城市管線切改隧道工程設(shè)計(jì)及塌方處治技術(shù)

王 慧 田士月

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司）

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展以及對(duì)電力安全性的高度重視，城市輸電網(wǎng)絡(luò)的電纜化已成大勢(shì)所趨[1]。管線切改是一項(xiàng)牽一發(fā)而動(dòng)全身的系統(tǒng)工程，受到項(xiàng)目自身規(guī)劃定位與周邊環(huán)境的影響，需要綜合考慮多種因素，并調(diào)研場(chǎng)地內(nèi)及周邊既有埋設(shè)管線圖、場(chǎng)地周邊既有建筑相關(guān)圖及項(xiàng)目規(guī)劃方案圖[2-3]。隨著城市管網(wǎng)布置的完善，為減少對(duì)既有市政管線的影響，管線切改越來(lái)越多采用暗挖隧道方式進(jìn)行[4]。

以北京某110 千伏變電站10 千伏切改工程為例，對(duì)城市復(fù)雜條件下電力管線切改工程暗挖隧道的勘察設(shè)計(jì)與施工塌方應(yīng)急處理進(jìn)行解析。

1 工程建設(shè)條件

1.1 工程概述

該電力管線切改工程總長(zhǎng)約1353m，地下隧道采用暗挖法施工，隧道凈空斷面尺寸為2m×2.3m，管線最低處結(jié)構(gòu)埋深約10m。工程沿線主要為現(xiàn)狀道路與綠地，地勢(shì)較為平坦。隧道上方不同位置分布有聯(lián)通管路、自來(lái)水管與雨水管。工程重要性等級(jí)為一級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，巖土條件復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)，市政工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。

1.2 工程地質(zhì)

將工程場(chǎng)區(qū)地層劃分為七個(gè)大層，自上而下分別為：人工堆積層，素填土①層，以粘質(zhì)粉土素填土為主，黃褐色，松散。沿工程線位地表普遍分布，厚度變化較大。第四紀(jì)一般沉積層，粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②層：褐黃色，稍濕～濕，中密～密實(shí)，含云母、氧化鐵；粉砂③層：灰色，飽和，稍密～中密，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，含云母、有機(jī)質(zhì)；重粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土④層：灰色，很濕，可塑～軟塑，含云母、有機(jī)質(zhì)；粉砂⑤層：灰色，飽和，中密～密實(shí)，礦物成分為石英、長(zhǎng)石，含云母、有機(jī)質(zhì)；粉質(zhì)粘土、重粉質(zhì)粘土⑥層：灰色，很濕，可塑～軟塑，含云母、有機(jī)質(zhì)；粉細(xì)砂⑦層：灰色，飽和，密實(shí)，礦物成分主要為石英、長(zhǎng)石，含云母、有機(jī)質(zhì)。

1.3 水文地質(zhì)

水位觀測(cè)試驗(yàn)表明本場(chǎng)地有四層地下水，屬于三種地下水類型，分別為上層滯水、潛水和層間水。第一層為上層滯水，穩(wěn)定水位埋深為1.8～5.4m，含水層主要為粘質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土②層。第二層為潛水，穩(wěn)定水位埋深為4.6～9.3m，含水層為粉砂③層。第三層為層間水，穩(wěn)定水位埋深為10～13.9m，含水層為粉砂⑤層。第四層為層間水，穩(wěn)定水位埋深16.3～17.4m，含水層為粉細(xì)砂⑦層。潛水和層間水的動(dòng)態(tài)變化與大氣降水關(guān)系密切，平均年變化幅度約為2～3m。

1.4 隧道圍巖

管線切改工程中的新建電力隧道采用暗挖形式，隧道圍巖主要為③層及其夾層、④層及其夾層，隧道圍巖分級(jí)均為VI 級(jí)。粉土層、砂類土層的穩(wěn)定性較差，粘性土層總體上穩(wěn)定性稍好，在地下水作用下易產(chǎn)生流土、流砂現(xiàn)象導(dǎo)致頂板塌落和邊墻坍塌。地基主要以粉土、砂土為主，局部為粘性土，工程性質(zhì)較好。

