运行中市政管廊隧道的维修加固

宋超业, 金若翃, 王蓉蓉

(中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

0 引言

我国现有市政管廊隧道大都在20世纪90年代后期开始建设运行，目前进入隧道病害高发期，但隧道病害的治理和维修在我国尚处于起步阶段，病害情况和产生原因复杂，研究工作难度很大[1-3]。目前对隧道病害检测的研究主要集中在交通隧道中，文献[4-8]对铁路隧道中出现的衬砌背后空洞、开裂和渗漏水等病害提出了注浆和锚杆加固的处理措施；文献[9-12]介绍了公路和城市道路隧道的病害检测情况和治理方法。交通隧道一般断面大，施工处理作业面大，但其限界要求严格，几乎没有多余的补强空间，病害处理多采用注浆加固、部分拆除重建等方式[13-14]。陈孝湘等[15]结合福建省电力隧道调查数据，对隧道可能出现的病害进行分类并提出预防思路。对于采用浅埋暗挖法修建的市政管廊隧道的实际病害处理鲜见研究报道。市政管廊隧道早期设计标准普遍不高，其断面小，多采用喷射混凝土单层衬砌，加之在狭小空间施工质量不易保证，产生诸如变形、渗漏水和开裂病害现象，且非常多，严重威胁内部管线和市政道路的运行安全。

市政管廊隧道断面较小，改造施工需要注重狭小空间应对措施，但其对净空限界的要求一般不高，如果适当调整内部管线的布置，可以留出一定尺寸的加固空间。本文结合大连某电缆隧道具体维修加固工程，详细介绍城市浅埋暗挖市政管廊隧道的病害检测和维修加固实施过程，提出维修加固的理念和具体加固措施。

1 工程概况

1.1 隧道设计概况

大连某电缆隧道位于中心城区市政道路下方，周边建筑物密集。隧道全长约1.6 km，内部运行2回路220 kV电缆和4回路66 kV电缆，于2002年投资建设，2004年6月投入运行。隧道净宽2.0 m，直墙接拱形断面，喷射混凝土单层衬砌，采用浅埋暗挖法施工，隧道标准段断面见图1。

图1 电缆隧道断面图(单位： mm)Fig. 1 Cross-section of cable tunnel (unit: mm)

1.2 工程地质与水文地质

隧道一般段埋深为5.0～13.0 m，最大纵坡12.2%，最小纵坡1.1%。隧道沿线为丘陵地区，多为裸露的基岩，局部低洼地带为回填土。基岩主要为太古宙板岩和石英岩，强风化至中等风化，围岩节理裂隙发育，围岩级别大多为Ⅳ、Ⅴ级。地下水丰富，主要为基岩裂隙水。

2 隧道主要病害及原因分析

2.1 隧道病害检测

该隧道运行十余年来，维护过程中发现隧道底板出现明显隆起开裂现象，影响电缆支架，且地下水渗漏严重。隧道地下结构与一般工程结构最大的不同在于它的隐蔽性，而且维修难度较大。隧道的维修管理应坚持预防为主、早期发现、及时维护和对症下药的理念。隧道维修管理的步骤主要包括检查、劣化预测及评价和采取对策等。隧道全面检测主要内容包括： 运用激光断面仪检测隧道的内轮廓变形，钻孔取芯法检测隧道衬砌厚度、强度，地质雷达检测隧道衬砌背后空洞及不密实，采用测量和摄像的办法记录裂缝和渗漏水等。

2.1.1 隧道变形

隧道内每隔20 m设置1个检测断面，每个检测断面上40个测点，2012年9月通过现场测试76个断面，发现隧道存在9段(处)净空侵界现象，底板最大隆起高度为130 mm。2013年12月对全隧道进行了重新量测，发现隧道增加7段共约393 m的底板隆起现象(见表1)，隆起最大值为99 mm，同时有8段共约266 m边墙存在向内收敛现象，收敛最大值为79 mm。

