城市管線切改隧道工程設計及塌方處治技術

王 慧 田士月

（中材地質工程勘查研究院有限公司）

0 引言

隨著城市建設的發(fā)展以及對電力安全性的高度重視，城市輸電網絡的電纜化已成大勢所趨[1]。管線切改是一項牽一發(fā)而動全身的系統(tǒng)工程，受到項目自身規(guī)劃定位與周邊環(huán)境的影響，需要綜合考慮多種因素，并調研場地內及周邊既有埋設管線圖、場地周邊既有建筑相關圖及項目規(guī)劃方案圖[2-3]。隨著城市管網布置的完善，為減少對既有市政管線的影響，管線切改越來越多采用暗挖隧道方式進行[4]。

以北京某110 千伏變電站10 千伏切改工程為例，對城市復雜條件下電力管線切改工程暗挖隧道的勘察設計與施工塌方應急處理進行解析。

1 工程建設條件

1.1 工程概述

該電力管線切改工程總長約1353m，地下隧道采用暗挖法施工，隧道凈空斷面尺寸為2m×2.3m，管線最低處結構埋深約10m。工程沿線主要為現狀道路與綠地，地勢較為平坦。隧道上方不同位置分布有聯通管路、自來水管與雨水管。工程重要性等級為一級，場地復雜程度等級為二級，巖土條件復雜程度等級為二級，市政工程勘察等級為甲級。

1.2 工程地質

將工程場區(qū)地層劃分為七個大層，自上而下分別為：人工堆積層，素填土①層，以粘質粉土素填土為主，黃褐色，松散。沿工程線位地表普遍分布，厚度變化較大。第四紀一般沉積層，粘質粉土、砂質粉土②層：褐黃色，稍濕～濕，中密～密實，含云母、氧化鐵；粉砂③層：灰色，飽和，稍密～中密，礦物成分主要為石英、長石，含云母、有機質；重粉質粘土、粉質粘土④層：灰色，很濕，可塑～軟塑，含云母、有機質；粉砂⑤層：灰色，飽和，中密～密實，礦物成分為石英、長石，含云母、有機質；粉質粘土、重粉質粘土⑥層：灰色，很濕，可塑～軟塑，含云母、有機質；粉細砂⑦層：灰色，飽和，密實，礦物成分主要為石英、長石，含云母、有機質。

1.3 水文地質

水位觀測試驗表明本場地有四層地下水，屬于三種地下水類型，分別為上層滯水、潛水和層間水。第一層為上層滯水，穩(wěn)定水位埋深為1.8～5.4m，含水層主要為粘質粉土、砂質粉土②層。第二層為潛水，穩(wěn)定水位埋深為4.6～9.3m，含水層為粉砂③層。第三層為層間水，穩(wěn)定水位埋深為10～13.9m，含水層為粉砂⑤層。第四層為層間水，穩(wěn)定水位埋深16.3～17.4m，含水層為粉細砂⑦層。潛水和層間水的動態(tài)變化與大氣降水關系密切，平均年變化幅度約為2～3m。

1.4 隧道圍巖

管線切改工程中的新建電力隧道采用暗挖形式，隧道圍巖主要為③層及其夾層、④層及其夾層，隧道圍巖分級均為VI 級。粉土層、砂類土層的穩(wěn)定性較差，粘性土層總體上穩(wěn)定性稍好，在地下水作用下易產生流土、流砂現象導致頂板塌落和邊墻坍塌。地基主要以粉土、砂土為主，局部為粘性土，工程性質較好。

2 工程設計方案

2.1 隧道結構設計

新建電力暗挖隧道內截面尺寸為2×2.3m，暗挖隧道初期支護的格柵鋼架縱向間距為0.5m，格柵鋼架內縱向連接筋間距1m，內外錯開布置，連接筋搭接不小于200mm。二襯結構為模筑鋼筋混凝土結構。暗挖隧道結構如圖1 所示。

圖1 電力隧道襯砌結構設計

2.2 注漿止水方案設計

暗挖隧道工程地下水條件復雜，采用帷幕注漿止水技術措施，帷幕注漿長導管環(huán)向0.5～0.7m，管頭30 度錐體，管身設注漿孔，一次注漿循環(huán)長度12m 一段，開挖9m，搭接長度3m，依次注漿。施工中對于注漿盲區(qū)要進行二次花管補漿，以保證注漿效果。注漿加固范圍是隧道初期支護結構外輪廓線以外1.5m。

3 塌方及原因分析

3.1 工程環(huán)境及暗挖段塌方

根據施工圖設計方案及現場勘察，塌方部位南側布置有東西走向φ400 的自來水管線，距離塌方邊線3.9m；隧道上方有東西走向的三條聯通管線；北側距離塌方邊線2.8m，有東西走向φ600 的雨水管線。隧道在施工期間發(fā)生了意外的塌方事件，塌方位置距離最近的豎井約28m，暗挖隧道帷幕注漿施工完成，施工開挖隧道掌子面，開挖進尺0.3m 位置時出現嚴重漏水塌方現象，淤泥涌出約10m 遠，約20m3。