2 工程設(shè)計(jì)方案

2.1 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新建電力暗挖隧道內(nèi)截面尺寸為2×2.3m，暗挖隧道初期支護(hù)的格柵鋼架縱向間距為0.5m，格柵鋼架內(nèi)縱向連接筋間距1m，內(nèi)外錯(cuò)開(kāi)布置，連接筋搭接不小于200mm。二襯結(jié)構(gòu)為模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。暗挖隧道結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電力隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 注漿止水方案設(shè)計(jì)

暗挖隧道工程地下水條件復(fù)雜，采用帷幕注漿止水技術(shù)措施，帷幕注漿長(zhǎng)導(dǎo)管環(huán)向0.5～0.7m，管頭30 度錐體，管身設(shè)注漿孔，一次注漿循環(huán)長(zhǎng)度12m 一段，開(kāi)挖9m，搭接長(zhǎng)度3m，依次注漿。施工中對(duì)于注漿盲區(qū)要進(jìn)行二次花管補(bǔ)漿，以保證注漿效果。注漿加固范圍是隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)外輪廓線以外1.5m。

3 塌方及原因分析

3.1 工程環(huán)境及暗挖段塌方

根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)方案及現(xiàn)場(chǎng)勘察，塌方部位南側(cè)布置有東西走向φ400 的自來(lái)水管線，距離塌方邊線3.9m；隧道上方有東西走向的三條聯(lián)通管線；北側(cè)距離塌方邊線2.8m，有東西走向φ600 的雨水管線。隧道在施工期間發(fā)生了意外的塌方事件，塌方位置距離最近的豎井約28m，暗挖隧道帷幕注漿施工完成，施工開(kāi)挖隧道掌子面，開(kāi)挖進(jìn)尺0.3m 位置時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重漏水塌方現(xiàn)象，淤泥涌出約10m 遠(yuǎn)，約20m3。

3.2 原因分析

本段暗挖隧道穿越地質(zhì)土層為粉細(xì)砂和粉質(zhì)黏土，地層中含上層滯水、潛水及層間水，種類多，且出水量大，此地質(zhì)條件極易造成嚴(yán)重塌方情況發(fā)生。隧道設(shè)計(jì)的加固措施采用帷幕注漿，加固厚度1.5m，帷幕注漿加固土層厚度不足，達(dá)不到良好的閉水和加固效果，且開(kāi)挖掌子面前方的粉細(xì)砂層亦沒(méi)有加固措施，這是導(dǎo)致塌方的根本原因。

經(jīng)詳細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，既有的管線存在長(zhǎng)期滲漏問(wèn)題，隧道周圍土層受到長(zhǎng)期的浸泡與軟化，造成土層松散、孔隙率大，土層的自穩(wěn)及承載能力較差。在隧道開(kāi)挖時(shí)，松軟土層自掌子面涌向隧道內(nèi)，從而引發(fā)淺埋隧道出現(xiàn)了自下而上的露天塌坑，此是導(dǎo)致隧道塌方的直接原因。

4 塌方應(yīng)急處置及效果評(píng)價(jià)

4.1 塌陷段處理方案

⑴注漿加固隧道內(nèi)的涌入土體。隧道內(nèi)現(xiàn)存的軟弱土體為掌子面涌入的泥沙，極不穩(wěn)定，首先采用注漿方式對(duì)塌陷涌入隧道內(nèi)的20m3土體進(jìn)行加固處理。

⑵回填塌坑并對(duì)地面注漿加固。對(duì)隧道頂部塌坑進(jìn)行回填，并采取從地面注漿的方式進(jìn)行加固處理，加固范圍為塌陷坑前后各10m 范圍，寬度為3 倍開(kāi)挖面洞徑，注漿深度為9m（隧道鋼格柵連接板位置），地面注漿加固后情況如圖2 所示。

圖2 地面加固后實(shí)景

4.2 未開(kāi)挖非塌方段再設(shè)計(jì)

