xù)荷載,并提供光滑的通風表面。二次襯砌一般采用模注混凝土。在初期支護和二次襯砌之間一般需要敷設不同類型的防水隔離層。

(2)衍生方案

在干燥無水的堅硬圍巖中,區(qū)間隧道襯砌亦可采用單層的噴錨支護,不做防水隔離層和二次襯砌,但此時對噴混凝土的施工工藝和抗風化性能都應有較高的要求,襯砌表面要平整,不允許出現(xiàn)大量的開裂。當巖層的整體性較好,基本無地下水,襯砌結構防水要求不高,從開挖到襯砌這段時間圍巖能夠自穩(wěn)時,可采用單層整體現(xiàn)澆混凝土襯砌或裝配式襯砌,不作初期支護和防水隔離層。根據(jù)不同的圍巖條件,整體式襯砌可做成等截面直墻式和等截面或變截面曲墻式,前者適用于堅硬圍巖,后者適用于軟弱圍巖。一般要求在襯砌做好后向襯砌背后注漿,填充空隙,改善襯砌受力狀態(tài),減少圍巖變形。同時,襯砌混凝土本身需有較高的自防水性能。隧道結構形式3.盾構法隧道結構形式盾構法修建的隧道襯砌有預制裝配式襯砌(見圖1-30),預制裝配式襯砌和模筑鋼筋混凝土整體式襯砌相結合的雙層襯砌(見圖1-31)以及擠壓混凝土整體式襯砌三大類。隧道結構形式

(1)預制裝配式襯砌

預制裝配式襯砌,是用工廠預制的構件(稱為管片),在盾構尾部拼裝而成。管片種類按材料可分為鋼筋混凝土、鋼、鑄鐵以及由幾種材料組合而成的復合管片。在區(qū)間隧道的特殊地段,如集水井、需要開口的襯砌環(huán)或預計將承受特殊荷載的地段,一般采用鋼或鑄鐵管片。管片類型比較見表1-4。隧道結構形式

按管片螺栓手孔大小,可將管片分為箱型和板型兩類,如圖1-32和圖1-33所示。隧道結構形式

箱型管片是指因手孔較大而呈肋板型結構,手孔較大不僅方便了接頭螺栓的穿入和擰緊而且也節(jié)省了材料,使單塊管片重量減輕,便于運輸和拼裝。但因截面削弱較多,在盾構千斤頂推力作用下容易開裂,故只有強度較大的金屬管片才采用箱型結構。直徑和厚度較大的鋼筋混凝土管片也有采用箱型結構,在箱型管片中縱向加勁肋是傳遞千斤頂推力的關鍵部位,般沿襯砌環(huán)向等距離布置。板型管片是指因螺栓手孔較小或無手孔而呈曲板型結構的管片,由于管片截面削弱少或無削弱,故對盾構千斤頂推力具有較大的抵抗力,對通風的阻力也較小。鋼筋混凝土管片多采用板型結構。隧道結構形式

襯砌環(huán)的組成,一般有兩種方式:一種是有若干標準管片(A)、兩塊相鄰管片(B)和一塊封頂管片(K)組成;另一種是由若干塊A型管片,一塊B型管片和一塊K型管片構成,見圖1-34。相鄰管片一端帶坡面,封頂管片則兩端或一端帶坡面,從方便施工、提高襯砌環(huán)防水效果角度看,第一種方式較好。襯砌環(huán)的拼裝形式有錯縫和通縫兩種,見圖1-35錯縫拼裝可使接縫分布均勺,減少接縫以及整個襯砌環(huán)的變形,整體剛度大,所以是一種較為普遍采用的拼裝形式。但當管片制作精度不夠高時,管片在盾構推進過程中容易被頂裂,甚至頂碎。在某些場合,例如需要拆除管片修建旁通道處或某些特殊需要時,則襯砌通常采用通縫拼接形式,以便施工。隧道結構形式

隧道結構形式

(2)雙層襯砌

為防止隧道滲水和襯砌腐蝕,修正隧道施工誤差,減少噪音和振動以及作為內(nèi)部裝飾可以在裝配式襯砌內(nèi)部再做一層整體式混凝土或鋼筋混凝土內(nèi)襯。根據(jù)需要,還可以在裝配式襯砌與內(nèi)層之間敷設防水隔離層。國內(nèi)外在含地下水豐富和含有腐蝕性地下水的軟土地層內(nèi)的隧道,大都選用雙層襯砌,即在隧道襯砌的內(nèi)側再附加厚250~300mm的現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯,主要解決隧道防水和金屬連接桿件防蝕問題,也可使隧道內(nèi)壁光潔,減少空氣流動阻力。隧道結構形式

