運行中市政管廊隧道的維修加固

宋超業, 金若翃, 王蓉蓉

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

0 引言

我國現有市政管廊隧道大都在20世紀90年代后期開始建設運行，目前進入隧道病害高發期，但隧道病害的治理和維修在我國尚處于起步階段，病害情況和產生原因復雜，研究工作難度很大[1-3]。目前對隧道病害檢測的研究主要集中在交通隧道中，文獻[4-8]對鐵路隧道中出現的襯砌背后空洞、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[9-12]介紹了公路和城市道路隧道的病害檢測情況和治理方法。交通隧道一般斷面大，施工處理作業面大，但其限界要求嚴格，幾乎沒有多余的補強空間，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]結合福建省電力隧道調查數據，對隧道可能出現的病害進行分類并提出預防思路。對于采用淺埋暗挖法修建的市政管廊隧道的實際病害處理鮮見研究報道。市政管廊隧道早期設計標準普遍不高，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量不易保證，產生諸如變形、滲漏水和開裂病害現象，且非常多，嚴重威脅內部管線和市政道路的運行安全。

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

1 工程概況

1.1 隧道設計概況

大連某電纜隧道位于中心城區市政道路下方，周邊建筑物密集。隧道全長約1.6 km，內部運行2回路220 kV電纜和4回路66 kV電纜，于2002年投資建設，2004年6月投入運行。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，隧道標準段斷面見圖1。

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

1.2 工程地質與水文地質

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，多為裸露的基巖，局部低洼地帶為回填土。基巖主要為太古宙板巖和石英巖，強風化至中等風化，圍巖節理裂隙發育，圍巖級別大多為Ⅳ、Ⅴ級。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

該隧道運行十余年來，維護過程中發現隧道底板出現明顯隆起開裂現象，影響電纜支架，且地下水滲漏嚴重。隧道地下結構與一般工程結構最大的不同在于它的隱蔽性，而且維修難度較大。隧道的維修管理應堅持預防為主、早期發現、及時維護和對癥下藥的理念。隧道維修管理的步驟主要包括檢查、劣化預測及評價和采取對策等。隧道全面檢測主要內容包括： 運用激光斷面儀檢測隧道的內輪廓變形，鉆孔取芯法檢測隧道襯砌厚度、強度，地質雷達檢測隧道襯砌背后空洞及不密實，采用測量和攝像的辦法記錄裂縫和滲漏水等。

2.1.1 隧道變形

隧道內每隔20 m設置1個檢測斷面，每個檢測斷面上40個測點，2012年9月通過現場測試76個斷面，發現隧道存在9段(處)凈空侵界現象，底板最大隆起高度為130 mm。2013年12月對全隧道進行了重新量測，發現隧道增加7段共約393 m的底板隆起現象(見表1)，隆起最大值為99 mm，同時有8段共約266 m邊墻存在向內收斂現象，收斂最大值為79 mm。

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

2.1.2 襯砌厚度及強度

采用鉆芯法對隧道底板和邊墻進行取樣，全線隧道底板共鉆芯取樣16處，邊墻鉆芯取樣5處。大部分取樣都因長度不足或蜂窩嚴重，無法切割制作做強度檢測的芯樣試件。襯砌混凝土抗壓強度值分別為16.5 MPa和17.8 MPa，隧道混凝土襯砌層內普遍存在疏松離析現象如表2所示，襯砌層實際有效厚度普遍低于設計值(250 mm厚)，內部配筋無法得到混凝土的有效保護，嚴重影響結構的安全性和耐久性。

表2 襯砌厚度及強度檢測Table 2 Detection items for lining thickness and strength

2.1.3 襯砌背后調查

隧道襯砌背后可能存在空洞及不密實情況，可影響隧道結構整體受力。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條地質雷達測線。根據雷達時間(或深度)剖面圖上的波組、能量強弱分布和雙曲線等特征，判識空洞、不密實帶等異常存在的位置和規模等。檢測結果顯示隧道拱頂存有4處背后空洞，最大深度為40 cm，長度約1 m，另有17處不密實，整體上襯砌背后空洞現象不明顯。圖2綠框所示為DK0+410～+422段拱頂不密實范圍，深度大約為32～105 cm。

