城市管线切改隧道工程设计及塌方处治技术

王 慧 田士月

（中材地质工程勘查研究院有限公司）

0 引言

随着城市建设的发展以及对电力安全性的高度重视，城市输电网络的电缆化已成大势所趋[1]。管线切改是一项牵一发而动全身的系统工程，受到项目自身规划定位与周边环境的影响，需要综合考虑多种因素，并调研场地内及周边既有埋设管线图、场地周边既有建筑相关图及项目规划方案图[2-3]。随着城市管网布置的完善，为减少对既有市政管线的影响，管线切改越来越多采用暗挖隧道方式进行[4]。

以北京某110 千伏变电站10 千伏切改工程为例，对城市复杂条件下电力管线切改工程暗挖隧道的勘察设计与施工塌方应急处理进行解析。

1 工程建设条件

1.1 工程概述

该电力管线切改工程总长约1353m，地下隧道采用暗挖法施工，隧道净空断面尺寸为2m×2.3m，管线最低处结构埋深约10m。工程沿线主要为现状道路与绿地，地势较为平坦。隧道上方不同位置分布有联通管路、自来水管与雨水管。工程重要性等级为一级，场地复杂程度等级为二级，岩土条件复杂程度等级为二级，市政工程勘察等级为甲级。

1.2 工程地质

将工程场区地层划分为七个大层，自上而下分别为：人工堆积层，素填土①层，以粘质粉土素填土为主，黄褐色，松散。沿工程线位地表普遍分布，厚度变化较大。第四纪一般沉积层，粘质粉土、砂质粉土②层：褐黄色，稍湿～湿，中密～密实，含云母、氧化铁；粉砂③层：灰色，饱和，稍密～中密，矿物成分主要为石英、长石，含云母、有机质；重粉质粘土、粉质粘土④层：灰色，很湿，可塑～软塑，含云母、有机质；粉砂⑤层：灰色，饱和，中密～密实，矿物成分为石英、长石，含云母、有机质；粉质粘土、重粉质粘土⑥层：灰色，很湿，可塑～软塑，含云母、有机质；粉细砂⑦层：灰色，饱和，密实，矿物成分主要为石英、长石，含云母、有机质。

1.3 水文地质

水位观测试验表明本场地有四层地下水，属于三种地下水类型，分别为上层滞水、潜水和层间水。第一层为上层滞水，稳定水位埋深为1.8～5.4m，含水层主要为粘质粉土、砂质粉土②层。第二层为潜水，稳定水位埋深为4.6～9.3m，含水层为粉砂③层。第三层为层间水，稳定水位埋深为10～13.9m，含水层为粉砂⑤层。第四层为层间水，稳定水位埋深16.3～17.4m，含水层为粉细砂⑦层。潜水和层间水的动态变化与大气降水关系密切，平均年变化幅度约为2～3m。

1.4 隧道围岩

管线切改工程中的新建电力隧道采用暗挖形式，隧道围岩主要为③层及其夹层、④层及其夹层，隧道围岩分级均为VI 级。粉土层、砂类土层的稳定性较差，粘性土层总体上稳定性稍好，在地下水作用下易产生流土、流砂现象导致顶板塌落和边墙坍塌。地基主要以粉土、砂土为主，局部为粘性土，工程性质较好。

2 工程设计方案

2.1 隧道结构设计

新建电力暗挖隧道内截面尺寸为2×2.3m，暗挖隧道初期支护的格栅钢架纵向间距为0.5m，格栅钢架内纵向连接筋间距1m，内外错开布置，连接筋搭接不小于200mm。二衬结构为模筑钢筋混凝土结构。暗挖隧道结构如图1 所示。

图1 电力隧道衬砌结构设计

2.2 注浆止水方案设计

暗挖隧道工程地下水条件复杂，采用帷幕注浆止水技术措施，帷幕注浆长导管环向0.5～0.7m，管头30 度锥体，管身设注浆孔，一次注浆循环长度12m 一段，开挖9m，搭接长度3m，依次注浆。施工中对于注浆盲区要进行二次花管补浆，以保证注浆效果。注浆加固范围是隧道初期支护结构外轮廓线以外1.5m。

3 塌方及原因分析

3.1 工程环境及暗挖段塌方

根据施工图设计方案及现场勘察，塌方部位南侧布置有东西走向φ400 的自来水管线，距离塌方边线3.9m；隧道上方有东西走向的三条联通管线；北侧距离塌方边线2.8m，有东西走向φ600 的雨水管线。隧道在施工期间发生了意外的塌方事件，塌方位置距离最近的竖井约28m，暗挖隧道帷幕注浆施工完成，施工开挖隧道掌子面，开挖进尺0.3m 位置时出现严重漏水塌方现象，淤泥涌出约10m 远，约20m3。

