既有盾构隧道修复加固技术研究综述
（宁波大学建筑工程与环境学院）
（浙江大学城市学院土木工程系）
【摘要】盾构隧道运营过程中会受损发生病害，对盾构隧道修复加固技术的研究，有利于减少事故发生。根据加固措施进行的位置不同，可将加固措施分为内部加固和外部加固。内部加固可分为内张钢圈加固法、黏贴复合腔体加固法、芳纶布加固法、碳纤维布加固法等；外部加固为侧向注浆加固法等。本文对发展概况及研究进展进行了综述，分析其作用机理和优缺点等，对未来的研究方向提供了一些建议。
0引言
随着城市不断发展，在轨交隧道的周围进行的沿线城市建设、其他轨交隧道和车站的施工等，会对地铁隧道造成结构沉降与变形等影响。此外，在地铁隧道的运营过程中还会受到地震、负载、卸载、腐蚀等外力作用，从而导致病害。主要表现为：①隧道横鸭蛋变形，引起隧道封顶块的通缝管片两侧纵缝张裂，两腰渗水，错缝管片的顶部出现贯穿裂缝，两腰侧渗漏水，或是衬砌环纵缝张裂、分离；②隧道不均匀沉降，引起环向高差，衬砌剥落，以及轨道道床损伤或轨道变形[1]。这些病害不仅会在一定程度上给地铁运营带来安全隐患，严重时还会引发事故进而造成人力物力的损失。如能在既有受损隧道上及时进行修复和加固，则能在一定程度上减少经济投入，并能有效防止隧道事故发生。因此研究既有隧道修复加固技术，具有重要意义。
本文收集了国内外现有研究成果，将既有隧道修复加固技术归纳为：内张钢圈加固法、黏贴复合腔体加固法、芳纶布加固法、碳纤维布加固法、侧向注浆加固法等，研究其作用机理和优缺点，并提出现有不足以及对未来的展望。
1国内外研究现状
1.1内张钢圈加固法
Chi-TeChang等基于台北大众快速公交线路（TRTS）全线盾构隧道的一段修复案例，研究钢架安装作业，发现在狭窄空间中安置钢圈并不能起到良好的加固效果，建议在安装之前应该非常精确地估计混凝土段线性以及间隙和截面直径。
Supot等运用有限元方法建立模型，并用弹簧来模拟接头刚度，分析了一系列可能影响管片承载能力的因素，得到了刚度减小率与接头弯曲刚度之间的关系。
毕湘利等以通缝拼装盾构隧道结构为对象，设计了两种加固类型的足尺试验，进行了上部堆载作用下的静力加载试验，分析了结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载力等，考察了内张钢圈加固法对提高结构受力性能的作用。研究表明：为提高隧道的整体刚度和承载能力，可以采取内张钢圈加固法，且该法合理有效。从加固后隧道结构的受力性能来看，采用整环或半环方式的加固效果相似，破坏模式均是局部粘结失效所导致。
柳献等以内张钢圈整环加固盾构隧道，采用足尺试验对单环隧道衬砌的极限承载性能进行研究，获得加固结构的荷载位移曲线。研究表明：整环加固能提高隧道的刚度与强度；在钢板与混凝土粘结良好时，整体结构刚度大幅提高；粘结失效后结构的整体性能被破坏，结构刚度迅速降低；粘结薄弱部位主要集中在封顶块与邻接块附近位置。柳献等还开展了内张钢圈半环加固盾构隧道结构的极限承载能力试验，研究表明，破坏主要出现在衬砌管片的接缝位置，而管片本身并无明显破坏。
邹家南分析某地铁盾构隧道钢板衬砌加固工程，采用数值模拟方法，对比加固和未加固结构在典型工况下的结构受力与变形规律。结果表明，钢板衬加固后的隧道结构整体强度和刚度大幅提高，总体加固效果显著；钢板衬加固可以减小侧压力对隧道的不利影响，使隧道结构更好地发挥本身的承压优势；适当提高地层抗力系数是控制隧道变形的有效措施。
