北京電力隧道矩形頂管通用斷面設(shè)計(jì)

李繼波，黃業(yè)勝，張小穎

(北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京 100020)

1 概述

近年來，頂管由于其機(jī)械化程度高，施工速度快，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，開始在電力隧道工程中應(yīng)用，就電力隧道工程而言，相比于圓形頂管，矩形或類矩形頂管的斷面利用率更高，其有效使用面積相較于傳統(tǒng)圓形頂管增大了20%以上[1]，因此，矩形頂管不失為電力隧道工程建設(shè)的一種新工法。由于北京電力隧道工程中，隧道圍巖整體含水量偏低，頂管施工過程中摩擦力大，因此，怎樣在滿足電纜敷設(shè)容量的前提下，使電力隧道斷面最小，以減小頂管頂進(jìn)壓力，就顯得尤為重要。本文結(jié)合北京電力隧道其他工法常用斷面，考慮隧道內(nèi)電纜敷設(shè)、運(yùn)維檢修、附屬設(shè)施、結(jié)構(gòu)安全、頂管機(jī)械、管節(jié)長度等因素，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬的手段分析了矩形頂管結(jié)構(gòu)受力，進(jìn)而確定了矩形頂管斷面的形式、凈空尺寸及結(jié)構(gòu)厚度等，可為電力矩形頂管隧道斷面設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和參考。

2 矩形頂管斷面凈空設(shè)計(jì)

2.1 目前通用斷面

電力隧道常用工法有明挖法、礦山法、頂管法及盾構(gòu)法，各種工法常用斷面如表1所示。

表1 不同工法電力隧道凈空尺寸表 m

2.2 矩形頂管斷面凈空設(shè)計(jì)

矩形斷面的空間利用率高，與圓形斷面相比可節(jié)約30%左右的空間。但矩形頂管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足結(jié)構(gòu)受力和防水要求，其難點(diǎn)在于確定最優(yōu)的矩形頂管橫斷面尺寸和斷面形式。斷面最優(yōu)尺寸需同時綜合對比不同斷面方案的受力情況，以及斷面利用率和經(jīng)濟(jì)性[2]。

2.2.1 斷面設(shè)計(jì)基本原則

1)以滿足全部容納電纜的允許最小彎曲半徑、施工作業(yè)與維護(hù)空間要求，應(yīng)符合電纜敷設(shè)、檢修及運(yùn)行維護(hù)要求的原則。2)隧道的斷面形狀除應(yīng)滿足電纜敷設(shè)的要求，還應(yīng)根據(jù)受力分析、施工難度、經(jīng)濟(jì)性等因素確定。3)滿足隧道附屬設(shè)施專業(yè)的空間要求，如防排水、通風(fēng)、監(jiān)控及消防等。4)采用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)合理，達(dá)到社會效益、環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，遵循和體現(xiàn)以人為本、資源節(jié)約、環(huán)境友好原則。

2.2.2 隧道凈空形狀與尺寸的擬定

在設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)電纜敷設(shè)要求等條件，考慮通風(fēng)、照明、監(jiān)控等內(nèi)部裝修設(shè)施所必需的富余量，同時結(jié)合頂管施工工法確保斷面形狀及尺寸有利于矩形頂管隧道的安全和穩(wěn)定。

從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，內(nèi)輪廓線又應(yīng)盡量減少頂管隧道的體積，減少隧道與圍巖的接觸面積。因此，內(nèi)輪廓線一般緊貼限界，并最大限度地保證確定后的斷面形式安全、經(jīng)濟(jì)、合理。其次結(jié)構(gòu)斷面厚度的確定是結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓線確定以后的重點(diǎn)研究內(nèi)容，目的是要判斷在初步設(shè)定的斷面厚度下結(jié)構(gòu)是否有足夠的強(qiáng)度。需根據(jù)斷面尺寸、土質(zhì)條件、上覆土厚度、結(jié)構(gòu)耐腐蝕性以及頂管施工情況等因素來確定。

本文擬定電力隧道工程，按覆土深度10 m，凈空斷面為2.6 m×2.4 m(寬×高)，頂?shù)装濉?cè)墻厚度均為300 mm，進(jìn)行分析研究[3-6]。

3 頂管結(jié)構(gòu)受力研究

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算

對于頂管結(jié)構(gòu)受力與變形研究，一般可通過試驗(yàn)、數(shù)值模擬、理論計(jì)算等手段掌握矩形頂管在不同工況下的受力機(jī)制及其承載力極限狀態(tài)，明確各工況下矩形頂管結(jié)構(gòu)性能的發(fā)展全過程。由此得到設(shè)計(jì)荷載條件下結(jié)構(gòu)受力特征和變形特征，驗(yàn)證矩形頂管的可靠性，為進(jìn)一步優(yōu)化矩形頂管設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。本文主要采用數(shù)值模擬與理論計(jì)算，根據(jù)實(shí)際情況做了如下簡化和基本假設(shè)：

1)矩形頂管隧道為長條形結(jié)構(gòu)，假定地層和襯砌結(jié)構(gòu)處于平面應(yīng)變狀態(tài)。2)地層和襯砌之間的相互作用，考慮地層彈簧約束的形式，采用梁-彈簧模型。3)地層和襯砌材料假設(shè)為各向同性彈性體。4)襯砌是連續(xù)勻質(zhì)的，為連續(xù)體模型。

