運(yùn)行中市政管廊隧道的維修加固

宋超業(yè), 金若翃, 王蓉蓉

(中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有市政管廊隧道大都在20世紀(jì)90年代后期開始建設(shè)運(yùn)行，目前進(jìn)入隧道病害高發(fā)期，但隧道病害的治理和維修在我國(guó)尚處于起步階段，病害情況和產(chǎn)生原因復(fù)雜，研究工作難度很大[1-3]。目前對(duì)隧道病害檢測(cè)的研究主要集中在交通隧道中，文獻(xiàn)[4-8]對(duì)鐵路隧道中出現(xiàn)的襯砌背后空洞、開裂和滲漏水等病害提出了注漿和錨桿加固的處理措施；文獻(xiàn)[9-12]介紹了公路和城市道路隧道的病害檢測(cè)情況和治理方法。交通隧道一般斷面大，施工處理作業(yè)面大，但其限界要求嚴(yán)格，幾乎沒有多余的補(bǔ)強(qiáng)空間，病害處理多采用注漿加固、部分拆除重建等方式[13-14]。陳孝湘等[15]結(jié)合福建省電力隧道調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)隧道可能出現(xiàn)的病害進(jìn)行分類并提出預(yù)防思路。對(duì)于采用淺埋暗挖法修建的市政管廊隧道的實(shí)際病害處理鮮見研究報(bào)道。市政管廊隧道早期設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)普遍不高，其斷面小，多采用噴射混凝土單層襯砌，加之在狹小空間施工質(zhì)量不易保證，產(chǎn)生諸如變形、滲漏水和開裂病害現(xiàn)象，且非常多，嚴(yán)重威脅內(nèi)部管線和市政道路的運(yùn)行安全。

市政管廊隧道斷面較小，改造施工需要注重狹小空間應(yīng)對(duì)措施，但其對(duì)凈空限界的要求一般不高，如果適當(dāng)調(diào)整內(nèi)部管線的布置，可以留出一定尺寸的加固空間。本文結(jié)合大連某電纜隧道具體維修加固工程，詳細(xì)介紹城市淺埋暗挖市政管廊隧道的病害檢測(cè)和維修加固實(shí)施過程，提出維修加固的理念和具體加固措施。

1 工程概況

1.1 隧道設(shè)計(jì)概況

大連某電纜隧道位于中心城區(qū)市政道路下方，周邊建筑物密集。隧道全長(zhǎng)約1.6 km，內(nèi)部運(yùn)行2回路220 kV電纜和4回路66 kV電纜，于2002年投資建設(shè)，2004年6月投入運(yùn)行。隧道凈寬2.0 m，直墻接拱形斷面，噴射混凝土單層襯砌，采用淺埋暗挖法施工，隧道標(biāo)準(zhǔn)段斷面見圖1。

圖1 電纜隧道斷面圖(單位： mm)Fig. 1 Cross-section of cable tunnel (unit: mm)

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

隧道一般段埋深為5.0～13.0 m，最大縱坡12.2%，最小縱坡1.1%。隧道沿線為丘陵地區(qū)，多為裸露的基巖，局部低洼地帶為回填土?；鶐r主要為太古宙板巖和石英巖，強(qiáng)風(fēng)化至中等風(fēng)化，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖級(jí)別大多為Ⅳ、Ⅴ級(jí)。地下水豐富，主要為基巖裂隙水。

2 隧道主要病害及原因分析

2.1 隧道病害檢測(cè)