周书扬采用三维数值模拟方法，对正、负弯矩作用下隧道接头未加固和加固后的受力与变形规律进行了系统研究，结果表明，对于未加固的纵缝接头，决定接头抗弯刚度以及所处变形阶段的关键性因素是接缝边缘混凝土的接触状态和连接螺栓的屈服；采用粘贴钢板的方法能增大接头的抗弯刚度，抑制接头的变形发展趋势。
胡俊楠主要以钢环的安装方式和详细工艺为出发点，研究了钢环片的安装和焊接流程，为了在钢环片的安装时节约人力物力，首次采用小型挖机改造机械手；虽然在一定程度上还是需要手拉葫芦进行位置的调整，但节约了15d工期。
臧建波就正弯矩作用下采用槽钢部件加固管片接头的可行性进行了初步探讨，并进一步分析了负弯矩作用下以及火灾后上述加固策略的有效性。结果表明：适当降低槽钢部件的截面高度并增大其长度或增加其数量，能提高正弯矩作用下加固试件的后期刚度和承载能力；在明火的作用下，管片混凝土的高温爆发主要集中在内弧面的中间位置；在相同荷载下，受火后加固试件的外弧面接头靠拢量、钢筋应变、混凝土应变相较于未加固试件均大幅减小，且相比于常温，受火后加固试件的外弧面接头靠拢量明显减小。
内张钢圈加固盾构隧道工法，在治理运营隧道顶部堆载、周边基坑卸载等工况下隧道结构产生的衬砌大变形问题时均可采用。内张钢圈加固法主要步骤包括：拱底块牛腿凿除、钢板定位以及环氧树脂灌注等，其加固机理为通过在隧道内侧设置钢圈，对管片结构进行加固，改善隧道的受力性能，进而控制管片结构的变形。现有研究方法主要为足尺试验和数值模拟法。该方法能在确保隧道运营不受影响的前提下，显著提高既有盾构隧道的整体刚度和承载能力，但钢板与混凝土的粘结部位（尤其是封顶块与邻接块附近位置）是加固结构的薄弱部位，粘结失效则加固效果减弱；且该方法造价较高，工期较长。
1.2粘贴复合腔体加固法
NakamuraH等通过双圆矩形盾构隧道的整环足尺试验，提出了衬砌外层为钢结构内部灌注混凝土的双圆矩形盾构隧道断面形式。
柳献等[采用足尺试验对复合腔体加固盾构隧道整环极限承载力的力学特性进行研究，模拟上部堆载作用下的静力加载，分析结构整体的受力过程、破坏模式和极限承载能力等。试验结果表明：复合腔体加固方法可有效提高隧道的极限承载能力和刚度；粘结失效是复合腔体与管片间叠合失效的原因，封顶块与邻接块是整个结构的薄弱点；粘结破坏之后，结构仍具有一定延性。
柳献等以复合腔体加固纵缝接头为试验对象，采用足尺试验对加固及未加固的纵缝接头的受力性能及其破坏形态进行比较，得到复合腔体加固接头的破坏机理。结果表明，在复合腔体与管片共同受力和变形下（即粘结失效前），整体结构强度及刚度大幅提高；整个结构的薄弱点是叠合结构的粘结面，粘结失效之后结构的整体刚度迅速降低；为提高加固效果可增加复合腔体加固面积和结构胶粘结强度及抗剪切强度。
黄亮[以上海通缝拼装地铁盾构隧道为对象，通过数值模拟分析，将加固与未加固衬砌结构的变形和受力性能进行对比，揭示了主要参数对加固效果的影响。结果表明，玻璃钢（GFRP）管混凝土部件加固方法能有效降低衬砌结构的横向变形；随着GFRP管壁厚、管内混凝土强度、截面高度的增加，加固效果都有所提高；在满足隧道限界要求的情况下，建议优先增加GFRP管截面高度。
