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盾構隧道管片螺栓燒熔的結構安全分析與加固

文檔作者：農興中文檔來源：廣州地鐵設計研究院有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年10月24日
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都市快軌交通·第24卷第2期2011年4月
doi：10．3969／j．issn．1672—6073．201 1．02．020
土建拱
盾構隧道管片螺栓燒熔的
結構安全分析與加固
農興中
(廣州地鐵設計研究院有限公司廣州510010)
摘要介紹地鐵區間隧道發生的罕見接觸網短路事
故：由于短路電流，造成盾構隧道管片螺栓燒熔，產生
高溫引起管片破損，使止水條變形漏水。為確保運營
隧道的安全。對受損管片鋼筋及混凝土進行檢測及鑒
定分析，并對該區間管片受損段進行深入的數值模擬
分析，在此基礎上完成管片的修復加固設計．．
關鍵詞城市軌道交通盾構 隧道 管片 破損
事故安全加固
中圖分類號U231．94 文章標志碼A
文章編號1672—6073(2011)02—0084—05
1 事故概況
2010年的一天，廣州地鐵1號線某盾構區間隧道
在結束夜間維修作業后，凌晨4：50接觸網送電，準備
投入運營；5：O7牽引變電所突然跳閘，8s之后自動合
閘；5：39又跳閘斷電。經檢查，發現該區間隧道發生了
接觸網短路事故，盾構隧道管片螺栓被電弧燒熔。發生
螺栓燒熔的管片位于拱頂部位，主要有4處(見圖1)，
1、2處為貫穿燒熔，3、4處為局部燒熔。現場共有3
環管片受損傷，為322、323、324環。其中，第324環
管片受損最為嚴重，位于11點方位，環與環間的連接
螺栓被燒斷(見圖2)，該螺栓周邊砼被燒裂形成直徑
約15 em的通道(見圖3)，通道最深處距管片內表面約
23 em；位于9點、10點方位的塊與塊連接螺栓也被燒斷。
第322環也有1個塊與塊連接螺栓被燒斷，322～324
環管片的止水條變形、失效，出現漏水。此外，隧道側
收稿日期：2010—11-19 修回日期2010-12-24
作者簡介農興中，男，副院長，一級注冊結構工程師，高級工程師，主
要從事軌道交通結構工程設計與研究，nongxingzh0ng@
dtsjy com
eAN
墻有兩個鋼質的電纜支架被燒傷。經現場勘驗，
栓孔附近的混凝土大面積剝落，局部有小裂紋，
表面顏色變為黃褐色(見圖4)。熔洞內表面為黑
圖4 燒熔螺栓1混凝土剝落圖5 燒熔螺栓1的F
分析事故后認為，該隧道當晚正在進行剛
網改造施工，新安裝的錨端支架與既有柔性接：
錨繩的間距小于安全絕緣距離，在接觸網通電
了短路，巨大的短路電流通過新安裝的錨端支
螺栓、管片止水條、管片鋼筋混凝土、電纜支架：
盾構隧道管片螺栓燒熔的結構安全分析s加固
流人大地，管片螺栓在大電流作用下熔斷，產生的高溫
引起周邊混凝土開裂、剝落，同時也導致止水條變形、
失效。
2 隧道結構檢測及鑒定分析
該事故造成盾構隧道管片螺栓燒熔、混凝土受損，
管片內部鋼筋也存在燒熔受損的可能。為評估盾構管
片受損情況，需對受損管片鋼筋及混凝土進行檢測及
鑒定分析。
為了確定燒熔部位是否對周圍混凝土造成影響，
在距離燒熔部位約20 cm的位置鉆芯取樣2個。從
鉆芯過程可判斷混凝土強度高，觀察芯樣結構致密；
抗壓試驗表明，其強度達
70 MPa以上。
采用鋼筋分布探測
儀(Fs一10)對受損管片
進行鋼筋掃描，未發現鋼
筋直徑出現異常現象。
典型鋼筋掃描結果見
圖6。 圖6 鋼筋掃描結果
對現場掉落至地面的殘渣樣品以及從燒熔螺栓孔
