宋超業(yè), 金若翃, 王蓉蓉

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司， 天津 300133)

0 引言

我國現(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]。目前對隧道病害檢測的研究主要集中在交通隧道中，文獻(xiàn)[4-8]對鐵路隧道中出現(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(jié)合福建省電力隧道調(diào)查數(shù)據(jù)，對隧道可能出現(xiàn)的病害進(jìn)行分類并提出預(yù)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(shè)計標(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)對措施，但其對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(shè)計概況

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。隧道全長約1.6 km，內(nèi)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(shè)，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(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。基巖主要為太古宙板巖和石英巖，強風(fēng)化至中等風(fēng)化，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)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(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)堅持預(yù)防為主、早期發(fā)現(xiàn)、及時維護(hù)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(yù)測及評價和采取對策等。隧道全面檢測主要內(nèi)容包括： 運用激光斷面儀檢測隧道的內(nèi)輪廓變形，鉆孔取芯法檢測隧道襯砌厚度、強度，地質(zhì)雷達(dá)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(nèi)每隔20 m設(shè)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(xiàn)場測試76個斷面，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月對全隧道進(jìn)行了重新量測，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 襯砌厚度及強度

采用鉆芯法對隧道底板和邊墻進(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。大部分取樣都因長度不足或蜂窩嚴(yán)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(nèi)普遍存在疏松離析現(xiàn)象如表2所示，襯砌層實際有效厚度普遍低于設(shè)計值(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 襯砌厚度及強度檢測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)測線。根據(jù)雷達(dá)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(guī)模等。檢測結(jié)果顯示隧道拱頂存有4處背后空洞，最大深度為40 cm，長度約1 m，另有17處不密實，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段拱頂不密實范圍，深度大約為32～105 cm。

圖2 電纜隧道雷達(dá)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(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(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(fā)育，設(shè)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(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)計采用了噴射混凝土單層襯砌，隧道內(nèi)簡單設(shè)置防水砂漿剛性防水層。此種結(jié)構(gòu)會存在混凝土質(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(xiàn)有結(jié)構(gòu)有效厚度明顯小于原設(shè)計值。

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，形成地下水滲流通道。

2.3 隧道劣化評定

根據(jù)《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》(鐵運[2010]38號)，隧道劣化評定標(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為AA，邊墻和拱部襯砌裂損劣化等級為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，對隧道功能影響程度等級為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，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(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(biāo)，隧道檢測結(jié)構(gòu)最終判定為A1—AA級。

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，同時考慮減少后期運行抽水和維護(hù)費用，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)；補充施作防排水系統(tǒng)，減少地下水排放和運檢維護(hù)工作量。采用荷載-結(jié)構(gòu)模型對新設(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。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(分項系數(shù)1.35)和地面超載(分項系數(shù)1.4)進(jìn)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(shù)見表6，計算內(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)工程特點和地質(zhì)條件，加固施工的重難點在于既有結(jié)構(gòu)底板開挖安全保護(hù)、運行電纜保護(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。底板為全強風(fēng)化地層時，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，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，加強初期支護(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+注漿管加強防水。襯砌后，隧道設(shè)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(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(yè)空間中要同時保證隧道維修結(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(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(jīng)受住了2015年雨季的考驗。根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析，加固施工隧道初期支護(hù)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(hù)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(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足控制要求，整個施工過程也未發(fā)生大變形、開裂和坍塌等風(fēng)險事故，保證了隧道內(nèi)電纜的正常運行，充分說明增設(shè)內(nèi)襯的設(shè)計施工技術(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、劣化評定、維修方案設(shè)計和施工，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應(yīng)從結(jié)構(gòu)變形、襯砌強度、襯砌背后、裂縫和滲漏水等方面詳細(xì)調(diào)查，分析病害成因和評定劣化等級。

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)重點處理好無水施工、對既有結(jié)構(gòu)及內(nèi)部管線的保護(hù)和狹小空間施工的問題。

4)通過本次維修實踐和大量類似工程經(jīng)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(yīng)提高襯砌結(jié)構(gòu)的材料強度和性能等級，使用復(fù)合式襯砌。同時，應(yīng)考慮一定的限界富余，預(yù)留后期補強空間。

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。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 劉海京, 夏才初, 朱合華, 等. 隧道病害研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2007, 3(5): 947.

LIU Haijing, XIA Caichu, ZHU Hehua, et al. Studies of tunnel damage[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007, 3(5): 947.