复合腔体加固盾构隧道方法，在治理运营隧道顶部堆载及周边基坑卸载等情况下产生的衬砌大变形问题时可以采用。其加固机理为将腔体制成截面尺寸为160mm×40mm的空腔，平均分成4个腔体，注浆充实，在钢材外侧使用特殊工艺缠绕碳纤维，粘贴该复合腔体达到加固效果。施工时先将空腔复合腔体与管片用结构胶粘结，并用锚栓固定，之后再进行后期注浆。现有研究方法为足尺试验与数值模拟。复合腔体加固方法可以在空间狭窄、加固时间短等条件下，快速加固隧道，并有效提高盾构隧道的极限承载能力和刚度，但叠合结构的粘结面是整个结构的薄弱点。
1.3芳纶布加固法
D'Ambrisi等以纤维和纤维网格的类型和纤维层数为分析参数，研究纤维混凝土梁的弯曲性能，提出了计算纤维材料应变的理论模型。
刘梓圣等利用数值模拟方法，研究了芳纶布对隧道横向变形的加固机理和加固效果。结果表明：粘贴芳纶布能有效地限制隧道横向收敛和接头变形，隧道变形越小，粘贴时机越早，则加固效果越好；增加芳纶布粘贴层数，显著提高加固效果，最佳层数为2~3层。
潘军依托某地铁盾构隧道芳纶纤维布加固工程，建立了相应的三维数值模型，研究了加固与未加固整环隧道的承载性能。结果表明，芳纶布加固隧道效果较好，且越早加固越有利，最佳层数为2层。
张学文总结了南京地铁2线金马区间隧道工程，由于超高覆土导致局部盾构区段出现明显沉降、内衬开裂等现象，该工程使用了芳纶布进行加固。
丁智等通过8根钢筋混凝土矩形截面梁试件的受弯性能试验，研究了碳纤维布和芳纶布加固对受弯钢筋混凝土梁的裂缝开展情况、破坏形态、承载力、挠度变化和应力状态的影响。试验结果表明，碳纤维布和芳纶布可明显提高加固试件的承载力，延缓裂缝的发展，提高整体刚度；碳纤维布的加固效果要优于芳纶布；预裂加固试件的承载力也有所提高，但其延性降低；由于纤维材料承担了一部分应力，加固试件的钢筋和混凝土应变有所减小。但矩形截面与盾构管片截面存在较大差异。
芳纶纤维布加固是较常用的修复方法，其加固机理为利用芳纶布强度高、模量高、耐久性强、质地轻柔等特性，利用其仅能承受拉力的性质，将芳纶布粘贴于封顶块附近的受拉区域进行加固。该方法用途如下：①隧道横向变形较小时用于加固整环隧道；②隧道顶部纵缝张开量过大时用于加固顶部纵缝；③管片出现裂缝时用于加固管片。研究方法主要是数值模拟和室内试验。芳纶布加固法优点是施工方便、造价低、加固效果良好，但其加固效果受到隧道变形程度的影响，对盾构隧道要求较高。
1.4碳纤维布加固法
OkanOzcan等通过模拟地震来测试碳纤维布（CFRP）加固后钢筋混凝土柱的性能，研究表明包裹的CFRP层数量增加可以约束其发生位移，但没有与CFRP约束成比例。
Al-NegheimishA.I.等研究了用CFRP布加固宽扁梁和板，结果表明：加固后的梁和板受弯性能显著提高，而CFRP粘贴效果是整个加固过程的关键。
AhmedK.El-Sayed等将一个CFRP板加强梁和一个外部没有CFRP加固的基准梁进行短期测试和600d的长期测试，评估梁的承载能力。得出结论，将CFRP板添加到混凝土梁上能有效的减少偏转和裂开口，但对长期偏转和裂缝开口的控制效果不明显。
