地表大面積堆載對電力頂管隧道影響分析

鄢本存，劉許凡，杜海強(qiáng)，徐明鳴

(中國能建集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

近年來，隨著我國城市化建設(shè)的加快，城市規(guī)劃對城區(qū)電力線路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高。傳統(tǒng)架空線路由于走廊占地多、對城市景觀影響大，目前在城區(qū)已經(jīng)被限制使用。電力隧道由于具有供電安全可靠性高、對環(huán)境破壞小、節(jié)約城市土地資源、運(yùn)行檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，在城市電網(wǎng)建設(shè)中越來越廣泛的應(yīng)用[1]。頂管是一種常見的非開挖技術(shù)，可以減少對交通、周邊管線的干擾，具有施工周期短、安全性好等優(yōu)點(diǎn)[2]。頂管管節(jié)一般采用工廠預(yù)制，在現(xiàn)場配合頂管機(jī)頂進(jìn)施工(見圖1)。電力頂管主要采用圓形斷面，尺寸從1.2 m到3.5 m不等，目前在電力隧道下穿既有道路、河流上應(yīng)用較多(見圖2)。

堆載常見于基礎(chǔ)或者地下工程開挖，在基礎(chǔ)周邊堆放開挖土方，或者既有工程上的大面積棄土堆放。研究表明[3-4]，大面積地表堆載打破了原有的隧道-土體力學(xué)平衡狀態(tài)，引起隧道應(yīng)力重分布，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的受力和變形發(fā)生改變；在地面突發(fā)大面積堆土的情況下，隧道可能發(fā)生襯砌開裂、滲漏水等問題，影響隧道運(yùn)行安全。本文以某建成電纜頂管隧道為背景，針對隧道上方出現(xiàn)的大面積堆載對隧道的受力變形影響展開研究，并提出針對性的處理措施，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程簡介

頂管隧道是某電纜隧道的一部分，頂管段全長約600 m，主要用于下穿某老河道上游低洼處，目前該河道已干涸多年，未見水流，下穿處的縱斷面如圖3所示。

1.1 地質(zhì)條件

頂管下穿該低洼的地層分類見表1，原土層情況下該處隧道頂埋深12.60 m，地下水位于隧道頂面以上8.90 m。結(jié)合地質(zhì)縱剖圖，頂管隧道位于③粉細(xì)砂土層中，頂管上部為②黃土狀粉土。

表1 頂管下穿處地層描述

1.2 頂管管節(jié)

本工程頂管采用內(nèi)徑3.5 m、外徑4.14 m混凝土“F”型鋼承插口預(yù)制水泥混凝土管，管片壁厚320 mm，幅寬2 500 mm。預(yù)制管節(jié)混凝土等級C50，抗?jié)B等級P10(見圖4)。

1.3 隧道開裂問題

電纜隧道貫通并帶電運(yùn)行約一年后，運(yùn)檢人員巡檢發(fā)現(xiàn)隧道約13節(jié)管節(jié)(長度約32.5 m)出現(xiàn)局部開裂、滲水情況。經(jīng)核實(shí)，開裂隧道上方正在進(jìn)行大面積堆土，最大堆土高度15.5 m，如圖5中編織袋覆蓋范圍。頂管隧道開裂表現(xiàn)為以下特征：

1)只在堆土范圍內(nèi)出現(xiàn)頂管管節(jié)開裂；2)裂縫主要出現(xiàn)在頂管底部、頂部(見圖6)，沿隧道路徑方向發(fā)展，局部開始滲水；3)經(jīng)第三方檢測機(jī)構(gòu)測量結(jié)果，最大裂縫出現(xiàn)在管底內(nèi)側(cè)，寬度為0.9 mm。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算基本原則

1)頂管隧道設(shè)計(jì)使用壽命100 a， 安全等級為一級，構(gòu)件的重要性系數(shù)取1.1。

2)頂管管節(jié)構(gòu)件的最大裂縫寬度按荷載準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用影響的效應(yīng)計(jì)算，最大計(jì)算裂縫寬度限值為0.2 mm。

3)荷載組合系數(shù)見表2。

表2 荷載組合系數(shù)表

2.2 荷載計(jì)算

根據(jù)規(guī)范計(jì)算模型[5-6]，主要考慮以下荷載：隧道結(jié)構(gòu)自重、垂直均布荷載、側(cè)向主動土壓力、隧道內(nèi)電纜設(shè)備重、地面超載。

其中對于地面堆載，根據(jù)CECS 143∶2002給水排水工程地埋預(yù)制混凝土圓形管管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程第4.1.1條規(guī)定，地面堆積荷載屬于可變作用。所以本工程中出現(xiàn)的大面積堆土屬于地面超載。

2.3 計(jì)算荷載與模型簡圖

考慮120°支撐角，采用內(nèi)力系數(shù)法，荷載作用與計(jì)算簡圖如圖7所示。圓形頂管內(nèi)力系數(shù)表見表3。

表3 圓形頂管內(nèi)力系數(shù)表

3 頂管隧道影響受力分析

考慮以下計(jì)算工況：

1)原土層情況下，頂管隧道頂部埋深12.6 m，頂管位于粉細(xì)砂土層，頂管上部為黃土狀粉土，計(jì)算頂管結(jié)構(gòu)受力與變形。

2)在原土層情況下，將頂管隧道上部出現(xiàn)的大面積堆土作為外荷載作用在隧道結(jié)構(gòu)上，計(jì)算頂管結(jié)構(gòu)受力與變形。