[2] 關(guān)寶樹. 隧道工程維修管理要點集[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

GUAN Baoshu. Focus of maintenance and management of tunnel engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2004.

[3] 周運祥. 強風(fēng)化砂巖地區(qū)淺埋偏壓隧道病害分析及整治[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2015, 59(4): 79.

ZHOU Yunxiang. Analysis and improvement of bias shallow tunnel in heavily weathered sandstone area [J]. Railway Standard Design, 2015, 59(4): 79.

[4] 孫鐵盾, 宋飛. 金溫鐵路大岳2號隧道病害整治技術(shù)[J]. 鐵道建筑, 2014(8): 46.

SUN Tiedun, SONG Fei. Disease control technique of Dayue Tunnel No. 2 on Jinwen Railway[J]. Railway Engineering, 2014(8): 46.

[5] 崔連友, 吳劍, 鄭波, 等. 雪峰山隧道進(jìn)口段仰拱填充結(jié)構(gòu)開裂原因探討[J]. 地下空間與工程學(xué)報, 2015, 11(1): 48.

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。

CUI Lianyou, WU Jian, ZHENG Bo, et al. Study of cracking mechanism of tunnel lining in the entrance region of Xuefeng Mountain Tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2015, 11(1): 48.

[6] 潘紅桂, 王志杰, 李波, 等. 高寒地區(qū)集包線某運營鐵路隧道滲漏水及凍害整治技術(shù)[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(7): 696.

PAN Honggui, WANG Zhijie, LI Bo, et al. Treatment of water leakage and freezing of an operating railway tunnel on Jining-Baotou Railway in plateau and extremely cold region[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(7): 696.

[7] 王立川, 肖小文, 林輝. 某鐵路隧道底部結(jié)構(gòu)隆起病害成因分析及治理對策探討[J]. 隧道建設(shè), 2014, 34(9): 823.

WANG Lichuan, XIAO Xiaowen, LIN Hui. Analysis on causes for and renovation of floor structure of a high-speed railway tunnel located in slightly-dipping interbedded rock mass[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(9): 823.

[8] 張團(tuán)結(jié). 昌福鐵路隧道病害整治[J]. 鐵道建筑, 2015 (2): 79.

ZHANG Tuanjie. Disease renovation of Changfu Railway Tunnel[J]. Railway Engineering, 2015(2): 79.

[9] 王義, 楊挺, 王心聯(lián). 城市淺埋隧道的病害整治[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2010, 47(3): 103.

WANG Yi, YANG Ting, WANG Xinlian. Defaults treatment for a shallow urban tunnel [J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(3): 103.

[10] 白國權(quán). 隧道二襯嚴(yán)重開裂段綜合治理研究[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計, 2014(8): 133.

BAI Guoquan. Research on comprehensive treatment for severe cracking of tunnel secondary lining[J]. Railway Standard Design, 2014(8): 133.

[11] 劉赟君, 謝蒙均, 黃丹, 等. 季節(jié)性暴雨后某高速公路隧道病害及整治[J]. 隧道建設(shè), 2015, 35(5): 484.

LIU Yunjun, XIE Mengjun, HUANG Dan, et al. Case study of diseases of a highway tunnel occurring after seasonal rainstorm and their treatment[J]. Tunnel Construction, 2015, 35(5): 484.

[12] 彭培. 茜陽隧道病害原因分析及處治技術(shù)探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2011, 48(1): 137.

PENG Pei. Cause analysis and treatment measures for defects of Qianyang Tunnel[J]. Modern Tunnelling Technology， 2011， 48(1): 137.

[13] 吳江濱. 淺談隧道病害分級技術(shù)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報, 2003, 22(增刊1): 2422.

WU Jiangbin. Discussion about the technique of tunnel disease classification[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2003， 22(S1): 2422.

[14] 高菊如, 張博, 袁瑋, 等. 既有線鐵路隧道病害綜合整治技術(shù)與設(shè)備配套研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2013, 50(6): 24.

GAO Juru, ZHANG Bo, YUAN Wei, et al. Study of comprehensive remediation solutions and corresponding equipment for existing railway tunnels [J]. Modern Tunnelling Technology, 2013, 50(6): 24.

[15] 陳孝湘, 李廣福, 吳勤斌. 電力電纜隧道結(jié)構(gòu)常見病害分類及防治[J]. 電力勘測設(shè)計, 2015(2): 10.

CHEN Xiaoxiang, LI Guangfu, WU Qinbin. Classification and preventing method of common diseases in the electric power tunnel[J]. Electric Power Survey & Design, 2015(2): 10.