近接基坑电力隧道开裂原因及整治技术

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(石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

随着我国城市建设进程的不断加快，城市用地日益紧张，电力隧道能够充分利用地下空间，正在成为城市电网建设的重要发展趋势。将架空高压电缆转入地下，不仅使得供电更加安全，而且净化城市环境[1]。由于电力隧道大多集中在人口和商业密集的城区，容易与大型建筑物、地铁车站等的基坑工程近接。由于技术、经济原因及管理不善，深基坑工程施工中出现不少事故，对周边环境造成了不利影响，如临近建筑物开裂、倾斜甚至坍塌；道路深陷、开裂；地下管线错位等[2]。在电力隧道近距离处的基坑开挖施工，如果处理方式不当，极有可能对隧道主体结构造成破坏，危及城市用电安全[3-4]。以石家庄市电缆隧道在周边基坑开挖施工中出现开裂为工程背景，对隧道结构受力和开裂原因进行了研究，并提出综合治理方案，为后续类似工程施工提供了依据。

1 工程概况

图1 隧道与基坑的位置关系(单位：m)

石家庄市110 kV石中一二线(16#-北道岔站)电缆隧道埋深为5～7 m，设计净空1.6 m×2.85 m，为喷锚单层衬砌结构，喷层厚度250 mm，混凝土设计强度等级C30，四肢格栅钢架间距0.5 m/榀，现已施工完成。阿尔卡迪亚三期商业综合体基坑深度14 m，基坑采用土钉墙结合钻孔排桩联合支护形式，隧道与基坑的位置关系如图1所示。2013年春季在基坑开挖时，隧道内部底板发现有纵向裂缝发生。裂缝沿基坑边缘呈连续发展态势，严重处裂缝宽度约为5 mm，后经现场调查，靠基坑外侧局部拱腰处也有纵向裂缝出现。

2 隧道结构开裂形成机制分析

2.1 隧道结构受力状态模拟

为分析隧道结构在基坑施工过程中的受力状态及安全性，利用有限元软件ANSYS对施工过程进行了数值仿真分析。建立平面有限元计算模型，监测基坑施工过程中对隧道结构的影响。施工顺序为：首先采用台阶法对隧道进行开挖并施做支护，完成后开始右侧基坑的施工。每个计算步基坑开挖深度为1 m。自然地表下至桩顶放坡部分，开挖后即施做边坡支护，至桩顶后施做支护桩继续开挖。建模时支护桩按等刚度原则折算成墙体，墙体厚度由折算确定，有限元计算模型如图2所示。

2.1.1 隧道开挖后结构受力分析

隧道开挖后，支护结构拉应力最大部位主要集中在边墙中部内侧和墙脚外侧以及底板中部内侧，受拉区域分布范围和拉力值较小。图3是隧道开挖结束后结构最大主应力图，墙腰最大拉应力为0.7 MPa，底板最大拉应力为1.2 MPa，在基坑没有开挖的情况下，周围地层不存在偏压力的作用，隧道支护结构受力和变形都是对称分布。表1是隧道施工结束后结构典型截面安全系数计算结果，从结构的受力情况考虑，隧道在基坑没有开挖的情况下是安全的。

图2 有限元计算模型 图3 隧道施工结束后结构最大主应力图

表1 隧道施工结束后结构典型截面安全系数位置弯矩/(kN·m)轴力/kN安全系数拱顶38.80.536.47底板14.977.792.8墙腰33.457.33.78墙脚9.5577.793.8

2.1.2 基坑开挖过程中隧道结构受力分析

图4为基坑开挖过程中不同工况下隧道结构应力的变化情况。

图4 基坑开挖过程中不同工况下隧道结构最大主应力

基坑开挖至隧道顶部标高时，可以看出隧道结构已经受到了明显的偏压作用。随着基坑深度的增加，支护结构左上部受到的地层偏压力增大，受拉区的范围扩大。从拉应力的分布情况来看，主要在左拱的内侧以及右拱的外侧，底板内侧受拉现象也很严重，基坑开挖结束后最大拉应力超过3 MPa。表2是基坑施工过程中不同工况下隧道结构最大拉应力出现的位置及拉力值汇总。

