淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道背后空洞識別及其對周邊道路的影響研究*

田 崗，金春峰，張海軍，師 海，杜衍慶，戚艷麗，宋琳琳

(1.中國電子工程設(shè)計院有限公司，北京 100142； 2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044； 4.天津市政工程設(shè)計研究總院有限公司，天津 300051)

0 引言

在我國早期的電力隧道建設(shè)中，常采用明挖法施工，隧道結(jié)構(gòu)形式多選用相對簡單的矩形磚混結(jié)構(gòu)(磚墻+預(yù)制板)。此類電力隧道具有明顯的斷面面積小、結(jié)構(gòu)埋深淺、易受外界環(huán)境影響的特點，且屬于較典型的小斷面淺埋型隧道。近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，人類活動加劇，外界環(huán)境對電力隧道的影響，尤其是對淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)隧道的侵?jǐn)_日益加重，時常誘發(fā)隧道附近土層出現(xiàn)空洞隱患，并呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢，已影響電力隧道的正常使用。

目前，學(xué)界關(guān)于隧道襯砌背后空洞病害現(xiàn)象的研究，多集中在公路、鐵路隧道和地鐵等工程領(lǐng)域，如羅明亮等[1]利用地質(zhì)雷達(dá)和袖閥管注漿技術(shù)對地鐵空洞病害進(jìn)行處理，有效解決了臨海深厚軟土層地鐵空洞危害；緱小東等[2]以福建省道206線龍門隧道空洞病害為例，分析了空洞附近襯砌變形收斂與擴張規(guī)律；張旭等[3]系統(tǒng)研究了拱頂與拱肩背后存在雙空洞條件下隧道結(jié)構(gòu)裂損演化過程和內(nèi)力變化規(guī)律；閔博等[4]利用數(shù)值模擬和模型試驗，分析了非對稱連拱隧道拱頂背后空洞對襯砌結(jié)構(gòu)裂損規(guī)律的影響；王述紅等[5]根據(jù)空洞在拱肩、邊墻、拱腳及拱底等位置的模型試驗結(jié)果，總結(jié)了不同位置空洞對隧道破壞形式和破壞順序的影響；趙文強[6]依托青島地鐵工程，利用模型試驗與數(shù)值模擬，分析了空洞在隧道正上方時施工開挖對地層穩(wěn)定性的影響。

上述針對隧道周邊空洞病害的研究，主要以馬蹄形和圓形現(xiàn)澆隧道為主，較少涉及淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道。淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道與前述隧道存在著明顯的結(jié)構(gòu)差異，且其周邊空洞主要由電力隧道建成后受外界因素擾動作用而產(chǎn)生，具有較大的不確定性。因此，給電力隧道帶來了一定潛在安全風(fēng)險，亟須對隧道背后空洞問題展開相關(guān)技術(shù)研究與探討。

基于上述問題，本文以淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道為例，借助地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，探查此類隧道背后潛在空洞隱患，建立不同空洞分布位置的工況模型，分析空洞分布差異對隧道結(jié)構(gòu)受力及其周邊道路變形的影響，以期為類似工程探測與治理提供參考。

1 空洞探測技術(shù)

1.1 地質(zhì)雷達(dá)探測原理

目前，為探查隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后的空洞隱患，多采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行探測。地質(zhì)雷達(dá)法是用于確定地下介質(zhì)分布的電磁技術(shù)，即利用1根天線發(fā)射高頻寬頻帶電磁波，利用另1根天線接收來自地下介質(zhì)界的反射波[7-8]。根據(jù)接收到電磁波旅行時間、幅度與波形資料，可推斷出目標(biāo)介質(zhì)的電性特征、空間位置和結(jié)構(gòu)形態(tài)。

根據(jù)電磁波雙程走時特點[9-10]，其旅行時間tzs為：

(1)

(2)

式中：Z為空洞深度；X為發(fā)射天線與接收天線的距離；v為電磁波在巖土中的波速；c為電磁波在真空中的波速；ε為介質(zhì)相對介電常數(shù)[11]，如表1所示。

當(dāng)Z?X時，空洞深度簡化為：

(3)

1.2 測線布置方法

進(jìn)行矩形電力隧道背后空洞檢測時，地質(zhì)雷達(dá)測線可布置5條，分別位于隧道頂板中線和兩側(cè)及左、右邊墻(見圖1)，同時應(yīng)根據(jù)隧道現(xiàn)場實際情況進(jìn)行必要調(diào)整，以獲取較詳細(xì)的隧道襯砌背后雷達(dá)剖面信息。

