大连华昌变电站电缆隧道的套衬加固设计与施工

王蓉蓉， 渐明柱， 宋超业

(中铁隧道勘测设计院有限公司, 天津　300133)



大连华昌变电站电缆隧道的套衬加固设计与施工

王蓉蓉， 渐明柱， 宋超业

(中铁隧道勘测设计院有限公司, 天津300133)

摘要：大连华昌变电站电缆隧道出现了严重的底鼓、衬砌裂缝等病害，采用现场测量、钻芯取样等方法对隧道的病害情况进行全面检测，并对病害产生的原因进行分析，认为病害是由地下水作用、原支护结构强度不足和施工质量差等因素综合引起的，决定采用电缆临时移位、底板钻孔注浆后凿除、加设钢筋混凝土内衬的整治方案。目前该工程已竣工，隧道结构稳定，电缆运行正常，取得了较好的整治效果。实践证明： 大连华昌变电站电缆隧道的病害整治方案是可行的。

关键词：电缆隧道； 底鼓； 套衬加固； 底板钻孔注浆； 钢筋混凝土内衬

0引言

近年来，国家在交通、水利、电力等基础设施领域的大力投入，派生出了大量的隧道工程。早期建成的隧道因施工技术不成熟、规范标准要求相对较低，出现了底鼓、衬砌裂缝、渗水、漏水等病害。针对隧道的病害整治，已有许多工程经验。如文献[1-3]分别针对公路、煤矿及铁路隧道的底鼓灾害进行了原因分析、理论推导，并提出防治措施。针对电缆隧道的病害整治，也有部分工程经验。如文献[4]对基坑施工引起的电缆隧道开裂进行了分析和探讨，提出了套拱加固方案；文献[5]总结分析了常见的电缆隧道病害，并进行了分类，简要探讨了病害整治思路。但由于隧道工程内外部条件的复杂性，以上研究成果都具有一定的局限性。

大连华昌变电站电缆隧道具有周边环境复杂、空间狭小、施工过程中需要电缆带电运行等特点，是以前类似隧道整治工程中比较少见的，本文提出的整治方案在确保施工过程安全可靠的同时，较好地解决了隧道病害问题。

1工程概况

大连华昌变电站电缆隧道全长1.56 km，于2002年投资修建，于2004年6月投入运行，主要用于送电电缆敷设。隧道标准断面净宽2.0 m，净高2.3 m，采用钻爆法施工，拱、墙采用单层250 mm厚C20喷射混凝土衬砌，底板采用400 mm厚C20现浇混凝土衬砌。隧道拱顶覆土厚度5～14 m，沿线穿越沟谷、坡地，洞身为素填土、强-中风化板岩，地质条件复杂。整治前的隧道断面见图1。

图1　整治前的隧道断面(单位： mm)

自隧道运行以来，隧道衬砌多处出现裂缝和渗漏水，底板隆起，断裂严重，危害隧道内电缆安全。为全面深入了解隧道病害情况，分析隧道病害产生的原因，首先要对隧道进行全面调查，系统检测。

2病害情况调查

调查评估的主要内容有4部分： 电缆隧道几何尺寸调查，电缆隧道支护强度调查，电缆隧道支护厚度及背后空洞调查，电缆隧道衬砌裂缝、渗漏水情况调查[6-8]。

2.1隧道衬砌净空断面尺寸调查

采用BJSD-2B型激光隧道断面检测仪，对电缆隧道全线净空断面尺寸进行检测。隧道内每隔20 m设置1个检测断面，每个检测断面上有40个测点，共测试76个断面。检测结果显示，隧道存在9处净空侵限现象。其中，桩号为DK0+160、DK0+545、DK0+605、DK0+930、DK1+451等处出现底部侵限，最大侵限断面为DK0+932，底部出现上鼓，最大隆起达13 cm，并有继续发展的态势。