圖2 電纜隧道雷達測試圖像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分格素描的方法進行檢查，隧道存在多處開裂現象，80%的裂縫寬度為1～2 mm，伴隨滲漏水。隧道2個最低點的集水坑需要全天24 h不間斷抽水，隧道抽水量受季節影響顯著，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 地下水應對措施不足

隧道勘察時顯示隧道主要穿越巖層，未揭示地下水,而實際隧道部分地段穿越斷層和溝谷，基巖裂隙水非常發育，設計施工均未對地下水引起足夠重視。隧道采用了防水的理念和做法，力爭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結構混凝土與圍巖產生脫離，外水壓力直接作用在隧道結構上，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生隆起破壞。

2.2.2 結構設計缺陷和建設標準不高

早期市政管廊隧道建設標準普遍不高，設計采用了噴射混凝土單層襯砌，隧道內簡單設置防水砂漿剛性防水層。此種結構會存在混凝土質量不均勻的現象，且噴射混凝土本身耐久性差，隨著時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，造成強度降低，現有結構有效厚度明顯小于原設計值。

2.2.3 施工質量較差

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

2.3 隧道劣化評定

根據《鐵路橋隧建筑物修理規則》(鐵運[2010]38號)，隧道劣化評定標準見表3。從隧道土建結構變形和開裂角度，底板襯砌裂損劣化等級為AA，邊墻和拱部襯砌裂損劣化等級為B；從結構滲漏水角度，隧道內存在滴水現象，部分處存在淌水或滲水現象，對隧道功能影響程度等級為B；從凍害角度，風井風道處受結冰和圍巖凍脹的反復作用掉塊現象嚴重，影響程度為A1級，隧道主體凍害影響程度為D級；從襯砌材料劣化情況看，支護結構噴射混凝土腐蝕嚴重，襯砌有效厚度不及原設計厚度的3/5，混凝土強度也明顯下降，襯砌材料劣化等級為AA。綜合上述幾個指標，隧道檢測結構最終判定為A1—AA級。

3 維修加固方案選擇

3.1 結構加固方案

隧道病害產生的主要原因是地下水及其引起的支護結構強度、剛度不足。結構加固可采用注漿堵水或增設內襯的方法，其中，增設內襯可采用鋼筋混凝土結構或者鋼結構，3種方案比選見表4。為保證結構安全、減少地下水排放和徹底解決隧道病害，同時由于本隧道凈空斷面有一定富余，選擇增設現澆鋼筋混凝土內襯的方案，與注漿堵水改良地層相結合，以保證施工安全和結構質量。

表3 隧道劣化等級劃分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，從技術和經濟的合理性出發，采用全封堵和排導2種方式都是可行的。根據國外的情況，采用全封堵方式的隧道，地下水位一般小于30 m，而采用排導方式的最大優點是基本上不考慮襯砌的水壓力荷載，從而可以使襯砌結構更經濟合理，2種方案具體比較見表5。考慮該隧道位于城區，埋深不大，根據環保和水資源保護的要求，結合城市地鐵建設經驗，同時考慮減少后期運行抽水和維護費用，推薦采用全封閉方案。

表4 加固方案綜合經濟技術比較表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 結構分析

根據上述分析加固方案，全隧補充施作二次襯砌，采用現澆鋼筋混凝土結構，形成復合式襯砌結構；補充施作防排水系統，減少地下水排放和運檢維護工作量。采用荷載-結構模型對新設二次襯砌進行受力分析，采用地層彈簧模擬地層約束作用，按照極限狀態法進行結構配筋設計。從結構承受圍巖壓力考慮地層已趨于穩定，從偏于安全的角度，不考慮初期支護承載作用；按照二次襯砌承受全部水土壓力(分項系數1.35)和地面超載(分項系數1.4)進行計算。圍巖壓力取靜止土壓力的50%作為計算荷載；水壓力按抗浮水位取全水頭靜水壓力。圍巖計算參數見表6，計算內力見圖4，最大彎矩為77.36 kN·m，軸力約為291 kN，二次襯砌設計為250 mm厚，滿足受力要求和最小防水混凝土厚度要求。