(3)擠壓混凝土整體式襯砌

擠壓混凝土襯砌就是隨著盾構向前推進,用襯砌施工設備在盾尾同步灌注的混凝土或鋼筋混凝土整體式襯砌,其灌注后即承受盾構千斤頂推力的擠壓作用。擠壓混凝土整體式襯砌可以是素混凝土或是鋼筋混凝土,但應用最多的是鋼纖維混凝土。擠壓混凝土整體式襯砌一次成型,內(nèi)表面光滑,襯砌背后無空隙,故無須注漿,且對控制地層移動特別有效。但因擠壓混凝土襯砌需要較多的施工設施,且混凝土制備、配送、鋼筋骨架等工藝較為復雜,在滲漏性較大的土層中要達到防水要求上有困難,故擠壓混凝土襯砌的應用范圍不廣泛。隧道結構形式

(4)聯(lián)絡通道

地鐵設計規(guī)范要求,兩條單線區(qū)間隧道之間,當隧道連貫長度大于600m時,應設置聯(lián)絡通道,并在通道兩端設雙向開啟的甲級防火門。聯(lián)絡通道的位置一般處于各段區(qū)間隧道的中間段,由于地鐵建設常常采用“高站位,低區(qū)間”的方法,中間段通常也為線路最低處。在實際工程中,常將其與地下泵站合并建設,如圖1-36所示。隧道結構形式4.沉管法隧道結構形式地下鐵道穿越江、河、湖、海時,往往采用預制沉管法施工。這一方法的要點是先在干船塢或船臺上分段制作隧道結構,然后放入水中,浮運至設計位置,逐段沉入水底預先挖好的溝槽內(nèi),處理好各階段的接縫,將其連接成一個整體貫通隧道。沉管結構橫斷面有圓形和矩形兩大類,斷面形狀要從空間的充分利用和結構受力合理兩方面綜合考慮,如圖1-37所示。當隧道位于深水中(大于45m),管段承受較大的水壓時,其相應的內(nèi)力較大,采用圓形或接近圓形的斷面比矩形斷面更為有利;當水深在35m之內(nèi)時,可用矩形斷面;水深介于35~45m時,要進行詳細對比予以選擇。隧道結構形式每節(jié)沉管的長度依據(jù)所在水域的地形、地質(zhì)、航運、航道、施工方法等方面的要求等確定一般為60~140m,多數(shù)在100m左右,最長的已達到268m。斷面尺寸根據(jù)使用要求、埋深地質(zhì)條件、施工方法等確定。管段結構構造除滿足受力要求外,還應考慮管段浮運、沉沒、波浪力、基礎形式及地基性質(zhì)的影響。隧道結構形式沉管段結構的外輪廓尺寸除滿足抗浮設計要求外,還要保證一定的干舷和安全系數(shù)。沉管結構混凝土等級一般為C30~C50,不容許出現(xiàn)通透性裂縫,非通透性裂縫的開展寬度應控制在0.15~0.2mm。當隧道的跨度較大,或者水、土壓力較大(300~400kPa)時,頂、底板受到的彎矩和剪力都很大,也可采用預應力結構。一般為簡化施工,盡量采用普通鋼筋混凝土結構。沉管段連接均在水下進行,一般有水中混凝土連接和水壓壓接兩種方式。按變形狀況可分為剛性接頭和柔性接頭,對于地震區(qū)的沉管隧道宜采用特殊的柔性接頭,這種接頭即能適應線位移和角變形,又具有足夠的軸向抗拉、抗壓、抗剪和抗彎強度。隧道結構形式4隧道防水要求地下結構防水要求明挖法隧道結構防水蓋挖法隧道結構防水礦山法隧道結構防水盾構法隧道結構防水聯(lián)絡通道的防水設計隧道結構形式1.地下結構防水要求滲漏水會影響結構的耐久性,導致結構產(chǎn)生不均勻沉隆,危及行車安全,影響設備的正常使用,因此,防水對于地下工程非常重要。地鐵養(yǎng)護單位在日常工作中遵循“逢漏必堵,逢損必固,逢沉必注”的指導原則。目前,我國地下工程防水等級分四級,見表1-5,地鐵工程防水按二級防水要求執(zhí)行。

不同的場所適用不同的防水等級見表1-6。設計規(guī)范規(guī)定,地下車站、行人通道和機電設備集中區(qū)段的防水等級應為一級;區(qū)間隧道及連接通道等附屬的隧道結構防水等級應為二級。根據(jù)不同的施工方法,其防水措施不盡相同。