該隧道運(yùn)行十余年來，維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)隧道底板出現(xiàn)明顯隆起開裂現(xiàn)象，影響電纜支架，且地下水滲漏嚴(yán)重。隧道地下結(jié)構(gòu)與一般工程結(jié)構(gòu)最大的不同在于它的隱蔽性，而且維修難度較大。隧道的維修管理應(yīng)堅(jiān)持預(yù)防為主、早期發(fā)現(xiàn)、及時(shí)維護(hù)和對(duì)癥下藥的理念。隧道維修管理的步驟主要包括檢查、劣化預(yù)測(cè)及評(píng)價(jià)和采取對(duì)策等。隧道全面檢測(cè)主要內(nèi)容包括： 運(yùn)用激光斷面儀檢測(cè)隧道的內(nèi)輪廓變形，鉆孔取芯法檢測(cè)隧道襯砌厚度、強(qiáng)度，地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)隧道襯砌背后空洞及不密實(shí)，采用測(cè)量和攝像的辦法記錄裂縫和滲漏水等。

2.1.1 隧道變形

隧道內(nèi)每隔20 m設(shè)置1個(gè)檢測(cè)斷面，每個(gè)檢測(cè)斷面上40個(gè)測(cè)點(diǎn)，2012年9月通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試76個(gè)斷面，發(fā)現(xiàn)隧道存在9段(處)凈空侵界現(xiàn)象，底板最大隆起高度為130 mm。2013年12月對(duì)全隧道進(jìn)行了重新量測(cè)，發(fā)現(xiàn)隧道增加7段共約393 m的底板隆起現(xiàn)象(見表1)，隆起最大值為99 mm，同時(shí)有8段共約266 m邊墻存在向內(nèi)收斂現(xiàn)象，收斂最大值為79 mm。

表1 隧道底板隆起調(diào)查表Table 1 Measuring heaves of cable tunnel floor

2.1.2 襯砌厚度及強(qiáng)度

采用鉆芯法對(duì)隧道底板和邊墻進(jìn)行取樣，全線隧道底板共鉆芯取樣16處，邊墻鉆芯取樣5處。大部分取樣都因長(zhǎng)度不足或蜂窩嚴(yán)重，無法切割制作做強(qiáng)度檢測(cè)的芯樣試件。襯砌混凝土抗壓強(qiáng)度值分別為16.5 MPa和17.8 MPa，隧道混凝土襯砌層內(nèi)普遍存在疏松離析現(xiàn)象如表2所示，襯砌層實(shí)際有效厚度普遍低于設(shè)計(jì)值(250 mm厚)，內(nèi)部配筋無法得到混凝土的有效保護(hù)，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。

表2 襯砌厚度及強(qiáng)度檢測(cè)Table 2 Detection items for lining thickness and strength

2.1.3 襯砌背后調(diào)查

隧道襯砌背后可能存在空洞及不密實(shí)情況，可影響隧道結(jié)構(gòu)整體受力。沿隧道軸線方向在右拱腰(高1.8 m)、左拱腰(高1.8 m)、拱頂、仰拱共布置4條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線。根據(jù)雷達(dá)時(shí)間(或深度)剖面圖上的波組、能量強(qiáng)弱分布和雙曲線等特征，判識(shí)空洞、不密實(shí)帶等異常存在的位置和規(guī)模等。檢測(cè)結(jié)果顯示隧道拱頂存有4處背后空洞，最大深度為40 cm，長(zhǎng)度約1 m，另有17處不密實(shí)，整體上襯砌背后空洞現(xiàn)象不明顯。圖2綠框所示為DK0+410～+422段拱頂不密實(shí)范圍，深度大約為32～105 cm。

圖2 電纜隧道雷達(dá)測(cè)試圖像Fig. 2 Detection image of cable tunnel by geological radar

2.1.4 裂縫及滲漏水

裂縫及滲漏水采用人工目測(cè)分格素描的方法進(jìn)行檢查，隧道存在多處開裂現(xiàn)象，80%的裂縫寬度為1～2 mm，伴隨滲漏水。隧道2個(gè)最低點(diǎn)的集水坑需要全天24 h不間斷抽水，隧道抽水量受季節(jié)影響顯著，雨季抽水量明顯增大，最大日抽水量約1 150 m3，隧道日抽水量變化如圖3所示。

