近接基坑電力隧道開裂原因及整治技術(shù)

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(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

隨著我國城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，城市用地日益緊張，電力隧道能夠充分利用地下空間，正在成為城市電網(wǎng)建設(shè)的重要發(fā)展趨勢。將架空高壓電纜轉(zhuǎn)入地下，不僅使得供電更加安全，而且凈化城市環(huán)境[1]。由于電力隧道大多集中在人口和商業(yè)密集的城區(qū)，容易與大型建筑物、地鐵車站等的基坑工程近接。由于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)原因及管理不善，深基坑工程施工中出現(xiàn)不少事故，對周邊環(huán)境造成了不利影響，如臨近建筑物開裂、傾斜甚至坍塌；道路深陷、開裂；地下管線錯(cuò)位等[2]。在電力隧道近距離處的基坑開挖施工，如果處理方式不當(dāng)，極有可能對隧道主體結(jié)構(gòu)造成破壞，危及城市用電安全[3-4]。以石家莊市電纜隧道在周邊基坑開挖施工中出現(xiàn)開裂為工程背景，對隧道結(jié)構(gòu)受力和開裂原因進(jìn)行了研究，并提出綜合治理方案，為后續(xù)類似工程施工提供了依據(jù)。

1 工程概況

圖1 隧道與基坑的位置關(guān)系(單位：m)

石家莊市110 kV石中一二線(16#-北道岔站)電纜隧道埋深為5～7 m，設(shè)計(jì)凈空1.6 m×2.85 m，為噴錨單層襯砌結(jié)構(gòu)，噴層厚度250 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C30，四肢格柵鋼架間距0.5 m/榀，現(xiàn)已施工完成。阿爾卡迪亞三期商業(yè)綜合體基坑深度14 m，基坑采用土釘墻結(jié)合鉆孔排樁聯(lián)合支護(hù)形式，隧道與基坑的位置關(guān)系如圖1所示。2013年春季在基坑開挖時(shí)，隧道內(nèi)部底板發(fā)現(xiàn)有縱向裂縫發(fā)生。裂縫沿基坑邊緣呈連續(xù)發(fā)展態(tài)勢，嚴(yán)重處裂縫寬度約為5 mm，后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查，靠基坑外側(cè)局部拱腰處也有縱向裂縫出現(xiàn)。

2 隧道結(jié)構(gòu)開裂形成機(jī)制分析

2.1 隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)模擬

為分析隧道結(jié)構(gòu)在基坑施工過程中的受力狀態(tài)及安全性，利用有限元軟件ANSYS對施工過程進(jìn)行了數(shù)值仿真分析。建立平面有限元計(jì)算模型，監(jiān)測基坑施工過程中對隧道結(jié)構(gòu)的影響。施工順序?yàn)椋菏紫炔捎门_(tái)階法對隧道進(jìn)行開挖并施做支護(hù)，完成后開始右側(cè)基坑的施工。每個(gè)計(jì)算步基坑開挖深度為1 m。自然地表下至樁頂放坡部分，開挖后即施做邊坡支護(hù)，至樁頂后施做支護(hù)樁繼續(xù)開挖。建模時(shí)支護(hù)樁按等剛度原則折算成墻體，墻體厚度由折算確定，有限元計(jì)算模型如圖2所示。

2.1.1 隧道開挖后結(jié)構(gòu)受力分析

隧道開挖后，支護(hù)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大部位主要集中在邊墻中部內(nèi)側(cè)和墻腳外側(cè)以及底板中部內(nèi)側(cè)，受拉區(qū)域分布范圍和拉力值較小。圖3是隧道開挖結(jié)束后結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖，墻腰最大拉應(yīng)力為0.7 MPa，底板最大拉應(yīng)力為1.2 MPa，在基坑沒有開挖的情況下，周圍地層不存在偏壓力的作用，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形都是對稱分布。表1是隧道施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，從結(jié)構(gòu)的受力情況考慮，隧道在基坑沒有開挖的情況下是安全的。

圖2 有限元計(jì)算模型 圖3 隧道施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力圖

表1 隧道施工結(jié)束后結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)位置彎矩/(kN·m)軸力/kN安全系數(shù)拱頂38.80.536.47底板14.977.792.8墻腰33.457.33.78墻腳9.5577.793.8

2.1.2 基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)受力分析

圖4為基坑開挖過程中不同工況下隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力的變化情況。

圖4 基坑開挖過程中不同工況下隧道結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力

基坑開挖至隧道頂部標(biāo)高時(shí)，可以看出隧道結(jié)構(gòu)已經(jīng)受到了明顯的偏壓作用。隨著基坑深度的增加，支護(hù)結(jié)構(gòu)左上部受到的地層偏壓力增大，受拉區(qū)的范圍擴(kuò)大。從拉應(yīng)力的分布情況來看，主要在左拱的內(nèi)側(cè)以及右拱的外側(cè)，底板內(nèi)側(cè)受拉現(xiàn)象也很嚴(yán)重，基坑開挖結(jié)束后最大拉應(yīng)力超過3 MPa。表2是基坑施工過程中不同工況下隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置及拉力值匯總。