3.2 原因分析

本段暗挖隧道穿越地質土層為粉細砂和粉質黏土，地層中含上層滯水、潛水及層間水，種類多，且出水量大，此地質條件極易造成嚴重塌方情況發(fā)生。隧道設計的加固措施采用帷幕注漿，加固厚度1.5m，帷幕注漿加固土層厚度不足，達不到良好的閉水和加固效果，且開挖掌子面前方的粉細砂層亦沒有加固措施，這是導致塌方的根本原因。

經詳細調查發(fā)現，既有的管線存在長期滲漏問題，隧道周圍土層受到長期的浸泡與軟化，造成土層松散、孔隙率大，土層的自穩(wěn)及承載能力較差。在隧道開挖時，松軟土層自掌子面涌向隧道內，從而引發(fā)淺埋隧道出現了自下而上的露天塌坑，此是導致隧道塌方的直接原因。

4 塌方應急處置及效果評價

4.1 塌陷段處理方案

⑴注漿加固隧道內的涌入土體。隧道內現存的軟弱土體為掌子面涌入的泥沙，極不穩(wěn)定，首先采用注漿方式對塌陷涌入隧道內的20m3土體進行加固處理。

⑵回填塌坑并對地面注漿加固。對隧道頂部塌坑進行回填，并采取從地面注漿的方式進行加固處理，加固范圍為塌陷坑前后各10m 范圍，寬度為3 倍開挖面洞徑，注漿深度為9m（隧道鋼格柵連接板位置），地面注漿加固后情況如圖2 所示。

圖2 地面加固后實景

4.2 未開挖非塌方段再設計

⑴原設計暗挖隧道帷幕注漿改為暗挖隧道全斷面注漿。原設計加固范圍由開挖外輪廓1.5m 范圍內改為開挖外輪廓2m 范圍內，增加地面注漿加固地層，自地面至隧道拱頂以上2m 范圍，注漿深度約5m，洞內注漿加固范圍見圖3。地面注漿孔布置3 排，縱向間距1m，橫向間距2m，梅花形布置。漿液采用水泥漿液，水灰比1:1，壓力0.3MPa，擴散系數為1m。

圖3 洞內注漿加固范圍（單位：m）

⑵原設計注漿管單排縱向間距由2m 改為1m。為進一步加強隧道周邊土體的質量，隧道初期支護完成后，優(yōu)化隧道初支的背后注漿，將原設計縱向注漿管單排間距由2m 改為1m，采用φ32mm 雙排交錯布置。

4.3 效果評估

根據地勘報告、隧道周圍土體特征，結合室內巖土試驗成果，采用有限單元法地層結構模型對處理方案進行仿真模擬，分析隧道施工引起的地層變形。圖4 和圖5 分別是塌方處理段隧道施工的沉降和應力云圖，可以看出隧道開挖階段最大沉降為11.1mm，位于隧道拱頂處，此時管線周邊最大位移為10.6mm；隧道襯砌施作階段最大位移為8.1mm，位于隧道拱頂處，此時管線周邊最大位移為7.9mm。同時，隧道開挖階段土體的塑性區(qū)范圍較小，周邊管線沉降滿足設計要求，無應力集中區(qū)，總體可控。

圖4 塌方段隧道開挖階段沉降云圖

圖5 塌方段隧道開挖階段應力云圖

圖6 和圖7 分別是非塌方后續(xù)段隧道施工的位移和應力云圖。可以發(fā)現隧道開挖階段最大沉降位于隧道拱頂處，為9.2mm，此時管線周邊最大位移為8.6mm；隧道襯砌施作階段最大位移位于隧道拱頂處，為6.2mm，此時管線周邊最大位移為5.7mm。此外，在注漿效果良好的情況下，該處理方案的塑性區(qū)范圍較小。塌陷處治段與未開挖段周邊管線位置處的沉降均可控制在10mm左右，滿足施工要求。

圖6 非塌方段隧道開挖階段沉降云圖

圖7 非塌方段隧道開挖階段應力云圖

5 結語

通過對典型管線切改隧道工程的勘察、設計及施工塌陷全過程進行分析，得出以下主要結論：

⑴管線切改隧道工程應切實加強工程地質防涌突水與地表沉陷的勘查，設計方案應具有應對不確定條件致災的冗余度，施工期應加強超前地質及管線沉降的預測預報。

⑵管線切改隧道埋深淺、空間小，塌方事件具有客觀發(fā)生的高概率性，塌方事件發(fā)生后可通過地表與隧道內同步注漿進行處理。通過注漿可密實土體間隙，疏干過量水分，從而使?jié){液與土體形成復合的防水外殼，具有較強的支承保護能力，確保地面建筑物、管線及開挖施工的安全。

⑶本管線切改隧道工程采用的塌陷區(qū)處理方案與后續(xù)變更設計方案，已順利完成全部暗挖作業(yè)并投入運營，監(jiān)測表明處置措施有效合理，可為類似工程作參考。