2.2隧道衬砌厚度及强度检测分析

现场采用钻芯法，沿隧道全长均布测点，底板共钻芯取样16处，边墙钻芯取样5处。现场共取得芯样21个，因长度不足或蜂窝严重(见图2)，多数芯样无法制作试件检测强度，而可以做强度检测的芯样其抗压强度值为16.5 MPa和17.8 MPa，不满足设计要求。

(a)

(b)

2.3隧道衬砌背后空洞、不密实检测

现场采用地质雷达法对电缆隧道进行了支护检测，沿隧道轴线方向在右拱腰(1.8 m)、左拱腰(1.8 m)、拱顶、仰拱布置了4条测线。检测结果发现，隧道拱顶处有4处空洞、11处不密实；左拱腰处有8处不密实；右拱腰处有1处空洞、12处不密实；底板处有15处空洞、24处不密实。

2.4隧道衬砌裂缝、渗漏水调查

根据现场观察，隧道存在多处开裂及渗水现象。采用人工目测分格素描的方法进行详细检测，检测结果见表1。

表1　隧道衬砌裂缝、渗漏水统计

综上所述，病害已对隧道运行安全构成威胁，需要采取措施进行整修、加固或改造。

3病害成因分析

通过现场调查检测，隧道主要病害为底板隆起。

3.1地下水作用

大连地区地下水丰富，基岩裂隙水发育。本隧道底板埋深在9.0～12.0 m，静水压力约为0.1 MPa。由于电缆隧道内部不允许地下水渗入，而采用将地下水阻挡在隧道之外的理念和做法。由于地下水的渗流作用，使得隧道支护结构混凝土与围岩产生脱离，外水压力作用在隧道结构上，造成受力最大的隧道底板产生隆起破坏。

3.2支护结构强度不足

根据钻芯取样结果，隆起地段混凝土强度不足20 MPa。对于小断面岩质隧道采用喷射混凝土单层结构，存在混凝土质量不均匀现象，且喷射混凝土本身耐久性差，随着时间的推移和地下水的影响，再加上局部遇水易形成渗流通道，使强度降低，从而造成结构有效厚度明显小于原设计值。

3.3隧道背后存在空洞和不密实情况

隧道底板采用爆破施工时，可能存在底板虚渣清理不干净、混凝土浇筑不规范等现象，容易形成地下水渗流通道。

4病害整治方案

通过分析隧道病害产生的原因，提出病害整治主要分为底板隆起和衬砌强度不足整治、裂缝和渗漏水整治、空洞和不密实整治3方面。为了达到隧道长期耐久运行的目的，采用以下整治方案[3，6，9-12]。

4.1底板隆起和衬砌强度不足整治

破除底板混凝土，全线隧道增设钢筋混凝土内衬，采用全包防水，并补充施作防排水系统。

底板隆起破坏严重，并存在多处空洞、不密实，因此，需破除底板混凝土。底板下虚渣厚度约500 mm，考虑仰拱400 mm的矢高，所以破除底板混凝土并向下开挖1 m左右比较合理。

考虑到本隧道位于城区，埋深不大，根据环保和水资源保护要求，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，所以采用全包防水。隧道内设排水系统，排水系统结合主线隧道和风井改造而成。将隧道全线的2个最低点调整至风井位置处，少量的渗漏水通过隧道两侧流至隧道最低点的风井位置处，在风井内设置集水坑和泵站，以便于后期维护。

4.2裂缝和渗漏水整治

针对隧道拱墙裂缝和渗漏水点，采用涂刷水泥基渗透结晶型防水材料进行处置。

首先彻底清除附近的泥沙等杂物，露出新鲜混凝土面，用机械或手工方法在渗漏处开凿内大外小的倒梯形槽或U型槽口，并清洗孔内残渣；待凿槽混凝土湿饱后，填塞水灰质量比为0.25∶1的水泥基渗透结晶型防水材料A料至挤压缝密实；待A料终凝后，涂刷2遍水灰质量比为0.4∶1的水泥基渗透结晶型防水材料B料，一层终凝后，再涂刷下一层，后一层涂刷方向应与前一层相互垂直；待水泥基渗透结晶型防水材料B料终凝后，在上面涂刷1层水灰质量比为1∶1的水泥基渗透结晶型防水材料B料和C料。