圖3 隧道2013年日平均抽水量Fig. 3 Average daily pumping quantity of cable tunnel in 2013

2.2 病害原因分析

2.2.1 地下水應(yīng)對(duì)措施不足

隧道勘察時(shí)顯示隧道主要穿越巖層，未揭示地下水,而實(shí)際隧道部分地段穿越斷層和溝谷，基巖裂隙水非常發(fā)育，設(shè)計(jì)施工均未對(duì)地下水引起足夠重視。隧道采用了防水的理念和做法，力爭(zhēng)將地下水阻擋在隧道之外。地下水的滲流作用使得隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土與圍巖產(chǎn)生脫離，外水壓力直接作用在隧道結(jié)構(gòu)上，造成外水壓力最大的部位(隧道底板)和受力最不利即隧道跨度最大的部位最先產(chǎn)生隆起破壞。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不高

早期市政管廊隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)普遍不高，設(shè)計(jì)采用了噴射混凝土單層襯砌，隧道內(nèi)簡(jiǎn)單設(shè)置防水砂漿剛性防水層。此種結(jié)構(gòu)會(huì)存在混凝土質(zhì)量不均勻的現(xiàn)象，且噴射混凝土本身耐久性差，隨著時(shí)間推移和地下水掏空影響，剛度降低；再加上局部遇水易形成滲流通道，造成強(qiáng)度降低，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)有效厚度明顯小于原設(shè)計(jì)值。

2.2.3 施工質(zhì)量較差

從底板取芯和開挖情況看，施工過程中底板虛碴清理不足，帶水施工現(xiàn)象嚴(yán)重，造成底板混凝土澆筑質(zhì)量低，與地基沒有貼實(shí)，形成地下水滲流通道。

2.3 隧道劣化評(píng)定

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運(yùn)[2010]38號(hào))，隧道劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表3。從隧道土建結(jié)構(gòu)變形和開裂角度，底板襯砌裂損劣化等級(jí)為AA，邊墻和拱部襯砌裂損劣化等級(jí)為B；從結(jié)構(gòu)滲漏水角度，隧道內(nèi)存在滴水現(xiàn)象，部分處存在淌水或滲水現(xiàn)象，對(duì)隧道功能影響程度等級(jí)為B；從凍害角度，風(fēng)井風(fēng)道處受結(jié)冰和圍巖凍脹的反復(fù)作用掉塊現(xiàn)象嚴(yán)重，影響程度為A1級(jí)，隧道主體凍害影響程度為D級(jí)；從襯砌材料劣化情況看，支護(hù)結(jié)構(gòu)噴射混凝土腐蝕嚴(yán)重，襯砌有效厚度不及原設(shè)計(jì)厚度的3/5，混凝土強(qiáng)度也明顯下降，襯砌材料劣化等級(jí)為AA。綜合上述幾個(gè)指標(biāo)，隧道檢測(cè)結(jié)構(gòu)最終判定為A1—AA級(jí)。

3 維修加固方案選擇

3.1 結(jié)構(gòu)加固方案

隧道病害產(chǎn)生的主要原因是地下水及其引起的支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不足。結(jié)構(gòu)加固可采用注漿堵水或增設(shè)內(nèi)襯的方法，其中，增設(shè)內(nèi)襯可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者鋼結(jié)構(gòu)，3種方案比選見表4。為保證結(jié)構(gòu)安全、減少地下水排放和徹底解決隧道病害，同時(shí)由于本隧道凈空斷面有一定富余，選擇增設(shè)現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯的方案，與注漿堵水改良地層相結(jié)合，以保證施工安全和結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

表3 隧道劣化等級(jí)劃分Table 3 Tunnel degradation grade

3.2 防排水方案

隧道埋深為5～13 m，靜水壓力不大，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的合理性出發(fā)，采用全封堵和排導(dǎo)2種方式都是可行的。根據(jù)國(guó)外的情況，采用全封堵方式的隧道，地下水位一般小于30 m，而采用排導(dǎo)方式的最大優(yōu)點(diǎn)是基本上不考慮襯砌的水壓力荷載，從而可以使襯砌結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟(jì)合理，2種方案具體比較見表5?？紤]該隧道位于城區(qū)，埋深不大，根據(jù)環(huán)保和水資源保護(hù)的要求，結(jié)合城市地鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)考慮減少后期運(yùn)行抽水和維護(hù)費(fèi)用，推薦采用全封閉方案。