表1 隧道底板隆起调查表Table 1 Measuring heaves of cable tunnel floor

2.1.2 衬砌厚度及强度

采用钻芯法对隧道底板和边墙进行取样，全线隧道底板共钻芯取样16处，边墙钻芯取样5处。大部分取样都因长度不足或蜂窝严重，无法切割制作做强度检测的芯样试件。衬砌混凝土抗压强度值分别为16.5 MPa和17.8 MPa，隧道混凝土衬砌层内普遍存在疏松离析现象如表2所示，衬砌层实际有效厚度普遍低于设计值(250 mm厚)，内部配筋无法得到混凝土的有效保护，严重影响结构的安全性和耐久性。

表2 衬砌厚度及强度检测Table 2 Detection items for lining thickness and strength

2.1.3 衬砌背后调查

隧道衬砌背后可能存在空洞及不密实情况，可影响隧道结构整体受力。沿隧道轴线方向在右拱腰(高1.8 m)、左拱腰(高1.8 m)、拱顶、仰拱共布置4条地质雷达测线。根据雷达时间(或深度)剖面图上的波组、能量强弱分布和双曲线等特征，判识空洞、不密实带等异常存在的位置和规模等。检测结果显示隧道拱顶存有4处背后空洞，最大深度为40 cm，长度约1 m，另有17处不密实，整体上衬砌背后空洞现象不明显。图2绿框所示为DK0+410～+422段拱顶不密实范围，深度大约为32～105 cm。

图2 电缆隧道雷达测试图像Fig. 2 Detection image of cable tunnel by geological radar

2.1.4 裂缝及渗漏水

裂缝及渗漏水采用人工目测分格素描的方法进行检查，隧道存在多处开裂现象，80%的裂缝宽度为1～2 mm，伴随渗漏水。隧道2个最低点的集水坑需要全天24 h不间断抽水，隧道抽水量受季节影响显著，雨季抽水量明显增大，最大日抽水量约1 150 m3，隧道日抽水量变化如图3所示。

图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 地下水应对措施不足

隧道勘察时显示隧道主要穿越岩层，未揭示地下水,而实际隧道部分地段穿越断层和沟谷，基岩裂隙水非常发育，设计施工均未对地下水引起足够重视。隧道采用了防水的理念和做法，力争将地下水阻挡在隧道之外。地下水的渗流作用使得隧道支护结构混凝土与围岩产生脱离，外水压力直接作用在隧道结构上，造成外水压力最大的部位(隧道底板)和受力最不利即隧道跨度最大的部位最先产生隆起破坏。

2.2.2 结构设计缺陷和建设标准不高

早期市政管廊隧道建设标准普遍不高，设计采用了喷射混凝土单层衬砌，隧道内简单设置防水砂浆刚性防水层。此种结构会存在混凝土质量不均匀的现象，且喷射混凝土本身耐久性差，随着时间推移和地下水掏空影响，刚度降低；再加上局部遇水易形成渗流通道，造成强度降低，现有结构有效厚度明显小于原设计值。

2.2.3 施工质量较差

从底板取芯和开挖情况看，施工过程中底板虚碴清理不足，带水施工现象严重，造成底板混凝土浇筑质量低，与地基没有贴实，形成地下水渗流通道。

2.3 隧道劣化评定

根据《铁路桥隧建筑物修理规则》(铁运[2010]38号)，隧道劣化评定标准见表3。从隧道土建结构变形和开裂角度，底板衬砌裂损劣化等级为AA，边墙和拱部衬砌裂损劣化等级为B；从结构渗漏水角度，隧道内存在滴水现象，部分处存在淌水或渗水现象，对隧道功能影响程度等级为B；从冻害角度，风井风道处受结冰和围岩冻胀的反复作用掉块现象严重，影响程度为A1级，隧道主体冻害影响程度为D级；从衬砌材料劣化情况看，支护结构喷射混凝土腐蚀严重，衬砌有效厚度不及原设计厚度的3/5，混凝土强度也明显下降，衬砌材料劣化等级为AA。综合上述几个指标，隧道检测结构最终判定为A1—AA级。

3 维修加固方案选择

3.1 结构加固方案

隧道病害产生的主要原因是地下水及其引起的支护结构强度、刚度不足。结构加固可采用注浆堵水或增设内衬的方法，其中，增设内衬可采用钢筋混凝土结构或者钢结构，3种方案比选见表4。为保证结构安全、减少地下水排放和彻底解决隧道病害，同时由于本隧道净空断面有一定富余，选择增设现浇钢筋混凝土内衬的方案，与注浆堵水改良地层相结合，以保证施工安全和结构质量。