中敲下來的塊狀樣品進行材料性能檢測，分別進行pH
值測定、x射線衍射分析、掃描電鏡分析、能譜分析等
項目檢測，得出分析鑒定結論。
1)由于管片的螺栓在產生電弧的瞬時高溫下被
完全燒熔，與螺栓接觸的混凝土也發生了熔融，原水泥
水化產物完全被分解、破壞，并發生了分相，形成以硅
鋁質為主，鈣含量少的新產物，與螺栓熔融生成的鐵氧
化物混合在一起，共同形成玻璃質的致密基底層。
2)界面過渡層雖受高溫作用，但未與熔融螺栓直
接接觸，原水泥水化產物被部分分解、破壞，而基底層
以原水化產物和新生成物組成，結構變得疏松多孔，而
與其相鄰的混凝土，其組成與微觀結構和正常混凝土
基本一樣。
3)由于混凝土的傳熱能力差，傳熱速率慢，采用
模擬方法得出距離熔洞外圍10 cm處，電弧導致的瞬
時高溫已下降到300 qC，對混凝土性能影響已經
很小。
4)距離熔洞外圍20 cm處，經過混凝土抽芯檢測
和鋼筋掃描，未發現混凝土及鋼筋受損。
3 隧道結構安全性分析與計算
為了進一步研究分析該區間盾構管片破損后的安
全可用性及耐久性，對該區間管片受損段進行了深人
的數值模擬分析，作為管片補強加固設計的依據，確保
運營行車安全。
3．1 工程地質與水文地質
經查閱相關竣工資料，受損管片所處隧道對應地
面位置為道路南側，左右線線間距13．3 i'll，隧道拱頂埋
深約14 m，拱頂外圍巖層為強風化砂巖，地下水位接近
地面。
3．2 管片荷載計算
計算荷載的選取根據相關規范及技術要求進行，
在此不再贅述。其中，水土荷載的計算采用以下公式
按全覆土重量進行。
正壓力(分算)
P=Σ +y Σh +P (1)
側壓力(分算)
P =(Σy： +P)Ko：一2cKo y Σhi (2)
式中，‰ 為土層靜止側壓力系數，根據巖土勘察
報告選取。
所有工況組合中均考慮地下水最高水位及注漿前
地層彈簧系數(即不考慮注漿對巖層的加強作用)，荷
載分項系數1．35，結構重要性系數1．1，土層基床系數
取70 MPa／m。
3．3 計算模型
本次數值模擬分析采用空間有限元計算模型，考
慮管片與管片之間螺栓連接的影響，并采用大型通用
有限元分析軟件ANSYS進行有限元分析計算。
計算模型采用整體有限元模型和局部實體有限元
模型，采用Shell 181單元模擬管片，以Linkl0單元模
擬接觸。對管片混凝土本構采用DP模型，考慮其非線
性及大變形影響。
整體模型如圖7所示，其中分別顯示了模型五環
錯縫拼裝關系、整體管片模型單元劃分、管片外部接
觸模擬、管片塊之間接觸模擬。管片結構上的荷載分
布如圖8所示，左側為水荷載的分布，右側為土荷載
的分布。其中，土荷載的分布，由于鄰接塊和封頂塊
的單元無法劃分為整齊的矩形單元，因而其顯示并不
整齊。
對管片之間連接及受損的模擬是分析中的重點。
1)管片拼裝順序。完全按照現場實際情況進行
模擬，①環旋轉0。，②環旋轉36。，③環旋轉0。，④環旋
轉一36。，⑤環旋轉0。。
URBAN RAPID RAIL TRANSIT 85

盾構隧道管片螺栓燒熔的結構安全分析與加固
由于隧道為環向受力體系，管片軸壓力總大小基
本不變，但管片受損后其承載力下降，因此管片受損部
位軸力明顯大幅下降，其承擔軸力轉移到另一側未受
損管片之上。與此對應的是，由圖17、l8可以發現由
于管片破損的存在使得管片的剛度下降，尤其是拱部
鄰接塊，其彎矩最大值有所下降。
首先，對受損②環的拱部鄰接塊進行深入分析，如
表1所示，可以發現由于拱部鄰接塊剛度下降，其彎矩
最大值確實自76．11 kN·m下降至66．39 kN·m，但最
大值的分布由原約1／3管片范圍(見表1中拱部鄰接
塊正常管片彎矩草綠色部分)，擴大到約2／3管片范圍
(見表1中拱部鄰接塊受損管片彎矩黃色部分)，這意