表4 加固方案綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較表Table 4 Comprehensive techno-economic comparison among reinforcement schemes

表5 防排水方案比較表Table 5 Comprehensive comparison between waterproof schemes

3.3 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)上述分析加固方案，全隧補(bǔ)充施作二次襯砌，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形成復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)；補(bǔ)充施作防排水系統(tǒng)，減少地下水排放和運(yùn)檢維護(hù)工作量。采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對(duì)新設(shè)二次襯砌進(jìn)行受力分析，采用地層彈簧模擬地層約束作用，按照極限狀態(tài)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。從結(jié)構(gòu)承受圍巖壓力考慮地層已趨于穩(wěn)定，從偏于安全的角度，不考慮初期支護(hù)承載作用；按照二次襯砌承受全部水土壓力(分項(xiàng)系數(shù)1.35)和地面超載(分項(xiàng)系數(shù)1.4)進(jìn)行計(jì)算。圍巖壓力取靜止土壓力的50%作為計(jì)算荷載；水壓力按抗浮水位取全水頭靜水壓力。圍巖計(jì)算參數(shù)見表6，計(jì)算內(nèi)力見圖4，最大彎矩為77.36 kN·m，軸力約為291 kN，二次襯砌設(shè)計(jì)為250 mm厚，滿足受力要求和最小防水混凝土厚度要求。

表6 圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)Table 6 Physico-mechanical parameters of surrounding rocks

(a)彎矩圖(單位：kN·m)(b)軸力圖(單位：kN)

圖4新設(shè)內(nèi)襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖

Fig. 4 Sketches of internal force of lining structure

4 維修加固施工

4.1 施工步序

根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件，加固施工的重難點(diǎn)在于既有結(jié)構(gòu)底板開挖安全保護(hù)、運(yùn)行電纜保護(hù)和地下水處理。維修施工遵循“先護(hù)后挖、處理超前、分段流水、一次成優(yōu)”的指導(dǎo)原則，全程加強(qiáng)電纜防護(hù)和注漿堵水,具體施工工序見表7。

表7 維修加固施工步序表Table 7 Construction sequence of tunnel reinforcement

4.2 施工關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 地下水處理

隧道底板施工的關(guān)鍵在于虛碴清理和無水施工。施工中地下水處理采用“堵排結(jié)合”的方式。底板為全強(qiáng)風(fēng)化地層時(shí)，隧道底板開挖施工前先行打設(shè)超前導(dǎo)管注漿堵水；底板為中風(fēng)化巖層時(shí)，通過內(nèi)設(shè)截水溝、排水井等方式進(jìn)行隧道內(nèi)降排水。同時(shí)，加強(qiáng)初期支護(hù)和二次襯砌背后注漿，認(rèn)真做好殘留地下水和施工廢水的排放工作，確保隧道內(nèi)不積水。

結(jié)構(gòu)防水、二次襯砌采用C30、P8防水鋼筋混凝土，初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置全封閉防水層(1.5 mm厚ECB +400 g/m2無紡布)，環(huán)、縱向施工縫均采用2道遇水膨脹止水條+注漿管加強(qiáng)防水。襯砌后，隧道設(shè)置2座集水坑，由自動(dòng)控制污水泵通過豎井抽排至市政管網(wǎng)。