表3 隧道劣化等级划分Table 3 Tunnel degradation grade

3.2 防排水方案

隧道埋深为5～13 m，静水压力不大，从技术和经济的合理性出发，采用全封堵和排导2种方式都是可行的。根据国外的情况，采用全封堵方式的隧道，地下水位一般小于30 m，而采用排导方式的最大优点是基本上不考虑衬砌的水压力荷载，从而可以使衬砌结构更经济合理，2种方案具体比较见表5。考虑该隧道位于城区，埋深不大，根据环保和水资源保护的要求，结合城市地铁建设经验，同时考虑减少后期运行抽水和维护费用，推荐采用全封闭方案。

表4 加固方案综合经济技术比较表Table 4 Comprehensive techno-economic comparison among reinforcement schemes

表5 防排水方案比较表Table 5 Comprehensive comparison between waterproof schemes

3.3 结构分析

根据上述分析加固方案，全隧补充施作二次衬砌，采用现浇钢筋混凝土结构，形成复合式衬砌结构；补充施作防排水系统，减少地下水排放和运检维护工作量。采用荷载-结构模型对新设二次衬砌进行受力分析，采用地层弹簧模拟地层约束作用，按照极限状态法进行结构配筋设计。从结构承受围岩压力考虑地层已趋于稳定，从偏于安全的角度，不考虑初期支护承载作用；按照二次衬砌承受全部水土压力(分项系数1.35)和地面超载(分项系数1.4)进行计算。围岩压力取静止土压力的50%作为计算荷载；水压力按抗浮水位取全水头静水压力。围岩计算参数见表6，计算内力见图4，最大弯矩为77.36 kN·m，轴力约为291 kN，二次衬砌设计为250 mm厚，满足受力要求和最小防水混凝土厚度要求。

表6 围岩主要物理力学参数Table 6 Physico-mechanical parameters of surrounding rocks

(a)弯矩图(单位：kN·m)(b)轴力图(单位：kN)

图4新设内衬结构内力图

Fig. 4 Sketches of internal force of lining structure

4 维修加固施工

4.1 施工步序

根据工程特点和地质条件，加固施工的重难点在于既有结构底板开挖安全保护、运行电缆保护和地下水处理。维修施工遵循“先护后挖、处理超前、分段流水、一次成优”的指导原则，全程加强电缆防护和注浆堵水,具体施工工序见表7。

表7 维修加固施工步序表Table 7 Construction sequence of tunnel reinforcement

4.2 施工关键技术

4.2.1 地下水处理

隧道底板施工的关键在于虚碴清理和无水施工。施工中地下水处理采用“堵排结合”的方式。底板为全强风化地层时，隧道底板开挖施工前先行打设超前导管注浆堵水；底板为中风化岩层时，通过内设截水沟、排水井等方式进行隧道内降排水。同时，加强初期支护和二次衬砌背后注浆，认真做好残留地下水和施工废水的排放工作，确保隧道内不积水。

结构防水、二次衬砌采用C30、P8防水钢筋混凝土，初期支护和二次衬砌之间设置全封闭防水层(1.5 mm厚ECB +400 g/m2无纺布)，环、纵向施工缝均采用2道遇水膨胀止水条+注浆管加强防水。衬砌后，隧道设置2座集水坑，由自动控制污水泵通过竖井抽排至市政管网。

4.2.2 底板开挖

为防止底板开挖产生结构收敛和下沉变形，隧道底板的破除开挖按照“先支护、后开挖、短进尺、快封闭”的原则跳槽分段施工。底板破除前在洞内架设I25工字钢，纵向间距为1.0 m，并用膨胀螺丝固定于隧道边墙；同时在隧道两侧打设锁角锚管进行注浆加固。底板采用人工加电镐形式进行破除开挖，钢筋用专业液压钳割除，每段长度不超过3 m。

4.2.3 狭小空间二次衬砌施工

模筑二次衬砌阶段台车与中间电缆槽盒间距约0.5 m，在狭小的作业空间中要同时保证隧道维修结构安全和内部多回路电缆不断电正常运行。隧道拱墙二次衬砌施工采用简易模板、工字钢一体式台车浇筑混凝土，每节3 m，根据隧道平面半径分节组装。