4.3空洞和不密实整治

对隧道空洞、不密实区沿隧道拱部及边墙设置注浆孔，注浆孔环向间距0.8 m，纵向间距3 m，梅花形布置，注浆管采用φ32钢焊管，注浆深度为0.5 m，浆液采用水泥浆。

根据隧道目前的情况，隧道内宽2.0 m，其中人行道宽0.6 m，两侧支架宽度均为0.48 m。根据规范和受力要求，增设二次衬砌C30防水混凝土最小厚度250 mm，考虑剔除隧道原设计边墙防水砂浆，补强后隧道内净空为1.6 m，其中人行道宽度0.5 m。重新调整电缆布置方式后，两侧安装支架宽度分别为0.48 m和0.26 m，隧道空间能满足电缆运行需求。整治后的隧道断面见图3。

图3　整治后的隧道断面(单位： mm)

套衬后，原来的喷射混凝土与内设的套衬组成复合式衬砌，防水层设于2层衬砌之间。结构稳定性和承载能力分施工阶段和使用阶段。选取覆土最大处进行计算，施工阶段由原有衬砌和临时支撑全部承担，使用阶段由内设套衬全部承担，原来的衬砌不承担。经计算，内设衬砌满足受力要求。

5病害整治施工

5.1施工工序流程

隧道病害整治施工工序共分6步。第1步为隧道加固和既有电缆防护；第2步为分段凿除隧道底板混凝土和钢筋，向下开挖至底板底部；第3步为施作底板垫层，浇筑仰拱；第4步为电缆移位至隧道中部；第5步为敷设拱墙防水层，模筑拱墙衬砌；第6步为施作隧道内部结构。施工工序流程见图4。

(a)第1步(b)第2步(c)第3步(d)第4步(e)第5步(f)第6步

1—锁脚锚管； 2—临时横撑； 3—电缆防护板； 4—垫层； 5—底板防水层； 6—底板模筑混凝土； 7—底部回填； 8—电缆槽盒； 9—拱墙模筑混凝土； 10—拱墙防水层； 11—人行道板。

图4施工工序

Fig. 4Construction processes

5.2整治施工

5.2.1隧道加固和既有电缆防护

为了抑制因隧道底板混凝土破除可能造成的隧道位移，在隧道底板混凝土破除前，设置I22b@500 mm工字钢水平支撑，支撑于隧道拱脚。在洞身底角设置锁脚锚管，并注入水泥-水玻璃双液浆。隧道拱部壁后注浆，为开挖底板提供稳定结构。

用双层绝缘板对全线隧道电缆及支架进行围闭，以防在施工过程中有外物或外力伤及电缆。

5.2.2分段凿除隧道底板混凝土和钢筋，向下开挖至底板底部

隧道加固后，进行隧道底板混凝土的破除开挖，按设计深度进行跳槽分段施工。破除采用风镐或电镐进行，并割除结构中的钢筋。

破除开挖过程中为确保围岩稳定，保证施工质量，对地下水采用“堵排结合”的方法，在隧道底板范围内打设垂直导管注浆，隧道内设截水沟、排水井等进行降水，认真做好残留地下水和施工废水的排放工作，确保隧道内无积水。

开挖过程中控制循环进尺，以减少开挖施工对岩层的扰动；加快封闭速度，确保隧道结构的稳定。开挖过程中应加强监控量测，及时反馈分析数据，根据监测数据指导现场施工。

5.2.3施作底部防水层及保护垫层，浇筑底板混凝土

施作防水板后要立即施作保护层，绑扎底板钢筋，钢筋验收后，支立模板， 9 m/段浇筑底板混凝土。

5.2.4电缆移位

隧道底板更换完毕后，电缆自下而上逐条停电，将既有电缆移位至隧道中部位置底板上，且采用槽盒加以保护，保护后恢复送电运行。槽盒由6层180槽钢搭接而成，配以8 mm铁板，且逐层加盖防火隔板，M12螺栓紧固。

