既有打浦路隧道结构损伤评估方案研究

既有打浦路隧道结构损伤评估方案研究

1管片生产技术上海江湾打浦路隧道是中国采用自行结构法建造的第一条越江路隧道。它建于1965年，在黄浦江底部进行了压力结构。矩形埋深段采用沉降和沉箱法，开放式部分采用弹性钢板密封法。如图1所示，于1968年9月28日开通。隧道采用钢筋混凝土管片.管片环的外径为10.0m,内径为8.8m,每环由5个标准块、2个邻接块和1个封顶块拼装而成.管片宽度为900mm,肋面厚度为600mm.每个接头有3只φ36mm的外排弯月形螺栓和3只内排φ42mm直螺栓,每环共计48只环向螺栓.管片纵向联结采用φ30mm的直螺栓,每环共计64只纵向螺栓.螺栓孔防水使用沥青石绵垫圈,如图2所示.打浦路隧道的管片采用半干硬性混凝土、水平整环立模和管片环钢模(2个同心钢圆环),在内外钢模板之间用6mm厚钢板把圆环分割成块.这种生产方式的精度较高,但实际生产的管片尺寸精度低,管片宽度、弧长、弦长的尺寸误差为±3.5mm.混凝土标号R450#,抗渗能力≥3倍静水压力.抗压强度Ru=325kg/cm2以上,抗拉强度=27kg/cm2,主筋抗拉强度σv=3250kg/cm2.混凝土是由青石、碎石、中粗砂和600#硅酸盐水泥伴制,水灰比0.38～0.42.管片的接缝防水采用了全断面浇涂环氧煤焦油沙浆.以封闭接缝缝隙和传递压力的作用,借助螺栓预应力使各种管片结成整体.2既有结构损伤既有隧道结构损伤因素可以分为由特殊荷载作用导致的隧道结构损伤和由于耐久性不足引起的结构损伤.其中特殊荷载作用包括地震荷载作用(如1983年东海地震导致打浦路隧道圆型隧道与竖井接头部位产生5条明显裂缝,致使水土涌入隧道)、高温火灾作用、爆炸荷载作用,以及差异变形引起的隧道结构损伤等等.耐久性不足引起的结构损伤主要指由于环境的腐蚀作用,隧道结构材料(包括混凝土、接头防水材料、钢筋、螺栓,金属等)劣化而导致的损伤.经初步调查既有打浦路隧道结构的损伤主要包括以下几个方面:1)本工程所处地层为饱和含水地层,而下风道更是处于粉质粘土(-16m～-27m,含水量在60%～87%之间)地层,极易水土流失,加速隧道沉降,加大接缝张开量,形成恶性循环.由于地质情况的复杂性,隧道不均匀沉降,使管片环缝处、矩形段井接缝、圆形段与矩形段、主井和通风井的连接部位产生开裂漏水.渗漏水又加剧了隧道的不均匀沉陷.2)螺栓孔、压浆孔以及隧道管片接头漏水较多,其中螺栓孔、压浆孔漏水最多.主要由于螺栓孔沥青垫圈不完整或者在施工中已经被压碎以及弯螺栓孔的灌浆不密实,不能有效阻止水进入隧道.另外,肋腔混凝土劣化使螺栓的轻微渗水得到发展,并加重锈蚀膨胀等损伤.3)隧道先柔后刚的防水材料,最终成为脆性材料,不能适应软土地层中隧道的沉降和变形,产生开裂和剥落,这是根本缺陷所在.另外管片拼装时,粘结面不可能达到该涂料所要求的清净程度,加上粉沙地层段的严重污染,大大妨碍了涂料与混凝土的粘结,导致了较为严重的渗漏.4)土壤中所含Cl-和硫酸盐等有害物质造成钢筋锈蚀和混凝土构成溶解腐蚀和膨胀性腐蚀.