表2 基坑開挖過程中不同工況下隧道結(jié)構(gòu)受力情況基坑開挖標(biāo)高位置最大拉應(yīng)力部位最大拉應(yīng)力值/MPa隧頂墻腳3.49隧中底板3.49隧底底板3.15設(shè)計(jì)深度拱頂3.34

隧道周邊土體水平方向的變形圖如圖5所示。

圖5 基坑開挖過程中不同工況下土體水平變形

從土體變形云圖上可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，土體變形有顯著增長，左側(cè)土體水平方向位移造成的偏壓作用明顯加劇。表3是基坑開挖過程中隧道結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果，可以看出隧道結(jié)構(gòu)在基坑開挖后已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)要求，安全性無法保證，有必要對其進(jìn)行加固處理。

表3 基坑開挖過程中不同工況下隧道結(jié)構(gòu)典型截面安全系數(shù)基坑開挖標(biāo)高位置拱頂?shù)装鍓ρ鼔δ_隧頂5.720.92.074.23隧中0.910.642.762.1隧底0.430.422.031.85基底0.80.260.952.6

2.2 隧道裂縫原因分析

從隧道結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展形態(tài)和規(guī)律可以看出，該裂縫為結(jié)構(gòu)型裂縫。根據(jù)2013年3月份現(xiàn)場踏勘、鉆孔取樣和室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值分析的結(jié)果，初步確定隧道開裂的主要原因如下：

(1)隧道施工質(zhì)量與設(shè)計(jì)嚴(yán)重不符。根據(jù)現(xiàn)場樣本的室內(nèi)混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，混凝土實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)約為設(shè)計(jì)值的60%～70%，柵鋼架平均間距約為1.1 m，與設(shè)計(jì)指標(biāo)相差較遠(yuǎn)，造成結(jié)構(gòu)承載能力嚴(yán)重不足。原設(shè)計(jì)隧道底部為仰拱+混凝土回填結(jié)構(gòu)，實(shí)際隧道基本未發(fā)現(xiàn)有明顯仰拱結(jié)構(gòu)，且底板混凝土強(qiáng)度不足。

(2)隧道路由改變造成近接工程問題的發(fā)生。與原設(shè)計(jì)方案相比，實(shí)際電纜隧道內(nèi)壁平面位置內(nèi)移至距基坑圍護(hù)樁側(cè)壁約2 m，圍護(hù)樁頂冠梁標(biāo)高與隧道拱頂標(biāo)高大致相同。在基坑施工過程中，基坑上部開挖卸載和隧頂土體偏壓引起隧道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)改變，容易造成隧道底板、墻腰和拱頂?shù)炔课坏氖芾_裂。

(3)基坑開挖過程中，樁間土體流坍?，F(xiàn)場踏勘情況表明，隧道下部地層為中砂，在基坑開挖中有樁間土體流失現(xiàn)象發(fā)生，致使隧道側(cè)面及基底地層損失和漏空，進(jìn)一步影響了隧道結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)。

3 總體加固方案

根據(jù)本隧道的工程環(huán)境特點(diǎn)，本次整治工程的總體方案采取隧道洞內(nèi)套拱結(jié)合洞周地層注漿的綜合治理方案。洞內(nèi)套拱措施為在既有隧道結(jié)構(gòu)條件下實(shí)施洞內(nèi)套施模鑄混凝土+鋼架的二次支護(hù)結(jié)構(gòu)，對既有隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；洞周地層注漿采取洞內(nèi)外聯(lián)合注漿形式，并以襯砌壁后回填注漿為主，同時(shí)兼顧隧道周邊地層改良加固之目的?？紤]到本工程隧道空間狹小，基底鉆孔和注漿操作均在洞內(nèi)開展，而隧道基坑側(cè)側(cè)壁地層采用洞外施注的方式進(jìn)行。

3.1 套拱技術(shù)方案及措施

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，基坑開挖卸載對隧道結(jié)構(gòu)影響較大，近階段隧道局部結(jié)構(gòu)已經(jīng)喪失繼續(xù)承載的能力。為此，近接基坑區(qū)段的隧道套拱設(shè)計(jì)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)套拱結(jié)構(gòu)為200 mm厚C30混凝土+120 mm格柵拱架+內(nèi)側(cè)單層鋼筋網(wǎng)片結(jié)構(gòu)。根據(jù)對隧道凈空的調(diào)查結(jié)果，隧道套拱施作完成后，基本能夠凈寬1.3 m的使用要求。鋼架采用4肢格柵鋼架，縱向間距1.0 m/榀，相鄰鋼架之間采用直徑20 mm的鋼筋進(jìn)行縱向連接，縱向連接筋環(huán)向間距0.5 m，內(nèi)外雙側(cè)布置；鋼筋網(wǎng)片網(wǎng)格間距150 mm×150 mm，鋼筋直徑6 mm。