圖1 雷達(dá)測線布置示意

1.3 典型空洞雷達(dá)圖譜特征

當(dāng)隧道背后存在空洞隱患時，其地質(zhì)雷達(dá)反射波外部輪廓一般相對清晰，且內(nèi)部有明顯的強反射現(xiàn)象，繞射波和多次波較明顯，整體振幅大，同相軸相對連續(xù)，雷達(dá)頻率由低頻向高頻轉(zhuǎn)化。其中，當(dāng)空洞類似于圓形時，則反射波組表現(xiàn)為倒懸雙曲線形態(tài)；當(dāng)空洞類似于方形時，則反射波表現(xiàn)為正向連續(xù)平板狀形態(tài)(見圖2)。

圖2 典型空洞雷達(dá)圖像

2 空洞分析模型

2.1 地層特征

淺埋矩形電力隧道主要分布于城市道路沿線，由于埋深較淺，其所處地層主要涉及道路面層、道路基層及黏土層。現(xiàn)以城市最常見的2m埋深矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道為例，建立包含面層、基層及黏土層的分析模型，如圖3所示。

圖3 地層情況與分析模型

2.2 空洞位置分布

為較全面地分析空洞位置對電力隧道及周邊道路的影響，本文針對隧道背后空洞位置一般多呈隨機性分布的特點，以直徑1m的圓形空洞隱患為例，考慮空洞與電力隧道之間的9種位置關(guān)系(見圖4)，建立空洞與隧道不同相對位置的工況分析模型。

圖4 隧道與空洞位置關(guān)系

2.3 模型參數(shù)及約束

根據(jù)城市道路瀝青面層與基層的相關(guān)設(shè)計要求及道路相關(guān)設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合電力隧道相關(guān)勘察設(shè)計資料，本隧道模型參數(shù)取值如表2所示。

表2 模型參數(shù)

此外，模型邊界條件為兩側(cè)邊界采用法向約束，底部邊界采用法向和切向約束；隧道邊墻與頂、底板連接采用鉸接。同時，本模型僅考慮自重荷載的影響。

3 空洞對隧道結(jié)構(gòu)的影響

3.1 空洞對隧道結(jié)構(gòu)剪力的影響

不同空洞分布位置隧道結(jié)構(gòu)剪力及變化率如圖5所示，剪力分布云圖如圖6所示。由圖5，6可知，隧道頂、底板剪力明顯大于隧道邊墻剪力，且隨著空洞分布位置的變化，隧道頂、底板剪力變化程度高于邊墻剪力變化程度；隧道結(jié)構(gòu)剪力最大值出現(xiàn)在空洞位于135°時的隧道底板處，其值為58.184kN，較無空洞時隧道底板剪力增大42.24%；空洞對隧道左邊墻剪力無太大影響，空洞對隧道右邊墻剪力影響較大的區(qū)域位于135°處；空洞對隧道頂板剪力影響較大的區(qū)域位于45°，65°，90°處；空洞對隧道底板剪力影響較大的區(qū)域位于115°，135°，155°處。

圖5 隧道結(jié)構(gòu)剪力及變化率

圖6 隧道結(jié)構(gòu)剪力分布云圖(單位：kN)

3.2 空洞對隧道結(jié)構(gòu)軸力的影響

不同空洞分布位置隧道結(jié)構(gòu)軸力及變化率如圖7所示，軸力分布云圖如圖8所示。由圖7，8可知，隧道左、右邊墻軸力明顯大于隧道頂、底板軸力，隨著空洞分布位置的變化，隧道頂、底板軸力變化率雖較大，但軸力相對較小；隧道結(jié)構(gòu)軸力最大值出現(xiàn)在空洞位于115°時的隧道右邊墻處，其值為90.013kN，較無空洞時隧道右邊墻軸力增大33.39%；空洞對隧道左邊墻軸力無太大影響；空洞對隧道右邊墻軸力影響較大的區(qū)域主要位于90°，115°處；空洞對隧道頂板軸力影響較大的區(qū)域主要位于0°處；空洞對隧道底板軸力影響較大的區(qū)域主要位于180°處。