而土壤中的硫酸盐还原细菌,细菌的代谢和分解产生CO2溶于水,渗入混凝土,造成混凝土中性化,破坏钢筋表面钝化膜,进而引起溶解性腐蚀,另外隧道内空气中的CO2,CO也会造成混凝土中性化.3现有越江轨道检测3.1隧道安全性评估全面了解隧道目前的状态,为隧道的安全性和耐久性评估提供基础的数据支持,为隧道的改造提供依据,为隧道的后续使用和养护维修等提供基础资料.3.2检测内容既有打浦路隧道沿纵向分为不同的结构区间,调查资料表明,不同结构区段呈献出不同的特点,故在现场检测时,依圆形隧道段、矩形暗埋段、竖井、接头以及行车路面系统分别做不同类别的检测.其中全隧道和圆形隧道段的主要检测内容如表1、表2所示,检测的隧道关键断面如图3所示.3.3初步试验结果3.3.1l/2md的情况目前隧道渗漏量随着季节变化,基本保持在1L/m2d以下,冬季渗漏量有超过1L/m2d的情况(见图4).部分矩形隧道的井接缝、圆形隧道的环缝、工作井主副井接缝等处有渗漏现象,泥水渗漏尤以冬春季节为甚.而且渗漏与沉降相互影响、相互作用,形成恶性循环.除常见的渗水滴漏外,更为严重的是还存在涌水和涌泥现象.3.3.2沉降情况调查图5和图6为近10年圆形隧道左右两侧沿隧道纵向的累积变形曲线.总体上近10年隧道的纵向变形曲线形态基本一致,且接近平行,每年的变形一般不超过5mm.这意味着目前在隧道纵向变形表现出较好的整体性,表现为整体上浮或下沉,隧道各段之间差异变形较小,因此对隧道结构内力的影响不是很大.隧道纵向的累积变形基本上在-30mm～30mm之间.从目前的情况来看,隧道的纵向变形已经基本趋于稳定.从圆形隧道的各部分来看,4#～3#井段由于其下卧层为粘质粉土或粉砂与淤泥质粘土互层(接近砂性土)的土层,因此隧道的纵向变形比较稳定,且累积变形量不大,曲线形态较为平缓,隧道有轻微的上浮现象,上浮10mm左右.但左侧曲线在200环左右(图6中A点)产生了约15mm左右的沉降,且该位置的曲率半径也相对较小为40km左右,因此该处隧道衬砌环向接头可能会产生较大张开度,从而产生渗漏情况.这与表1中现场实际的调查该处渗漏情况较为吻合.3#和2#井为圆形隧道的江中段,此段隧道纵向表现为较为明显的整体上浮,上浮量达30～40mm,这可能是由于江水的冲刷导致隧道覆土厚度减少,以及黄浦江水位变化导致浮力增大等原因引起.同样在580环左右(图5中B点)隧道的沉降较大,曲率半径较小约为35km左右,隧道存在渗漏情况(见表3).从850m左右至2号井隧道下卧层为松软的淤泥质粉质粘土,土性变化剧烈,地质条件复杂.而且经调查2号井以东第70环隧道上方覆土原15m,地表曾经为一约30m×50m的洼地,自1970年隧道通车后,在1973年至1987年间对该洼地进行了平整处理,期间进行了4次土方填筑和混凝土层铺筑,每次地表单位面积的荷载增量约为10kPa～20kPa,4次总共约为70kPa,当时的实测显示每次加荷后沉降约增加20mm～40mm,4次加载后总沉降增量为110mm.因此该段隧道的纵向变形较为剧烈,在200m的长度上隧道纵向发生了近60mm的差异变形,造成隧道管片的错动和接头张开,这由初步调查情况(见表3)中2号井东侧部分管片出现较为严重的错动,最大达到6～7cm和113环变形缝牛腿至管片发生撕裂得到了充分印证.