4.2.2 底板開挖

為防止底板開挖產(chǎn)生結(jié)構(gòu)收斂和下沉變形，隧道底板的破除開挖按照“先支護(hù)、后開挖、短進(jìn)尺、快封閉”的原則跳槽分段施工。底板破除前在洞內(nèi)架設(shè)I25工字鋼，縱向間距為1.0 m，并用膨脹螺絲固定于隧道邊墻；同時(shí)在隧道兩側(cè)打設(shè)鎖角錨管進(jìn)行注漿加固。底板采用人工加電鎬形式進(jìn)行破除開挖，鋼筋用專業(yè)液壓鉗割除，每段長(zhǎng)度不超過3 m。

4.2.3 狹小空間二次襯砌施工

模筑二次襯砌階段臺(tái)車與中間電纜槽盒間距約0.5 m，在狹小的作業(yè)空間中要同時(shí)保證隧道維修結(jié)構(gòu)安全和內(nèi)部多回路電纜不斷電正常運(yùn)行。隧道拱墻二次襯砌施工采用簡(jiǎn)易模板、工字鋼一體式臺(tái)車澆筑混凝土，每節(jié)3 m，根據(jù)隧道平面半徑分節(jié)組裝。

4.3 施工效果

電纜隧道采用增設(shè)內(nèi)襯的改造設(shè)計(jì)和施工方法，安全順利完成了隧道維修施工，隧道內(nèi)無積水、漏水和滴水現(xiàn)象，2處集水坑排水泵(容量10 m3/h)運(yùn)行正常，較為徹底地解決了長(zhǎng)期困擾電纜運(yùn)行的隧道變形和滲漏水問題，而且經(jīng)受住了2015年雨季的考驗(yàn)。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析，加固施工隧道初期支護(hù)拱頂沉降累計(jì)最大值為6.5 mm，平均值為3.5 mm，最大沉降速率均不超過1.0 mm/d；初期支護(hù)收斂累計(jì)最大值為3.4 mm，平均值為2.3 mm；隧道上方地表基本測(cè)不出沉降變形。上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均滿足控制要求，整個(gè)施工過程也未發(fā)生大變形、開裂和坍塌等風(fēng)險(xiǎn)事故，保證了隧道內(nèi)電纜的正常運(yùn)行，充分說明增設(shè)內(nèi)襯的設(shè)計(jì)施工技術(shù)措施是科學(xué)可靠的。

5 結(jié)論和建議

本文結(jié)合大連某電力隧道具體維修加固工程，介紹了城市市政管廊隧道維修改造病害檢測(cè)、劣化評(píng)定、維修方案設(shè)計(jì)和施工，得到以下主要結(jié)論和建議：

1)淺埋暗挖市政管廊隧道病害檢測(cè)應(yīng)從結(jié)構(gòu)變形、襯砌強(qiáng)度、襯砌背后、裂縫和滲漏水等方面詳細(xì)調(diào)查，分析病害成因和評(píng)定劣化等級(jí)。

2)劣化嚴(yán)重的市政管廊隧道，優(yōu)先選擇增設(shè)內(nèi)襯的維修改造方案，可有效改善結(jié)構(gòu)受力，提高結(jié)構(gòu)耐久性，獲得良好使用功能。

3)維修改造施工階段應(yīng)重點(diǎn)處理好無水施工、對(duì)既有結(jié)構(gòu)及內(nèi)部管線的保護(hù)和狹小空間施工的問題。

4)通過本次維修實(shí)踐和大量類似工程經(jīng)驗(yàn)，建議新作暗挖市政或綜合管廊慎重選用噴射混凝土單層襯砌，應(yīng)提高襯砌結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度和性能等級(jí)，使用復(fù)合式襯砌。同時(shí)，應(yīng)考慮一定的限界富余，預(yù)留后期補(bǔ)強(qiáng)空間。

5)本文采用的施工方案應(yīng)用于巖質(zhì)地層，如應(yīng)用于第四系或其他軟弱圍巖應(yīng)進(jìn)一步考慮輔助施工措施。

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記得拍《北愛》之前，我和我媽還住在地下室的小隔間里，租在香山對(duì)面的村子，一排大概有20間房，750塊一個(gè)月，房間里只能擺下一張很小的單人床，廁所和廚房都是公用的。

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