5.2.5施作拱墙防水层，浇筑拱墙混凝土

隧道二次衬砌直线段采用衬砌模板台车施工，拐弯段采用型钢支架扣钢模板组合方式施工。施工前，将模板安装固定在工字钢台车上，施工过程中不拆装，台车下部为可调节整体台车升降的150 mm丝杆，丝杆下部为可带动整体台车行走的行走轮，与可升降行走的台车同步前进。台车为750 mm/圈，用水平工字钢相连，全长9 m，拱部预留3个混凝土进料口。

隧道共有4个地面井口供施工时使用，井口间的最大距离约400 m，隧道两边相向施工，因此，最远泵送距离为200 m。根据隧道施工经验，隧道二次衬砌最远可以泵送300 m，满足泵送距离要求。因混凝土输送泵泵送力量较大，在施工过程中要密切注意泵送的力度，通过调节泵送压力，在最后只剩拱部混凝土时，调小泵送压力，均匀泵送。同时，间隙开动附着于台车上的附着振动器，通过振动使浇筑于台车内的结构混凝土密实，从而保证混凝土结构质量。

二次衬砌结构混凝土强度达到设计强度时，及时进行背后填充注浆。

5.2.6施作内部结构

恢复电缆支架和电缆，浇筑人行道结构，全隧道安装调试照明设备及视频监控设备。

5.3整治效果

目前该整治工程已竣工，隧道结构稳定，隧道内无漏水，只有少量渗水，空间安排合理，满足电缆运行和人员检修需要，且电缆运行正常，取得了较好的整治效果。整治后的隧道内景见图5。

图5　整治后的隧道内景

6结论与体会

1)隧道产生病害的过程很复杂，主要包括设计、施工、地质等因素，只有对隧道进行详细调查后才能找到病害产生的真正原因。该隧道病害整治工程对隧道进行了全面检测，提出破除底板后增设内衬的病害处理方案，较好地解决了隧道病害问题。实践证明，采用的整治措施是合理、有效的，可为今后类似工程提供借鉴。

2)该隧道整治的关键在于对水的处理，保证无水施工是工程顺利进行的必要条件。该隧道出现如此严重的病害，其原因之一就是在勘察设计阶段未重视对地下水的处理。

3)因该隧道埋深较大，水压较大，增设衬砌厚度有限，所以采用了增设钢筋混凝土内衬的方案。如隧道受力较小或加大衬砌厚度，考虑素混凝土方案，则可能会更节省成本。

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Design and Construction of Lining Reinforcement of A Cable Tunnel of Huachang Substation in Dalian

WANG Rongrong, JIAN Mingzhu, SONG Chaoye

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Abstract:Floor structure heaving and lining cracks occurred at an operating cable tunnel of Huachang Substation in Dalian, China. These disasters of the cable tunnel are detected by means of site measuring and core drilling; and then the causes of the disasters are analyzed. It is concluded that the groundwater, the insufficient strength of the primary supporting structure and the bad construction quality comprehensively give rise to the tunnel diseases. Countermeasures, such as temporary translocation of the cables, cutting of floor after borehole drilling and the reinforced concrete lining, are taken. The practice shows that the tunnel structure is stable and the cable runs just fine after using the above-mentioned measures.

Keywords:cable tunnel; floor structure heaving; lining reinforcement; floor borehole drilling and grouting; reinforced concrete lining

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)04-0474-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.04.016

第一作者简介：王蓉蓉(1986—)，女，山东茌平人，2010年毕业于天津大学，结构工程专业，硕士，工程师，现从事地下工程结构设计和研究工作。E-mail: wxrl2002@126.com。

收稿日期：2015-08-21; 修回日期: 2015-11-18