同时该处(图6中C点)曲率半径也为35km左右.2#和1#井为隧道浦西岸边段,在隧道1号井以东120m的范围内,最大沉降增量达60mm,出现严重的纵向不均匀沉降.这主要是由于采用沉井法施工隧道1号井下卧土层松软且地层复杂,而且与邻近圆形隧道段不同,因而导致1号井沉降远大于隧道的沉降.不仅造成隧道的挠曲发生环向裂缝,而且使竖井与隧道的接头发生错动开裂.4越南的交付性能4.1试验结果分析基于检测的结构劣化现状、地质状况和结构沉降条件,考虑地层与结构的相互作用和接缝接头效应来分析荷载作用下三维隧道结构在弹性地基上的效应.对隧道纵向刚度,接头的连接刚度等损伤参数进行识别,基于分析结果,了解隧道纵向的损伤状况,从而判断隧道断面的损伤程度,为检测方案的制定提供依据.基于上述损伤识别参数计算评估隧道的整体受力和位移、盾构隧道和工作井接缝处的性能、管片开裂和拼缝状态等荷载效应.按平面问题进行弹性地基中圆环的内力和变形计算;以特殊的弹性铰接头单元考虑管片接头影响;以特殊连接弹簧考虑管片环间通缝拼装或错缝拼装的影响进行内力调整.同样基于检测结果、地质状况、结构沉降等条件识别弹性绞的转动刚度、连接弹簧的刚度等计算参数.根据计算结果分析典型断面的隧道衬砌环的内力和变形.以及地震等灾害荷载作用下隧道结构效应,从而评估既有隧道在普通荷载或特殊荷载作用下的安全服役性能.4.2混凝土的抗侧力模型根据隧道等地下结构所处的特殊环境条件:隧道衬砌外侧与水/土环境直接影响,水土中一般存在氯离子、硫酸盐等有害物质,且一般受较高的水土压力作用.隧道内侧直接与空气接触,主要受空气中的二氧化碳等有害气体影响,但一般来说无明显荷载作用,见图7.基于以上的特殊环境条件将隧道衬砌钢筋混凝土结构的耐久性微观损伤假定为2个阶段——无裂缝阶段和带裂缝阶段.其中无裂缝阶段为衬砌混凝土的损伤劣化阶段,认为衬砌混凝土是在无裂缝状态下工作.衬砌内侧的混凝土主要受碳化作用而产生耐久性劣化.衬砌外侧混凝土则主要是在水土荷载作用下,同时受到氯离子等有害物质侵蚀而产生耐久性劣化.在水土压力作用下氯离子等有害介质在混凝土中的传导主要是基于一毛细吸附作用、渗流作用、水分蒸发(沉积)作用、扩散作用等形式.因此,此模型应综合考虑以上几方面的因素.上述无裂缝阶段的混凝土碳化和氯离子侵蚀达到临界状态,导致钢筋开始发生锈蚀,衬砌混凝土的劣化进入第二个阶段一—带裂缝阶段.由于混凝土保护层开裂前后,钢筋锈蚀发生的环境作用条件不同,因此带裂缝阶段需分别考虑保护层开裂前后的钢筋锈蚀模型.此阶段衬砌的失效判断准则为裂缝限值准则.由于管片连接螺栓在隧道拼装式混凝土衬砌结构受力体系中的重要作用,其老化程度和寿命将直接影响整个隧道结构的服役性能和寿命.因此应充分考虑连接螺栓的耐久性老化问题.由于连接螺栓多数情况下与空气直接接触,因此可近似认为其与混凝土保护层开裂后钢筋锈蚀模型一致.4.3土结构剩余服刑寿命预测的程序预测既越江隧道结构的剩余服役寿命得益于另外的可获取信息(例如检测得到的材料特性与环境影响).预测既有越江隧道土结构的剩余服役寿命的方法通常包括以下的程序:①确定隧道结构的状况;②识别隧道结构损伤因素及相关参数;③确定既有隧道服役寿命的失效判定准则;④采用从隧道结构现状到服役结束期的微观损伤模型来确定剩余服役寿命.5软土盾构隧道检测方案设计1)通