淺埋矩形磚混結構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.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044； 4.天津市政工程設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中，常采用明挖法施工，隧道結構形式多選用相對簡單的矩形磚混結構(磚墻+預制板)。此類電力隧道具有明顯的斷面面積小、結構埋深淺、易受外界環境影響的特點，且屬于較典型的小斷面淺埋型隧道。近年來，隨著我國城市建設的快速發展，人類活動加劇，外界環境對電力隧道的影響，尤其是對淺埋矩形磚混結構隧道的侵擾日益加重，時常誘發隧道附近土層出現空洞隱患，并呈現出逐漸增長的趨勢，已影響電力隧道的正常使用。

目前，學界關于隧道襯砌背后空洞病害現象的研究，多集中在公路、鐵路隧道和地鐵等工程領域，如羅明亮等[1]利用地質雷達和袖閥管注漿技術對地鐵空洞病害進行處理，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律；張旭等[3]系統研究了拱頂與拱肩背后存在雙空洞條件下隧道結構裂損演化過程和內力變化規律；閔博等[4]利用數值模擬和模型試驗，分析了非對稱連拱隧道拱頂背后空洞對襯砌結構裂損規律的影響；王述紅等[5]根據空洞在拱肩、邊墻、拱腳及拱底等位置的模型試驗結果，總結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，利用模型試驗與數值模擬，分析了空洞在隧道正上方時施工開挖對地層穩定性的影響。

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澆隧道為主，較少涉及淺埋矩形磚混結構電力隧道。淺埋矩形磚混結構電力隧道與前述隧道存在著明顯的結構差異，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險，亟須對隧道背后空洞問題展開相關技術研究與探討。

基于上述問題，本文以淺埋矩形磚混結構電力隧道為例，借助地質雷達探測技術，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構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

1.1 地質雷達探測原理

目前，為探查隧道襯砌結構背后的空洞隱患，多采用地質雷達法進行探測。地質雷達法是用于確定地下介質分布的電磁技術，即利用1根天線發射高頻寬頻帶電磁波，利用另1根天線接收來自地下介質界的反射波[7-8]。根據接收到電磁波旅行時間、幅度與波形資料，可推斷出目標介質的電性特征、空間位置和結構形態。

根據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為介質相對介電常數[11]，如表1所示。

當Z?X時，空洞深度簡化為：

(3)

1.2 測線布置方法

進行矩形電力隧道背后空洞檢測時，地質雷達測線可布置5條，分別位于隧道頂板中線和兩側及左、右邊墻(見圖1)，同時應根據隧道現場實際情況進行必要調整，以獲取較詳細的隧道襯砌背后雷達剖面信息。

圖1 雷達測線布置示意

1.3 典型空洞雷達圖譜特征

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

圖2 典型空洞雷達圖像

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?，F以城市最常見的2m埋深矩形磚混結構電力隧道為例，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 隧道與空洞位置關系

2.3 模型參數及約束

根據城市道路瀝青面層與基層的相關設計要求及道路相關設計規范，并結合電力隧道相關勘察設計資料，本隧道模型參數取值如表2所示。

表2 模型參數

此外，模型邊界條件為兩側邊界采用法向約束，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 空洞對隧道結構的影響

3.1 空洞對隧道結構剪力的影響

不同空洞分布位置隧道結構剪力及變化率如圖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；隧道結構剪力最大值出現在空洞位于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域位于135°處；空洞對隧道頂板剪力影響較大的區域位于45°，65°，90°處；空洞對隧道底板剪力影響較大的區域位于115°，135°，155°處。

圖5 隧道結構剪力及變化率

圖6 隧道結構剪力分布云圖(單位：kN)

3.2 空洞對隧道結構軸力的影響

不同空洞分布位置隧道結構軸力及變化率如圖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??；隧道結構軸力最大值出現在空洞位于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域主要位于90°，115°處；空洞對隧道頂板軸力影響較大的區域主要位于0°處；空洞對隧道底板軸力影響較大的區域主要位于180°處。

圖7 隧道結構軸力及變化率

3.3 空洞對隧道結構彎矩的影響

不同空洞分布位置隧道結構彎矩及變化率如圖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；隧道結構彎矩最大值出現在空洞位于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域主要位于115°，135°，155°處；空洞對隧道頂板彎矩影響較大的區域主要位于45°，65°，90°處；空洞對隧道左邊墻彎矩無太大影響；空洞對隧道右邊墻彎矩影響較大的區域主要位于90°，115°，135°處。

圖10 隧道結構彎矩分布云圖(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，地表沉降整體上變化較??；在90°～155°范圍內，地表沉降急劇增大，并在155°時達最大值-1.628mm；在155°～180°范圍內，地表沉降具有較明顯的降低趨勢。因此，當空洞位于電力隧道邊墻中下部與底板兩側附近時，對周邊地表沉降的影響較大，應加強對電力隧道邊墻中下部與底板兩側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

根據上述研究結果，當淺埋矩形磚混結構電力隧道附近空洞位于隧道結構中下部時，其危害效應明顯高于空洞位于隧道結構中上部時。因此，進行此類隧道背后空洞探測時，更應加強對隧道結構中下部背后空洞的探測，其測線也應著重布置在隧底中線、底板兩側及邊墻中下部，如圖13a所示。同時，對于特殊地段，還應在電力隧道環向加布測線，以滿足實際工程需要，如圖13b所示。

圖13 測線優化布置

5.2 注漿建議

針對淺埋矩形磚混結構電力隧道附近存在的空洞隱患，應對空洞及時進行注漿加固處理[12-13]，以消除空洞對隧道結構及周邊道路的影響，并避免空洞進一步發育造成不可挽回的結構性破壞。同時，根據淺埋矩形磚混結構電力隧道結構特點，對隧道附近空洞進行處理時，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構的破壞，進而避免影響電力隧道抗滲性能。若進行隧道外注漿有困難時，也可采用隧道內注漿形式(見圖14b)，但應做好隧道內注漿孔的防滲處理。此外，應嚴格控制注漿參數，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生較大的偏壓效應，影響電力隧道結構安全。

圖14 空洞注漿形式

6 結語

鑒于淺埋矩形磚混結構電力隧道背后空洞隱伏性的特點，利用地質雷達探測技術，在電力隧道內部布設雷達測線，獲取電力隧道背后隱伏空洞的典型雷達圖譜信息，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行研究。研究結果表明，對于淺埋矩形磚混結構電力隧道來說，當空洞位于隧道邊墻中下部和底板兩側附近時，對隧道及周邊道路的影響最明顯。因此，進行淺埋矩形磚混結構電力隧道雷達探測時，應加強對隧道邊墻中下部和底板兩側的探測。此外，本文建議應對電力隧道附近空洞及時進行注漿處理，以消除空洞對電力隧道及周邊道路的影響，并應嚴格控制注漿參數，以避免注漿使隧道產生偏壓破壞現象。