4.3 施工效果

电缆隧道采用增设内衬的改造设计和施工方法，安全顺利完成了隧道维修施工，隧道内无积水、漏水和滴水现象，2处集水坑排水泵(容量10 m3/h)运行正常，较为彻底地解决了长期困扰电缆运行的隧道变形和渗漏水问题，而且经受住了2015年雨季的考验。根据监控量测数据分析，加固施工隧道初期支护拱顶沉降累计最大值为6.5 mm，平均值为3.5 mm，最大沉降速率均不超过1.0 mm/d；初期支护收敛累计最大值为3.4 mm，平均值为2.3 mm；隧道上方地表基本测不出沉降变形。上述监测数据均满足控制要求，整个施工过程也未发生大变形、开裂和坍塌等风险事故，保证了隧道内电缆的正常运行，充分说明增设内衬的设计施工技术措施是科学可靠的。

5 结论和建议

本文结合大连某电力隧道具体维修加固工程，介绍了城市市政管廊隧道维修改造病害检测、劣化评定、维修方案设计和施工，得到以下主要结论和建议：

1)浅埋暗挖市政管廊隧道病害检测应从结构变形、衬砌强度、衬砌背后、裂缝和渗漏水等方面详细调查，分析病害成因和评定劣化等级。

2)劣化严重的市政管廊隧道，优先选择增设内衬的维修改造方案，可有效改善结构受力，提高结构耐久性，获得良好使用功能。

3)维修改造施工阶段应重点处理好无水施工、对既有结构及内部管线的保护和狭小空间施工的问题。

4)通过本次维修实践和大量类似工程经验，建议新作暗挖市政或综合管廊慎重选用喷射混凝土单层衬砌，应提高衬砌结构的材料强度和性能等级，使用复合式衬砌。同时，应考虑一定的限界富余，预留后期补强空间。

5)本文采用的施工方案应用于岩质地层，如应用于第四系或其他软弱围岩应进一步考虑辅助施工措施。

参考文献(References)：

[1] 刘海京, 夏才初, 朱合华, 等. 隧道病害研究现状与进展[J]. 地下空间与工程学报, 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] 关宝树. 隧道工程维修管理要点集[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] 周运祥. 强风化砂岩地区浅埋偏压隧道病害分析及整治[J]. 铁道标准设计, 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] 孙铁盾, 宋飞. 金温铁路大岳2号隧道病害整治技术[J]. 铁道建筑, 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] 崔连友, 吴剑, 郑波, 等. 雪峰山隧道进口段仰拱填充结构开裂原因探讨[J]. 地下空间与工程学报, 2015, 11(1): 48.

记得拍《北爱》之前，我和我妈还住在地下室的小隔间里，租在香山对面的村子，一排大概有20间房，750块一个月，房间里只能摆下一张很小的单人床，厕所和厨房都是公用的。

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] 潘红桂, 王志杰, 李波, 等. 高寒地区集包线某运营铁路隧道渗漏水及冻害整治技术[J]. 隧道建设, 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, 林辉. 某铁路隧道底部结构隆起病害成因分析及治理对策探讨[J]. 隧道建设, 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] 张团结. 昌福铁路隧道病害整治[J]. 铁道建筑, 2015 (2): 79.

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

[9] 王义, 杨挺, 王心联. 城市浅埋隧道的病害整治[J]. 现代隧道技术, 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] 白国权. 隧道二衬严重开裂段综合治理研究[J]. 铁道标准设计, 2014(8): 133.

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

[11] 刘赟君, 谢蒙均, 黄丹, 等. 季节性暴雨后某高速公路隧道病害及整治[J]. 隧道建设, 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. 茜阳隧道病害原因分析及处治技术探讨[J].现代隧道技术, 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] 吴江滨. 浅谈隧道病害分级技术[J]. 岩石力学与工程学报, 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, 张博, 袁玮, 等. 既有线铁路隧道病害综合整治技术与设备配套研究[J]. 现代隧道技术, 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] 陈孝湘, 李广福, 吴勤斌. 电力电缆隧道结构常见病害分类及防治[J]. 电力勘测设计, 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.