隧道結構形式2.明挖法隧道結構防水采用明挖法的結構防水,一般由結構自防水和附加防水層所組成。附加防水層可以用卷材、涂料或防水砂漿等做成。通常防水層都設在主體結構外側(迎水面),且要求與結構的表面黏結良好。

隧道結構形式1)主體結構防水層施工（1）卷材防水根據(jù)基坑支護方法,選擇不同的卷材防水做法。對于敞口放坡法施工的結構,先在墊層上鋪貼底層卷材、四周留出接頭,待底板混凝土和立面混凝土澆筑完畢,將立面卷材防水層直接鋪設在防水結構的外墻外表面。對于樁支護法施工的結構,先澆筑混凝土墊層,在墊層上將永久性保護墻全部砌好,抹水泥砂漿找平層,將卷材防水層直接鋪貼在墊層和永久性保護墻上。明挖結構外貼式防水構造如圖1-38所示。

隧道結構形式防水卷材要求有良好的耐水性和對溫度變化的穩(wěn)定性(高溫下不流淌、不起泡、不滑動;低溫下不脆裂),有一定的機械強度、延伸性和抗斷裂性,要有一定的柔韌性和抗老化性等。隧道結構形式

（1）涂層防水在明挖結構中也可采用大面積的涂料防水,但要注意保證涂料防水厚度的均勻一致。因卷材在基面復雜部位不易施工,故采用涂料防水。2)明挖結構變形縫等防水構造和施工要求①變形縫:變形縫防水構造形式和材料應根據(jù)工程特點、地基和主體結構變形情況以及水壓、水質(zhì)和防水等級等因素確定?？p寬一般為20~30mm,水壓較大的變形縫通常采用埋入式橡膠止水帶。②后澆縫:后澆縫應在其兩側結構混凝土的齡期達6周以后再施工;施工前應將接縫處的混凝土鑿毛,清洗干凈,保持潤濕并刷水泥漿,或鑿毛清洗后等其干燥,在其結構斷面中部附近安放遇水膨脹膩子條:用補償混凝土將后澆縫注滿,其強度等級和抗?jié)B等級均不低于兩側主體結構混凝土:養(yǎng)護時間不小于28天。隧道結構形式③施工縫:鑿毛清洗干凈后,在結構斷面中部附近放置遇水膨脹膩子條。也可采用橡膠或塑料止水板等,但施工比較麻煩。④穿墻管:穿墻管應在澆注混凝土前埋設,并加止水環(huán),環(huán)與主管要滿焊。3.蓋挖法隧道結構防水蓋挖法修建的地下鐵道結構,其側墻有兩種形式:一種是地下連續(xù)墻或樁墻和內(nèi)襯所組成的復合墻:另一種是只有地下連續(xù)墻的單層墻。無論是哪種構造形式,側墻以及側墻和板接縫處的防水問題都是技術上的難題。蓋挖法結構防水除采用結構自防水外(抗?jié)B標號不低于P8),并應增設附加防水層組成的多道防線,連續(xù)墻附加防水層按不同結構形式采用兩種不同的方法。隧道結構形式

（1）夾層式的防水結構夾層式的防水結構,即在復合墻的地下連續(xù)墻與內(nèi)襯之間設置防水隔離層。實踐證明,這種防水結構不僅防水效果好,而且可消除連續(xù)墻對現(xiàn)澆混凝土內(nèi)襯收縮的約束作用,減少內(nèi)襯的收縮裂縫。夾層式防水結構的施工方法和礦山法復合襯砌的相同,將在礦山法復合式襯砌防水中給予介紹。

（2）涂抹式的防水結構涂抹式防水結構,即在單層墻的內(nèi)表面(經(jīng)處理過的),涂抹一層防水砂漿或其他防水涂料的剛性防水層。防水涂料種類很多,其中以高效滲透型水泥密封劑效果較好,因為這種涂料在一定時間可滲混凝土表面下50mm,并在混凝土的孔隙中產(chǎn)生一種不溶解的結品,堵塞毛細水的滲漏通道。隧道結構形式4.礦山法隧道結構防水