⑴原設(shè)計(jì)暗挖隧道帷幕注漿改為暗挖隧道全斷面注漿。原設(shè)計(jì)加固范圍由開(kāi)挖外輪廓1.5m 范圍內(nèi)改為開(kāi)挖外輪廓2m 范圍內(nèi)，增加地面注漿加固地層，自地面至隧道拱頂以上2m 范圍，注漿深度約5m，洞內(nèi)注漿加固范圍見(jiàn)圖3。地面注漿孔布置3 排，縱向間距1m，橫向間距2m，梅花形布置。漿液采用水泥漿液，水灰比1:1，壓力0.3MPa，擴(kuò)散系數(shù)為1m。

圖3 洞內(nèi)注漿加固范圍（單位：m）

⑵原設(shè)計(jì)注漿管單排縱向間距由2m 改為1m。為進(jìn)一步加強(qiáng)隧道周邊土體的質(zhì)量，隧道初期支護(hù)完成后，優(yōu)化隧道初支的背后注漿，將原設(shè)計(jì)縱向注漿管單排間距由2m 改為1m，采用φ32mm 雙排交錯(cuò)布置。

4.3 效果評(píng)估

根據(jù)地勘報(bào)告、隧道周圍土體特征，結(jié)合室內(nèi)巖土試驗(yàn)成果，采用有限單元法地層結(jié)構(gòu)模型對(duì)處理方案進(jìn)行仿真模擬，分析隧道施工引起的地層變形。圖4 和圖5 分別是塌方處理段隧道施工的沉降和應(yīng)力云圖，可以看出隧道開(kāi)挖階段最大沉降為11.1mm，位于隧道拱頂處，此時(shí)管線周邊最大位移為10.6mm；隧道襯砌施作階段最大位移為8.1mm，位于隧道拱頂處，此時(shí)管線周邊最大位移為7.9mm。同時(shí)，隧道開(kāi)挖階段土體的塑性區(qū)范圍較小，周邊管線沉降滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)應(yīng)力集中區(qū)，總體可控。

圖4 塌方段隧道開(kāi)挖階段沉降云圖

圖5 塌方段隧道開(kāi)挖階段應(yīng)力云圖

圖6 和圖7 分別是非塌方后續(xù)段隧道施工的位移和應(yīng)力云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)隧道開(kāi)挖階段最大沉降位于隧道拱頂處，為9.2mm，此時(shí)管線周邊最大位移為8.6mm；隧道襯砌施作階段最大位移位于隧道拱頂處，為6.2mm，此時(shí)管線周邊最大位移為5.7mm。此外，在注漿效果良好的情況下，該處理方案的塑性區(qū)范圍較小。塌陷處治段與未開(kāi)挖段周邊管線位置處的沉降均可控制在10mm左右，滿足施工要求。

圖6 非塌方段隧道開(kāi)挖階段沉降云圖

圖7 非塌方段隧道開(kāi)挖階段應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)典型管線切改隧道工程的勘察、設(shè)計(jì)及施工塌陷全過(guò)程進(jìn)行分析，得出以下主要結(jié)論：

⑴管線切改隧道工程應(yīng)切實(shí)加強(qiáng)工程地質(zhì)防涌突水與地表沉陷的勘查，設(shè)計(jì)方案應(yīng)具有應(yīng)對(duì)不確定條件致災(zāi)的冗余度，施工期應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)及管線沉降的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

⑵管線切改隧道埋深淺、空間小，塌方事件具有客觀發(fā)生的高概率性，塌方事件發(fā)生后可通過(guò)地表與隧道內(nèi)同步注漿進(jìn)行處理。通過(guò)注漿可密實(shí)土體間隙，疏干過(guò)量水分，從而使?jié){液與土體形成復(fù)合的防水外殼，具有較強(qiáng)的支承保護(hù)能力，確保地面建筑物、管線及開(kāi)挖施工的安全。

⑶本管線切改隧道工程采用的塌陷區(qū)處理方案與后續(xù)變更設(shè)計(jì)方案，已順利完成全部暗挖作業(yè)并投入運(yùn)營(yíng)，監(jiān)測(cè)表明處置措施有效合理，可為類似工程作參考。