柳献等以纤维布（FRP）加固盾构隧道纵缝接头为试验对象，采用足尺试验对加固及未加固的纵缝接头的受力性能及其破坏形态进行比较，得到FRP加固接头的破坏机理，并对其加固效果进行总体评价。结果表明，在FRP材料粘结良好的情况下，加固接头的转角刚度能够提升；FRP材料的粘结面是整个结构的薄弱点，其加固效果由结构胶的粘结强度、抗剪切强度决定；FRP加固材料可用于纵缝接头临时性的加固，但不能用于长期加固。
贾良等对CFRP布修复冻融损伤混凝土构件进行抗弯试验，研究CFRP布全包、分包修复不同冻融损伤试件效果。结果表明，CFRP布能有效提高损伤试件的承载力和延性性能，尤其是全包方式；随着冻融次数增加，CPRF布修复试件的承载能力逐渐降低。碳纤维布加固是应用比较广泛的新兴高技术含量的加固方法，其加固机理为在碳纤维布和粘结剂的作用下，提高损坏管片的力学性能和延性，有效控制管片裂缝的发展，并利用粘结剂本身在管片受荷过程中有效的传递剪应力，令碳纤维能发挥强度高的特点，使得管片受荷后期具有较大的承载潜能。现有研究方法大多为足尺试验。碳纤维布加固法的优点是不增加构件的自重及体积的同时，提高结构耐腐蚀性能及耐久性；高强高效，适用面广，便于施工，易于操作。但在整个加固工艺中，粘结面是关键。
1.5侧向注浆加固法
AuS.K.A等为了研究与补偿灌浆相关的土体压裂模式和固结效果，对不同超固结比的高岭土试样进行了压实压浆和水力压裂模式试验，并采用有限元模拟了球囊扩张试验。
张冬梅等采用数值模拟方法，利用注浆引起的土体积应变法模拟隧道注浆效果，研究了隧道侧向注浆过程，讨论了注浆量和注浆范围对注浆加固效果的影响，揭示了注浆对隧道横向变形的影响机理，并在上海地铁隧道注浆加固中进行实践。结果表明，侧向注浆加固可显著减少隧道横向变形和减小纵向接头开口，降低隧道漏水的风险。
王小兵采用注浆控制上海轨道交通2线区间隧道，由于新建11线盾构施工引起的差异沉降，探讨软土地区地铁隧道结构沉降变形的控制措施，对其施工措施和注浆效果进行了分析。
刘训华采用隧道底部压密注浆技术，控制杭州轨交1线由于轨交4线基坑施工引起的不均匀沉降，分析了相应的压密注浆控制措施，并提出了几点建议：①建立监测机制，在注浆过程中根据监测数据的变化及时调整注浆参数或停止注浆施工；②为了取得良好的加固效果，对于淤泥质地层可采取分阶段注浆施工；③采用塌落度较小的浆材进行压密注浆法，可以使注浆影响范围得到控制，浆材在注入过程中挤压周围土体，加大土层密度，承载力得以提高。
鞠丽艳等概述了盾构隧道的渗漏原因、主要防水技术及注浆材料，以具体实例形式阐述了几种注浆防水及加固技术，提出如箱涵接缝两侧出现不均匀沉降，导致道床有少许错台时，可采用隧道土体改良注浆；隧道箱涵接缝两侧出现不均匀沉降，造成漏水、漏砂危害时，可采用隧道底部堵漏注浆等。
隧道侧向注浆加固法可用于减小和改善隧道横向变形，治理隧道管片渗漏水、隧道差异沉降大和隧道变形不稳定等问题。其加固机理为通过合理定量注浆措施，对运营隧道进行微扰动加固和均匀地调整隧道线形。目前对该技术的研究大多采取数值模拟方法。该方法的优点是可以在微扰动的前提下对运营隧道进行加固。但注浆工艺比较复杂，影响因素较多，不同工程的最优注浆量也有所差异，且隧道注浆会引发土体中超孔隙水压力的发展。
1.6五种加固方法对比