（1）復合式襯砌防水系統(tǒng)復合式襯砌防水系統(tǒng)由三道防水防線構成:初期支護結構(鋼筋格柵+噴射混凝土);防水層(柔性外包防水);二次襯砌結構(鋼筋骨架+模筑防水混凝土)。三者相輔相成,同時加上施工縫、變形縫等防水,共同形成了礦山法復合式襯砌防水體系。2）夾層防水層柔性外包防水層,作為地下車站結構的“輔助防水層”,設置在初期支護結構內(nèi)表面,包裹在二次襯砌結構的外表面。柔性外包防水層不僅能起到防水作用,而且對初期支護噴射混凝土和二次襯砌的模筑混凝土來說,起到隔離和潤滑作用;可以改善模筑混凝土的施工條件,有利于保證模筑混凝土的施工質(zhì)量;可以避免或減緩混凝土硬化過程中的應力效應,減少防水混凝土產(chǎn)生裂縫的概率可以保護和發(fā)揮二次襯砌結構的防水作用,有利于延長二次襯砌結構的壽命。隧道結構形式（復合式襯砌的柔性外包防水一般為:在初期支護混凝土表面鋪設緩沖層(土工布或聚乙烯泡沫塑料卷材)和導水的墊層,再采用無釘孔鋪設法施作防水板(橡膠瀝青類、合成橡膠類塑料類等防水隔離層材料)。夾層防水構造通用如圖1-39所示。隧道結構形式5.盾構法隧道結構防水在一定的水壓作用下,不僅盾構管片能夠防水抗?jié)B,而且管片環(huán)縱縫在預定張開量下也具有防水能力。因此,盾構隧道結構防水采用“自身防水為主,多道防線,綜合處理”的原則。盾構隧道的防水體系由管片自防水、管片外防水防腐涂層和管片接縫處理組成。管片防水構造如圖1-40所示。

隧道結構形式

（1）管片自防水結構自防水是首選的防水措施,主要通過采用防水混凝土及嚴密的施工工藝來保證管片質(zhì)量,以達到防水效果。管片混凝土強度等級為C50~C55,抗?jié)B標號可達P8-P12以上。

（2）管片外防水防腐涂層管片外防水涂層需根據(jù)管片材質(zhì)而定,凡有較深裂紋的管片一般都要增加外防水涂層。施涂工作在管片預制廠進行。技術要求如下:①涂層在盾尾密封圈鋼絲刷與鋼板的擠壓磨損下不損壞、不滲水。②在管片弧面的混凝土裂縫寬度達到0.3mm時,仍能抗0.8MPa水壓。③涂層的耐腐蝕性、耐侵蝕性、耐久性好。④涂層具有防迷流的功能。⑤除管片背面外,還應涂抹于接縫環(huán)形密封圈外側的混凝土上。隧道結構形式

（3）管片接縫處理管片接縫防水是盾構法隧道防水的核心,分為密封、嵌縫和螺栓孔防水三種。根據(jù)使用目的不同,有時只采用密封,有時三種措施同時采用。①密封防水：密封防水是在管片接頭表面進行噴涂或粘貼膠條的方法,膠條一般是橡膠止水帶。橡膠止水帶通常有遇水膨脹型和彈性密封型及兩者結合型三種。遇水膨脹橡膠帶是由可遇水膨脹的脂與合成橡膠混合而成,止水帶與水接觸后膨脹,填滿管片間隙,并壓緊管片,從而密封止水。彈性密封型止水帶則是利用氯丁橡膠及三元乙丙等硬質(zhì)橡膠制成,依靠本身的彈性密封止水。隧道結構形式②接嵌縫防水：對管片接縫部位施作嵌縫,特別是在止水條失效的部位施作嵌縫,是盾構法施工隧道防水有效而實用的一種辦法。嵌縫防水指預先在管片的內(nèi)側邊緣留有嵌縫槽,以后用嵌縫材料填塞。嵌縫槽的形狀要考慮拱頂嵌縫時,不致使填料墮落、流淌,其通常深度為20mm、寬度為12mm。嵌縫材料應具有良好的水密性、耐侵蝕性、收縮復原性、硬化時間短、收縮小、便于施工等特性。滿足上述要求的材料有以環(huán)氧類、聚硫橡膠類、尿素樹脂類為主的材料。隧道結構形式

③螺栓孔與壓漿孔防水：螺栓與螺栓孔或壓漿孔之間的裝配間隙是滲水的重要通道,所采取的防水措施就是用塑性(合成樹脂類、石棉瀝青或鉛)和彈性(橡膠或聚氨酯水膨脹橡膠等)密封圈墊在螺栓和螺子口之間,在擰緊螺栓時,密封圈受擠壓變形充填在孔壁之間,達到止水效果。另一種防水方法是采用塑料螺栓孔套管,澆