圖7 隧道結(jié)構(gòu)軸力及變化率

3.3 空洞對隧道結(jié)構(gòu)彎矩的影響

不同空洞分布位置隧道結(jié)構(gòu)彎矩及變化率如圖9所示，彎矩分布云圖如圖10所示。由圖9，10可知，隧道頂、底板彎矩明顯大于隧道邊墻彎矩，且隨著空洞分布位置的變化，隧道頂、底板彎矩變化程度高于邊墻彎矩變化程度；隧道結(jié)構(gòu)彎矩最大值出現(xiàn)在空洞位于135°時的隧道底板處，其值為27.398kN·m，較無空洞時隧道底板彎矩增大56.20%；空洞對隧道底板彎矩影響較大的區(qū)域主要位于115°，135°，155°處；空洞對隧道頂板彎矩影響較大的區(qū)域主要位于45°，65°，90°處；空洞對隧道左邊墻彎矩?zé)o太大影響；空洞對隧道右邊墻彎矩影響較大的區(qū)域主要位于90°，115°，135°處。

圖10 隧道結(jié)構(gòu)彎矩分布云圖(單位：kN·m)

4 空洞對周邊道路的影響

不同空洞分布位置周邊道路沉降曲線如圖11所示，位移分布云圖如圖12所示。由圖11，12可知，周邊道路地表沉降隨著空洞分布位置的變化而變化，在0°～90°范圍內(nèi)，地表沉降整體上變化較??；在90°～155°范圍內(nèi)，地表沉降急劇增大，并在155°時達(dá)最大值-1.628mm；在155°～180°范圍內(nèi)，地表沉降具有較明顯的降低趨勢。因此，當(dāng)空洞位于電力隧道邊墻中下部與底板兩側(cè)附近時，對周邊地表沉降的影響較大，應(yīng)加強對電力隧道邊墻中下部與底板兩側(cè)附近背后空洞的探測工作。

圖11 周邊道路沉降曲線

圖12 周邊道路沉降云圖(單位：m)

5 探測與注漿建議

5.1 探測建議

根據(jù)上述研究結(jié)果，當(dāng)淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道附近空洞位于隧道結(jié)構(gòu)中下部時，其危害效應(yīng)明顯高于空洞位于隧道結(jié)構(gòu)中上部時。因此，進(jìn)行此類隧道背后空洞探測時，更應(yīng)加強對隧道結(jié)構(gòu)中下部背后空洞的探測，其測線也應(yīng)著重布置在隧底中線、底板兩側(cè)及邊墻中下部，如圖13a所示。同時，對于特殊地段，還應(yīng)在電力隧道環(huán)向加布測線，以滿足實際工程需要，如圖13b所示。

圖13 測線優(yōu)化布置

5.2 注漿建議

針對淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道附近存在的空洞隱患，應(yīng)對空洞及時進(jìn)行注漿加固處理[12-13]，以消除空洞對隧道結(jié)構(gòu)及周邊道路的影響，并避免空洞進(jìn)一步發(fā)育造成不可挽回的結(jié)構(gòu)性破壞。同時，根據(jù)淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道結(jié)構(gòu)特點，對隧道附近空洞進(jìn)行處理時，建議采用隧道外注漿的形式(見圖14a)，以避免注漿施工對隧道結(jié)構(gòu)的破壞，進(jìn)而避免影響電力隧道抗?jié)B性能。若進(jìn)行隧道外注漿有困難時，也可采用隧道內(nèi)注漿形式(見圖14b)，但應(yīng)做好隧道內(nèi)注漿孔的防滲處理。此外，應(yīng)嚴(yán)格控制注漿參數(shù)，合理選擇注漿材料，避免注漿壓力、注漿材料重度及膨脹作用對電力隧道產(chǎn)生較大的偏壓效應(yīng)，影響電力隧道結(jié)構(gòu)安全。

圖14 空洞注漿形式

6 結(jié)語

鑒于淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道背后空洞隱伏性的特點，利用地質(zhì)雷達(dá)探測技術(shù)，在電力隧道內(nèi)部布設(shè)雷達(dá)測線，獲取電力隧道背后隱伏空洞的典型雷達(dá)圖譜信息，并對其加以解譯識別，以掌握電力隧道背后空洞病害特征及分布情況。同時，為更全面地分析空洞分布位置對隧道及周邊道路的影響，通過建立9種隧道背后空洞分布工況模型進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，對于淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道來說，當(dāng)空洞位于隧道邊墻中下部和底板兩側(cè)附近時，對隧道及周邊道路的影響最明顯。因此，進(jìn)行淺埋矩形磚混結(jié)構(gòu)電力隧道雷達(dá)探測時，應(yīng)加強對隧道邊墻中下部和底板兩側(cè)的探測。此外，本文建議應(yīng)對電力隧道附近空洞及時進(jìn)行注漿處理，以消除空洞對電力隧道及周邊道路的影響，并應(yīng)嚴(yán)格控制注漿參數(shù)，以避免注漿使隧道產(chǎn)生偏壓破壞現(xiàn)象。