3.2 注漿加固方案

3.2.1 注漿方式及材料的選擇

根據(jù)本區(qū)間地層的特性，并考慮注漿壓力對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，決定采用滲透注漿對地層進(jìn)行加固。滲透注漿漿液一般均勻地?cái)U(kuò)散到土顆粒間的孔隙內(nèi)，將土顆粒膠結(jié)起來，增強(qiáng)土體的強(qiáng)度和防滲能力[3]。

由于電纜隧道所通過的地層主要為砂層，部分區(qū)段穿越粉質(zhì)黏土地層，同時(shí)，考慮到注漿地層應(yīng)保持后期強(qiáng)度，并兼顧經(jīng)濟(jì)性因素等，設(shè)計(jì)中注漿材料考慮采用水泥-水玻璃雙漿液。根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，在本工程中可采用32.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比為1∶1，水玻璃濃度25～35°Be，水泥漿:水玻璃漿約為1∶0.8～1∶1。

3.2.2 洞內(nèi)注漿技術(shù)

根據(jù)隧道工程環(huán)境情況，確定洞內(nèi)注漿加固范圍為隧底以外1.0 m。單根注漿管注漿擴(kuò)散半徑為中、粗砂層1.0～1.2 m，粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂地層0.5～0.75 m。注漿孔采用垂直鉆孔形式，洞內(nèi)向下施作，注漿孔的平面布置形式如圖6所示。注漿采用帶花孔的Φ42注漿小導(dǎo)管(如圖7所示)，導(dǎo)管長度1.5 m。

圖6 注漿孔平面布置(單位：cm) 圖7 注漿小導(dǎo)管構(gòu)造示意(單位:m)

注漿可沿隧道方向分段進(jìn)行，根據(jù)類似工程的經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力控制在0.2 MPa以內(nèi)，注漿量為待加固土體體積的10%～20%，則對于粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂地層，單孔單位長度注漿量約為0.2 m3，對于中、粗砂地層，單孔單位長度注漿量為0.5 m3，具體的數(shù)值應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

3.2.3 洞外注漿技術(shù)

洞外注漿在基坑回填過程中施作，注漿由下至上根據(jù)基坑回填標(biāo)高逐排施作。注漿參數(shù)，如注漿形式、漿材、注漿壓力、注漿量等與洞內(nèi)注漿相同。注漿孔位布置在基坑圍護(hù)樁的樁間，具體形式如圖8所示。注漿時(shí)注漿管末端(即孔口段)1.0 m長度內(nèi)不設(shè)花孔，以避免跑漿。

圖8 洞外注漿孔布置示意圖(單位：m)

3.3 基坑回填過程隧道安全性分析

在基坑土體回填過程中，由于土層已經(jīng)受到擾動(dòng)，雖然進(jìn)行夯實(shí)但已經(jīng)不能形成拱效應(yīng)，回填部分土體將增加部分荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上。對基坑回填過程進(jìn)行模擬，每個(gè)荷載步回填1 m。對套拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，并計(jì)算結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。圖9是基坑回填過程中套拱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力圖。

圖9 基坑回填過程中套拱第一主應(yīng)力圖

基坑回填至隧中標(biāo)高和地表時(shí)，套拱結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力分別為0.78 MPa、0.49 MPa。從套拱結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況可以看出，拉應(yīng)力在基坑回填過程中有所減小，這表明基坑回填后偏壓作用的影響有所降低。從受力情況和檢算結(jié)果看套拱結(jié)構(gòu)是安全的。表4是基坑回填完畢后套拱的安全系數(shù)檢算結(jié)果。

表4 基坑回填后隧道套拱典型截面安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果位置彎矩/(kN·m)軸力/kN安全系數(shù)拱頂2.426.618.62拱腳3.5142.7510.19底板1.978.46.57墻腳0.9556.1516.73

4 結(jié)束語

(1)受原有隧道施工質(zhì)量問題和基坑開挖卸載及偏壓作用下，原有結(jié)構(gòu)承載能力存在明顯安全隱患。為確保隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和使用安全，需對原有隧道進(jìn)行必要的加固和補(bǔ)強(qiáng)。

(2)隧道洞內(nèi)套拱結(jié)合洞周地層注漿的加固方案，整治后的隧道結(jié)構(gòu)能夠滿足后續(xù)施工和使用安全。

(3)由于隧道的綜合整治工作尚未開展，治理方案的實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]周金海，周紅霞，王鑫.城市電力隧道規(guī)劃及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J]. 鐵道建筑，2012(1):69-72.

[2]張弛，黃廣龍，李娟. 深基坑施工環(huán)境影響的模糊風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013,32(1):2669-2675.

[3]張屹，王道生. 基坑開挖對福州路電力隧道影響分析[J]. 華東電力，2001,39(8):1308-1310.

[4]賈堅(jiān)，侯學(xué)淵. 上海城市建設(shè)中深基坑開挖與周圍環(huán)境保護(hù)[J]. 隧道及地下工程，1997，18(9) : 12-17．