味著管片受損部位所丟失的彎矩并沒有憑空消失，相
反，它轉移到了管片的其他部位。
其次，對受損②環的封頂塊進行深入分析，如表1
所示，由于其兩個大端手孔螺栓均發生熔斷，且螺旋于
環向呈直線狀態，因此，其受損對管片的軸力傳遞影響
非常大，受損部位幾乎不能傳遞軸力，為此軸力被迫向
完好的小端傳遞。原分布均勻、大小為1 090 kN／m的
軸力(見表1中封頂塊正常管片軸力草灰色部分，此處
軸力為單位長度軸力)，變為凌亂的、由1 410～
914．53 kN／m不等的軸力(見表1中封頂塊受損管片
軸力綠色、草灰色部分，此處軸力為單位長度軸力)。
此外，其彎矩也增加接近1倍，判斷為由于管片剛度削
弱、位移增加所引致，但由于封頂塊兩側為螺栓連接，
其彎矩值很小，對安全影響較小。
最后，對受損②環的側壁鄰接塊進行深入分析，如
表1所示，可發現其彎矩、軸力均有所下降，尤其彎矩
自58．74 kN下降至34．65 kN，幅度達4l％ ，但類似拱
部鄰接塊其最大值的分布有大幅度增加。
表1 計算結果分析匯總
位置
拱部
鄰接
塊
封頂
塊
側壁
鄰接
塊A6
正常管片 受損管片
軸力 彎矩 軸力 彎矩
此外，對受損管片的豎向位移進行分析可以看到
(見圖19～20)，由于管片剛度降低，其位移增大，但幅
度較小，僅0．38 mm。
圖19 正常②環豎向
位移分布
圖20 受損②環豎向
位移分布
通過對上述計算結果的分析，可以認為：未受損的
管片其內力分布基本未發生變化；受損管片內力發生
重分布，軸力增加而彎矩減少，同時彎矩最大值分布范
圍有大幅增加。
3．5 管片破損對結構受力的影響
管片破損后的結構受力較為復雜，為確保安全，考慮
受損范圍混凝土整體退出工作，即按管片破損情況，將原
寬度為1 2O0 mill的管片折算為800 rain，同時受損范圍鋼
筋亦退出工作，按5根0516鋼筋對稱布置考慮(見圖21)。
■ 圃■ 口
■ ■ ■ ■
■ ■ ■ ■
圖21 管片截面配筋
注：其中① ～④ 均為+16鋼筋
對應的管片截面內力，按所有管片分塊中
最不利的A 分塊進行驗算，驗算采用理正結構
工具箱計算。計算結果表明，管片配筋滿足要
求，裂縫計算也滿足要求。
3．6 管片安全可用性評價
以上數值模擬分析計算表明，由于管片受損
位置處于隧道彎矩反彎點，管片受損后發生了內
力重分布，其彎矩、軸力仍在管片剩余截面的可
承受范圍之內，可以認為：隧道在目前局部受損
狀態下還是安全可用的；對隧道需要盡快進行修
復，避免破損的進一步發展。
4 管片修復加固設計
對受損管片的修復加固主要從兩個方面考
都市快軌交通·第24卷第2期2011年4月
慮：首先，要修補結構，把破壞缺損的部分回填修復完
整，及時消除安全隱患；其次，要對隧道漏水的管片接
縫進行止水堵漏，滿足地鐵運營要求。
4．1 結構破損修補
根據受損螺栓孔部位的實際情況，分兩種情況處
理：對于螺栓1位置，由于混凝土損傷較深，采用環氧
砂漿填充，并預留注漿管進行注漿，不再安裝管片螺
栓；對于其他3個螺栓孔位置，安裝管片環向螺栓并灌
注環氧砂漿。具體修復措施如下：
1)螺栓1的混凝土空洞處理。清除松動的混凝
土至孔洞底(嚴格控制不能穿頂)；沿孔洞布注漿孑L
并預埋注漿管，對回填空洞空腔涂刷EAA環氧界面
劑；分層掛網分層壓填EAA環氧砂漿，最后采用橡膠
與絕緣板壓封洞底；待環氧砂漿固化后，拆除絕緣板，
對預留注漿管進行EAA環氧注漿，注漿壓力0．5～
0．6 MPa。
2)其他螺栓孔的修復。清除高熱灼傷的螺栓周
邊松動的混凝土；清拆被高熱熔化固定在單邊螺栓孔
的固定螺栓，必要時進行擴洞；選用與管片螺栓直徑大
小的硬塑管，套入清孔的螺栓孔內，在螺栓口上安裝螺
栓孔模套，壓入EAA環氧砂漿并預埋2個注漿管(單