在内部加固方面，粘接面的黏结是加固工艺的薄弱点。内张钢圈加固法工期较长但加固效果较好；复合腔体加固方法可适用于空间狭窄的盾构隧道，并快速加固；粘贴芳纶布加固法价格低廉且施工方便，但对盾构隧道要求较高；粘贴碳纤维布加固法施工方便，适用面广。在外部加固方面，侧向注浆技术可以就多种原因引起的盾构隧道大变形进行加固，且效果良好，但其工艺复杂，影响因素较多。
2现有研究不足及展望
综上所述，目前已经有较多学者对盾构隧道修复加固技术进行了研究，提出了许多加固方法，但总体还处于探索阶段，不是很成熟。现有研究还存在以下不足，同时也提出了进一步的研究展望：
（1）实际工程中往往是多种隧道加固修复技术一起进行，而在现有试验模拟时大多数仅涉及一种技术，存在不足。建议在后续试验研究时，可以考虑研究治理工艺的顺序以及综合实施后带来的连锁反应，并且针对不同的病害产生原因，提出不同的、有针对性的修复加固对策，提高效率。另外，目前的加固方法大多是控制横向大变形，但治标不治本，很难将隧道真正修复，对这方面还需要进一步深入研究。
（2）实际工程中无法在现场对隧道加固效果进行试验，现有足尺试验大多将隧道整环横向放置进行加载，且研究对象大多只有单个衬砌圆环，仅能考虑通缝拼装，无法研究错缝拼装效应和隧道自重的影响；同时，目前是采用千斤顶来模拟隧道周围的水土压力（是点式加载），而实际工程中隧道是受到水土压力的围压（连续加载），存在区别。建议模拟实际工程，一方面可以对多组衬砌圆环进行竖直放置加载，使之能考虑自重效应；另一方面，可以对点加载方式进行改进，通过在隧道周围包围土体和水后再进行加载，模拟水土压力。另外，在受到加载或卸载后隧道围改变的计算也是未来研究的重点之一。
（3）现有研究方法主要为足尺试验和数值模拟，研究的加固时间有限。而实际工程中对盾构隧道的修复加固是一个长期复杂的过程，地铁隧道往往要运营70年至100年，盾构隧道的状态随时间增长只会越来越差。现有修复加固工艺，如芳纶布加固法越早加固效果越好。因此，建议建立盾构隧道病害评估机制，评估何时需要对隧道进行加固，及时进行隧道加固修复，并在加固后进行长期监测，了解加固的长期效果。
（4）现有研究大多模拟盾构隧道在上部堆载作用或基坑开挖卸载作用下的静力加载试验，不考虑地铁列车动荷载。事实上，对盾构隧道进行修复加固要考虑所需时间以及对地铁运营的影响，修复加固的同时还可能受到地面堆载、基坑开挖等影响，建议可以在静力加载试验的基础上进一步考虑动力荷载影响。
（5）现有修复加固技术种类不多，应加强对新技术的研发，如借鉴地下管线的原位固化法开发的钢筋网复合砂浆加固法，即将高强复合砂浆与钢筋网结合而形成薄层加固；又如刘德军等提出盾构管片横向变形TRC法，即采用高性能纤维编织网或网格作为加筋材料，水泥基基体材料作为粘结剂的新型加固方法。
3结语
中国的地铁隧道病害问题已引起了人们的广泛关注，成为近期的研究热点。由于地铁隧道往往要运营70年乃至100年，盾构隧道病害随时间增长只会越来越严重。研究既有盾构隧道修复加固技术，能在隧道发生病害后及时有效地进行修复，防止发生严重事故，具有重要意义。目前内张钢圈加固法、黏贴复合腔体加固法、芳纶布加固法、碳纤维布加固法、侧向注浆加固法等技术已在实际工程中得到应用。但对隧道横向大变形问题还未根本解决，同时研究方法和手段也急需改进，以期更接近实际工程。建议应围绕最优修复加固时机判断、最优修复加固技术选择、修复加固效果评价方法这三方面作进一步研究。
文章来源：（中国知网）