表2 基坑开挖过程中不同工况下隧道结构受力情况基坑开挖标高位置最大拉应力部位最大拉应力值/MPa隧顶墙脚3.49隧中底板3.49隧底底板3.15设计深度拱顶3.34

隧道周边土体水平方向的变形图如图5所示。

图5 基坑开挖过程中不同工况下土体水平变形

从土体变形云图上可以看出，随着基坑开挖深度的增加，土体变形有显著增长，左侧土体水平方向位移造成的偏压作用明显加剧。表3是基坑开挖过程中隧道结构典型截面安全系数计算结果，可以看出隧道结构在基坑开挖后已经不能满足设计要求，安全性无法保证，有必要对其进行加固处理。

表3 基坑开挖过程中不同工况下隧道结构典型截面安全系数基坑开挖标高位置拱顶底板墙腰墙脚隧顶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 隧道裂缝原因分析

从隧道结构裂缝发展形态和规律可以看出，该裂缝为结构型裂缝。根据2013年3月份现场踏勘、钻孔取样和室内试验以及数值分析的结果，初步确定隧道开裂的主要原因如下：

(1)隧道施工质量与设计严重不符。根据现场样本的室内混凝土强度试验结果，混凝土实际强度指标约为设计值的60%～70%，栅钢架平均间距约为1.1 m，与设计指标相差较远，造成结构承载能力严重不足。原设计隧道底部为仰拱+混凝土回填结构，实际隧道基本未发现有明显仰拱结构，且底板混凝土强度不足。

(2)隧道路由改变造成近接工程问题的发生。与原设计方案相比，实际电缆隧道内壁平面位置内移至距基坑围护桩侧壁约2 m，围护桩顶冠梁标高与隧道拱顶标高大致相同。在基坑施工过程中，基坑上部开挖卸载和隧顶土体偏压引起隧道结构受力状态改变，容易造成隧道底板、墙腰和拱顶等部位的受拉开裂。

(3)基坑开挖过程中，桩间土体流坍。现场踏勘情况表明，隧道下部地层为中砂，在基坑开挖中有桩间土体流失现象发生，致使隧道侧面及基底地层损失和漏空，进一步影响了隧道结构的受力状态。

3 总体加固方案

根据本隧道的工程环境特点，本次整治工程的总体方案采取隧道洞内套拱结合洞周地层注浆的综合治理方案。洞内套拱措施为在既有隧道结构条件下实施洞内套施模铸混凝土+钢架的二次支护结构，对既有隧道结构进行补强；洞周地层注浆采取洞内外联合注浆形式，并以衬砌壁后回填注浆为主，同时兼顾隧道周边地层改良加固之目的。考虑到本工程隧道空间狭小，基底钻孔和注浆操作均在洞内开展，而隧道基坑侧侧壁地层采用洞外施注的方式进行。

3.1 套拱技术方案及措施

根据数值模拟结果，基坑开挖卸载对隧道结构影响较大，近阶段隧道局部结构已经丧失继续承载的能力。为此，近接基坑区段的隧道套拱设计为钢筋混凝土结构形式。设计套拱结构为200 mm厚C30混凝土+120 mm格栅拱架+内侧单层钢筋网片结构。根据对隧道净空的调查结果，隧道套拱施作完成后，基本能够净宽1.3 m的使用要求。钢架采用4肢格栅钢架，纵向间距1.0 m/榀，相邻钢架之间采用直径20 mm的钢筋进行纵向连接，纵向连接筋环向间距0.5 m，内外双侧布置；钢筋网片网格间距150 mm×150 mm，钢筋直径6 mm。

3.2 注浆加固方案

3.2.1 注浆方式及材料的选择

根据本区间地层的特性，并考虑注浆压力对隧道衬砌结构的影响，决定采用渗透注浆对地层进行加固。渗透注浆浆液一般均匀地扩散到土颗粒间的孔隙内，将土颗粒胶结起来，增强土体的强度和防渗能力[3]。