個螺栓孔)；待EAA環氧砂漿凝固后，拆除螺栓孔模
套；對預埋注漿管內進行EAA環氧注漿，注漿壓力為
0．5～0．6 MPa；待環氧砂漿凝固后拔出預留的塑料管，
重新安裝管片螺栓固定。
3)管片其他混凝土受損部位修補。待回填孔洞完
成后對已受損傷的混凝土布孔，孔深15 cm，孔距35 cIn，
呈梅花布孔，進行EAA環氧灌漿，以封閉漏面和裂縫。
預埋注漿管管體采用西1．0 cm的硬塑管，以防與接觸
網產生靜電。表面采用EAA環氧涂刷后依孔序注入
EAA環氧漿，注漿壓力0．5～0．6 MPa。
4．2 管片止水堵漏
沿拼縫布孔，孔徑1．0 cm，孔深15 CITI，孔距50 cm
(視情況可適當增加布孔)；用鋼絲刷清理拼縫，并用
清水清洗干凈，要求無浮塵、松動顆粒；涂刷EAA環
氧界面劑于拼縫內兩側，要求涂刷均勻不漏涂；沿拼
縫壓人止水橡膠條，要求壓人縫內且壓貼密實；采用
早強水泥埋管嵌縫，要求壓貼密實；注入EAA環氧
漿，壓力為0．6～0．8 MPa，要求進行二次以上重復
注漿，以確保漿液充填飽滿，注漿時應做好拼縫兩
側邊的飾面保護；待環氧漿凝固7 d后拆管并修復
飾面
燕搿 一一
§蔫匿≯URBAN RAPID RAIL TRANSIT
5 結語
該區間隧道管片修補加固方案實施后，管片破損
得到修復，管片接縫止水堵漏效果良好。隧道收斂變
形監測數據表明，修復后的盾構隧道穩定安全。
參考文獻
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(編輯：郝京紅)
Segm ent Structural Safety Analysis and
Reinforcement after the Segment
Bolt M elting Accident in
a Shield Tunnel
Nong Xingzhong
f Guangzhou Metro Design&amp;amp; Research Institue
Co．，Ltd．，Guangzhou 510010)
Abstract：In a rare metro tunnel catenary short circuit accident，
short—circuit current caused the shield tunnel segment bolts tO
melt．nigh temperatures resulted from the melting damaged
tunnel segments．W ater—proofnag stripes deformed and started
to leak．To ensure the safe tunnel operation，detection an d ide—
ntification ofthe steel and concrete ofthe damaged segments，
an d in—depth numerical simulation analysis of the damaged
segm ents in the related tunnel sections were conducted．
Segment repair and reinforcement design were made according
to the fnadings．
Key words：urban railtransit；shield；tunnel；segm ent；damage；
accident；safety；reinforcement

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