3.1 頂管管節(jié)內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)上述計(jì)算模型，分別計(jì)算管自重、管內(nèi)電纜設(shè)備重、土體垂直均布荷載、側(cè)向水、土壓力，采用內(nèi)力系數(shù)法，計(jì)算管節(jié)內(nèi)力如圖8所示。

輸入項(xiàng)輸入值荷載kmAkmBkmCknAknBknC說明壁厚/m0.32099.800.1000.066-0.0760.236-0.0480.250管自重外徑/m4.1410.800.1310.072-0.1110.258-0.0700.500管內(nèi)電纜設(shè)備重覆土厚/m12.60690.220.1540.136-0.1380.209-0.0210.500垂直均布荷載主動土壓力110.08-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側(cè)向主動土壓力側(cè)向水壓力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側(cè)向水壓力活載/kPa0.000.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超載標(biāo)準(zhǔn)值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46設(shè)計(jì)值/(kN·m-1)Ma121.60Mb79.17Mc-86.39Na611.17Nb353.81Nc506.87準(zhǔn)永久值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46

在上述模型的結(jié)果上，考慮將地面以上15.5 m高度的堆土當(dāng)作地面超載作用在頂管隧道上，頂管管節(jié)內(nèi)力如圖9所示。

輸入項(xiàng)輸入值荷載kmAkmBkmCknAknBknC說明壁厚/m0.32099.800.1000.066-0.0760.236-0.0480.250管自重外徑/m4.1410.800.1310.072-0.1110.258-0.0700.500管內(nèi)電纜設(shè)備重覆土厚/m12.60690.220.1540.136-0.1380.209-0.0210.500垂直均布荷載主動土壓力99.98-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側(cè)向主動土壓力側(cè)向水壓力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側(cè)向水壓力活載/kPa1 155.060.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超載標(biāo)準(zhǔn)值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99設(shè)計(jì)值/(kN·m-1)Ma600.50Mb502.48Mc-515.88Na942.32Nb313.03Nc1 315.41準(zhǔn)永久值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99

3.2 頂管管節(jié)承載力及變形驗(yàn)算

根據(jù)頂管受力特征，頂管管頂(B)、管底(A)內(nèi)側(cè)受拉，控制管節(jié)內(nèi)側(cè)配筋及裂縫寬度，頂管管側(cè)(C，D)外側(cè)受拉，控制管節(jié)外側(cè)配筋及裂縫寬度。所以頂管里層受力及變形由管頂、管底位置控制，外層受力及變形由管側(cè)位置控制。

對于承載能力，按照基本組合下的純彎構(gòu)件考慮；對裂縫寬度，考慮到圓形結(jié)構(gòu)軸力較大，對裂縫寬度計(jì)算有利，將軸力折減0.6按準(zhǔn)永久組合下壓彎構(gòu)件考慮，結(jié)果如表4，表5所示。

表4 原土層情況下管節(jié)受力及裂縫寬度

表5 考慮地面堆土荷載情況下管節(jié)受力及裂縫寬度

由上述結(jié)果可知，原土層情況下頂管隧道管節(jié)受力及裂縫寬度均滿足要求，考慮地面堆土荷載情況下，管節(jié)受力及裂縫寬度嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)工況。

4 結(jié)論與建議

1)本文結(jié)合實(shí)際工程條件，對地表大面積堆載情況下的頂管隧道受力展開分析，結(jié)果顯示堆載情況下隧道管底內(nèi)側(cè)最大裂縫為1.214 mm，與實(shí)測0.9 mm較為接近，說明該計(jì)算模型較為合理，在一定程度上反映頂管隧道的受力情況。

2)針對已開裂頂管隧道管片，建議采取以下處理措施：

a.通過地表注漿對管片周圍土體進(jìn)行加固，提高土體承載能力。

b.采用界面劑對管片內(nèi)部已開裂裂縫進(jìn)行表層處理，防止裂縫滲漏水。

c.采用圓形鋼襯環(huán)對管片內(nèi)部進(jìn)行加固，鋼襯環(huán)由三片組合而成，鋼襯環(huán)外表面與頂管內(nèi)壁貼合，組裝過程中可施加環(huán)向預(yù)應(yīng)力。

d.加強(qiáng)對頂管隧道內(nèi)部變形、受力的監(jiān)測。

3)地表大面積堆載對已建電纜隧道屬于外荷載，具有出現(xiàn)時間短、荷載數(shù)值大的特點(diǎn)，常規(guī)設(shè)計(jì)難以考慮。大面積堆載一旦出現(xiàn)，很可能導(dǎo)致隧道開裂、變形、滲漏水等問題，嚴(yán)重影響電纜隧道運(yùn)行安全。所以運(yùn)行電纜隧道應(yīng)加強(qiáng)巡視、建立安全警示牌，嚴(yán)防大面積堆土問題的出現(xiàn)。