由于电缆隧道所通过的地层主要为砂层，部分区段穿越粉质黏土地层，同时，考虑到注浆地层应保持后期强度，并兼顾经济性因素等，设计中注浆材料考虑采用水泥-水玻璃双浆液。根据相关工程经验，在本工程中可采用32.5级普通硅酸盐水泥，水灰比为1∶1，水玻璃浓度25～35°Be，水泥浆:水玻璃浆约为1∶0.8～1∶1。

3.2.2 洞内注浆技术

根据隧道工程环境情况，确定洞内注浆加固范围为隧底以外1.0 m。单根注浆管注浆扩散半径为中、粗砂层1.0～1.2 m，粉质黏土、粉砂、细砂地层0.5～0.75 m。注浆孔采用垂直钻孔形式，洞内向下施作，注浆孔的平面布置形式如图6所示。注浆采用带花孔的Φ42注浆小导管(如图7所示)，导管长度1.5 m。

图6 注浆孔平面布置(单位：cm) 图7 注浆小导管构造示意(单位:m)

注浆可沿隧道方向分段进行，根据类似工程的经验，注浆压力控制在0.2 MPa以内，注浆量为待加固土体体积的10%～20%，则对于粉质黏土、粉细砂地层，单孔单位长度注浆量约为0.2 m3，对于中、粗砂地层，单孔单位长度注浆量为0.5 m3，具体的数值应根据现场情况确定。

3.2.3 洞外注浆技术

洞外注浆在基坑回填过程中施作，注浆由下至上根据基坑回填标高逐排施作。注浆参数，如注浆形式、浆材、注浆压力、注浆量等与洞内注浆相同。注浆孔位布置在基坑围护桩的桩间，具体形式如图8所示。注浆时注浆管末端(即孔口段)1.0 m长度内不设花孔，以避免跑浆。

图8 洞外注浆孔布置示意图(单位：m)

3.3 基坑回填过程隧道安全性分析

在基坑土体回填过程中，由于土层已经受到扰动，虽然进行夯实但已经不能形成拱效应，回填部分土体将增加部分荷载作用在隧道结构上。对基坑回填过程进行模拟，每个荷载步回填1 m。对套拱结构应力及变形进行分析，并计算结构的安全系数。图9是基坑回填过程中套拱结构的应力图。

图9 基坑回填过程中套拱第一主应力图

基坑回填至隧中标高和地表时，套拱结构的最大拉应力分别为0.78 MPa、0.49 MPa。从套拱结构应力变化情况可以看出，拉应力在基坑回填过程中有所减小，这表明基坑回填后偏压作用的影响有所降低。从受力情况和检算结果看套拱结构是安全的。表4是基坑回填完毕后套拱的安全系数检算结果。

表4 基坑回填后隧道套拱典型截面安全系数计算结果位置弯矩/(kN·m)轴力/kN安全系数拱顶2.426.618.62拱脚3.5142.7510.19底板1.978.46.57墙脚0.9556.1516.73

4 结束语

(1)受原有隧道施工质量问题和基坑开挖卸载及偏压作用下，原有结构承载能力存在明显安全隐患。为确保隧道结构稳定和使用安全，需对原有隧道进行必要的加固和补强。

(2)隧道洞内套拱结合洞周地层注浆的加固方案，整治后的隧道结构能够满足后续施工和使用安全。

(3)由于隧道的综合整治工作尚未开展，治理方案的实际应用效果有待进一步验证。

参 考 文 献

[1]周金海，周红霞，王鑫.城市电力隧道规划及结构设计研究[J]. 铁道建筑，2012(1):69-72.

[2]张弛，黄广龙，李娟. 深基坑施工环境影响的模糊风险分析[J]. 岩石力学与工程学报，2013,32(1):2669-2675.

[3]张屹，王道生. 基坑开挖对福州路电力隧道影响分析[J]. 华东电力，2001,39(8):1308-1310.

[4]贾坚，侯学渊. 上海城市建设中深基坑开挖与周围环境保护[J]. 隧道及地下工程，1997，18(9) : 12-17．