3.2 原因分析

本段暗挖隧道穿越地质土层为粉细砂和粉质黏土，地层中含上层滞水、潜水及层间水，种类多，且出水量大，此地质条件极易造成严重塌方情况发生。隧道设计的加固措施采用帷幕注浆，加固厚度1.5m，帷幕注浆加固土层厚度不足，达不到良好的闭水和加固效果，且开挖掌子面前方的粉细砂层亦没有加固措施，这是导致塌方的根本原因。

经详细调查发现，既有的管线存在长期渗漏问题，隧道周围土层受到长期的浸泡与软化，造成土层松散、孔隙率大，土层的自稳及承载能力较差。在隧道开挖时，松软土层自掌子面涌向隧道内，从而引发浅埋隧道出现了自下而上的露天塌坑，此是导致隧道塌方的直接原因。

4 塌方应急处置及效果评价

4.1 塌陷段处理方案

⑴注浆加固隧道内的涌入土体。隧道内现存的软弱土体为掌子面涌入的泥沙，极不稳定，首先采用注浆方式对塌陷涌入隧道内的20m3土体进行加固处理。

⑵回填塌坑并对地面注浆加固。对隧道顶部塌坑进行回填，并采取从地面注浆的方式进行加固处理，加固范围为塌陷坑前后各10m 范围，宽度为3 倍开挖面洞径，注浆深度为9m（隧道钢格栅连接板位置），地面注浆加固后情况如图2 所示。

图2 地面加固后实景

4.2 未开挖非塌方段再设计

⑴原设计暗挖隧道帷幕注浆改为暗挖隧道全断面注浆。原设计加固范围由开挖外轮廓1.5m 范围内改为开挖外轮廓2m 范围内，增加地面注浆加固地层，自地面至隧道拱顶以上2m 范围，注浆深度约5m，洞内注浆加固范围见图3。地面注浆孔布置3 排，纵向间距1m，横向间距2m，梅花形布置。浆液采用水泥浆液，水灰比1:1，压力0.3MPa，扩散系数为1m。

图3 洞内注浆加固范围（单位：m）

⑵原设计注浆管单排纵向间距由2m 改为1m。为进一步加强隧道周边土体的质量，隧道初期支护完成后，优化隧道初支的背后注浆，将原设计纵向注浆管单排间距由2m 改为1m，采用φ32mm 双排交错布置。

4.3 效果评估

根据地勘报告、隧道周围土体特征，结合室内岩土试验成果，采用有限单元法地层结构模型对处理方案进行仿真模拟，分析隧道施工引起的地层变形。图4 和图5 分别是塌方处理段隧道施工的沉降和应力云图，可以看出隧道开挖阶段最大沉降为11.1mm，位于隧道拱顶处，此时管线周边最大位移为10.6mm；隧道衬砌施作阶段最大位移为8.1mm，位于隧道拱顶处，此时管线周边最大位移为7.9mm。同时，隧道开挖阶段土体的塑性区范围较小，周边管线沉降满足设计要求，无应力集中区，总体可控。

图4 塌方段隧道开挖阶段沉降云图

图5 塌方段隧道开挖阶段应力云图

图6 和图7 分别是非塌方后续段隧道施工的位移和应力云图。可以发现隧道开挖阶段最大沉降位于隧道拱顶处，为9.2mm，此时管线周边最大位移为8.6mm；隧道衬砌施作阶段最大位移位于隧道拱顶处，为6.2mm，此时管线周边最大位移为5.7mm。此外，在注浆效果良好的情况下，该处理方案的塑性区范围较小。塌陷处治段与未开挖段周边管线位置处的沉降均可控制在10mm左右，满足施工要求。

图6 非塌方段隧道开挖阶段沉降云图

图7 非塌方段隧道开挖阶段应力云图

5 结语

通过对典型管线切改隧道工程的勘察、设计及施工塌陷全过程进行分析，得出以下主要结论：

⑴管线切改隧道工程应切实加强工程地质防涌突水与地表沉陷的勘查，设计方案应具有应对不确定条件致灾的冗余度，施工期应加强超前地质及管线沉降的预测预报。

⑵管线切改隧道埋深浅、空间小，塌方事件具有客观发生的高概率性，塌方事件发生后可通过地表与隧道内同步注浆进行处理。通过注浆可密实土体间隙，疏干过量水分，从而使浆液与土体形成复合的防水外壳，具有较强的支承保护能力，确保地面建筑物、管线及开挖施工的安全。

⑶本管线切改隧道工程采用的塌陷区处理方案与后续变更设计方案，已顺利完成全部暗挖作业并投入运营，监测表明处置措施有效合理，可为类似工程作参考。