表6 圍巖主要物理力學參數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新設內襯結構內力圖

Fig. 4 Sketches of internal force of lining structure

4 維修加固施工

4.1 施工步序

根據工程特點和地質條件，加固施工的重難點在于既有結構底板開挖安全保護、運行電纜保護和地下水處理。維修施工遵循“先護后挖、處理超前、分段流水、一次成優”的指導原則，全程加強電纜防護和注漿堵水,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 施工關鍵技術

4.2.1 地下水處理

隧道底板施工的關鍵在于虛碴清理和無水施工。施工中地下水處理采用“堵排結合”的方式。底板為全強風化地層時，隧道底板開挖施工前先行打設超前導管注漿堵水；底板為中風化巖層時，通過內設截水溝、排水井等方式進行隧道內降排水。同時，加強初期支護和二次襯砌背后注漿，認真做好殘留地下水和施工廢水的排放工作，確保隧道內不積水。

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

4.2.2 底板開挖

為防止底板開挖產生結構收斂和下沉變形，隧道底板的破除開挖按照“先支護、后開挖、短進尺、快封閉”的原則跳槽分段施工。底板破除前在洞內架設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；同時在隧道兩側打設鎖角錨管進行注漿加固。底板采用人工加電鎬形式進行破除開挖，鋼筋用專業液壓鉗割除，每段長度不超過3 m。

4.2.3 狹小空間二次襯砌施工

模筑二次襯砌階段臺車與中間電纜槽盒間距約0.5 m，在狹小的作業空間中要同時保證隧道維修結構安全和內部多回路電纜不斷電正常運行。隧道拱墻二次襯砌施工采用簡易模板、工字鋼一體式臺車澆筑混凝土，每節3 m，根據隧道平面半徑分節組裝。

4.3 施工效果

電纜隧道采用增設內襯的改造設計和施工方法，安全順利完成了隧道維修施工，隧道內無積水、漏水和滴水現象，2處集水坑排水泵(容量10 m3/h)運行正常，較為徹底地解決了長期困擾電纜運行的隧道變形和滲漏水問題，而且經受住了2015年雨季的考驗。根據監控量測數據分析，加固施工隧道初期支護拱頂沉降累計最大值為6.5 mm，平均值為3.5 mm，最大沉降速率均不超過1.0 mm/d；初期支護收斂累計最大值為3.4 mm，平均值為2.3 mm；隧道上方地表基本測不出沉降變形。上述監測數據均滿足控制要求，整個施工過程也未發生大變形、開裂和坍塌等風險事故，保證了隧道內電纜的正常運行，充分說明增設內襯的設計施工技術措施是科學可靠的。

5 結論和建議

本文結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、劣化評定、維修方案設計和施工，得到以下主要結論和建議：

1)淺埋暗挖市政管廊隧道病害檢測應從結構變形、襯砌強度、襯砌背后、裂縫和滲漏水等方面詳細調查，分析病害成因和評定劣化等級。

2)劣化嚴重的市政管廊隧道，優先選擇增設內襯的維修改造方案，可有效改善結構受力，提高結構耐久性，獲得良好使用功能。

3)維修改造施工階段應重點處理好無水施工、對既有結構及內部管線的保護和狹小空間施工的問題。

4)通過本次維修實踐和大量類似工程經驗，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，應提高襯砌結構的材料強度和性能等級，使用復合式襯砌。同時，應考慮一定的限界富余，預留后期補強空間。

5)本文采用的施工方案應用于巖質地層，如應用于第四系或其他軟弱圍巖應進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，租在香山對面的村子，一排大概有20間房，750塊一個月，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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