3.1.1 計(jì)算荷載

作用在矩形頂管管節(jié)上的荷載主要分永久荷載(恒載)、可變荷載(活載)和偶然荷載三大類。進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析時，根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，對各類荷載進(jìn)行分項(xiàng)組合并最終確定荷載組合系數(shù)。永久荷載包括水土壓力、水浮力、結(jié)構(gòu)自重等；可變荷載包括地面超載、電纜及附件荷載、隧道內(nèi)人行荷載、施工荷載等，其中隧道內(nèi)人行荷載對結(jié)構(gòu)受力影響有限，可忽略；偶然荷載包括地震荷載以及人防荷載等。主要荷載作用在管節(jié)結(jié)構(gòu)上見圖1。

3.1.2 計(jì)算方法

考慮到計(jì)算的便利性和可操作性，計(jì)算時頂管管節(jié)按照底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。結(jié)構(gòu)在計(jì)算模型中被離散化為隧道全周沿結(jié)構(gòu)幾何中心線的梁單元，梁單元材料參數(shù)由混凝土類型決定。周邊巖土體與結(jié)構(gòu)間的相互作用簡化為地層彈簧，彈簧沿管節(jié)法向布置，其彈性模量根據(jù)地勘報(bào)告確定。頂管隧道周邊的荷載根據(jù)相應(yīng)的荷載計(jì)算理論或經(jīng)驗(yàn)公式給出。

3.1.3 計(jì)算過程

采用二維平面模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時，計(jì)算流程見圖2。

3.1.4 計(jì)算工況

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析時，應(yīng)充分考慮隧道在施工階段和使用階段過程中的各種工況，最終按照最不利工況進(jìn)行包容性設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目中主要考慮隧道在使用階段過程中的受力情況。常規(guī)電力隧道的覆土厚度約為10 m，計(jì)算時不考慮土拱效應(yīng)。使用階段管節(jié)承受的荷載主要有：自重、頂板上的覆土荷載和地面荷載、側(cè)向水土壓力、水浮力和地基反力等。計(jì)算時按照底板支撐在彈性地基上的平面框架進(jìn)行內(nèi)力分析，并據(jù)此確定矩形頂管截面尺寸及配筋。

3.1.5 計(jì)算結(jié)果

通過有限元計(jì)算得到頂管的彎矩如圖3(a)所示，其中最大正彎矩在拱底處，為155 kN·m左右，最大負(fù)彎矩在轉(zhuǎn)角處，為-261 kN·m左右，頂管剪力如圖3(b)所示，最大剪力為520 kN左右,頂管位移如圖3(c)所示，最大位移1.76 mm左右。

在荷載組合作用下，結(jié)構(gòu)的變形量應(yīng)符合表2的規(guī)定。最終最大變形1.76 mm<9.6 mm，符合規(guī)范規(guī)定。

表2 襯砌直徑、接縫變形限值

通過以上分析，結(jié)構(gòu)受力均在合理范圍內(nèi)。但不同覆土埋深對應(yīng)的管節(jié)結(jié)構(gòu)受力、厚度及配筋等均存在較大差異，需結(jié)合具體工程電力隧道埋深與地質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行針對性計(jì)算，為調(diào)整結(jié)構(gòu)配筋方案提供依據(jù)。

3.2 結(jié)構(gòu)厚度

頂管結(jié)構(gòu)厚度的確定是結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓線確定以后的重點(diǎn)研究內(nèi)容，目的是要判斷在初步設(shè)定的斷面厚度下結(jié)構(gòu)是否有足夠的強(qiáng)度。從施工角度出發(fā)，斷面厚度不宜太薄，太薄將難以保證頂管管節(jié)在運(yùn)輸、吊裝及頂進(jìn)過程中結(jié)構(gòu)的安全。斷面厚度也不宜太厚，設(shè)計(jì)過厚時，將造成頂管剛度、體積、荷載過大，不僅增大工程投資，也增加了施工難度，形成頂管設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的不良循環(huán)。下面通過有限元分別對厚度為250 mm，275 mm的結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，受力與變形包絡(luò)圖見圖4，圖5。

將不同厚度的最大彎矩、剪力與位移匯總?cè)绫?所示，通過對比分析，各厚度的頂管均能滿足結(jié)構(gòu)受力與變形要求。隨著頂管厚度的增加，其內(nèi)力變化不大，但變形逐漸減小。這種變化規(guī)律是由襯砌剛度增大所致，改變頂管厚度、意味著襯砌整體剛度的變化。通過目前的計(jì)算，頂管厚度取275 mm是滿足受力與變形要求的，但具體還應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。

表3 不同厚度結(jié)構(gòu)受力與變形對比表

4 結(jié)語

本文通過對電力隧道矩形頂管，斷面的形式、凈空尺寸、結(jié)構(gòu)受力及管節(jié)長度等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行了重點(diǎn)分析。依據(jù)北京電力隧道的埋深及水文地質(zhì)等條件，采用理論計(jì)算與數(shù)值模擬的手段分析了矩形頂管的受力與變形。主要結(jié)論如下：1)矩形頂管隧道的凈空尺寸為2.6 m×2.4 m(寬×高)。2)矩形頂管隧道的結(jié)構(gòu)厚度、頂?shù)装寮皞?cè)墻均為275 mm。3)矩形頂管的單管節(jié)長度為2 000 mm。

以上矩形頂管隧道斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，是以滿足隧道內(nèi)電纜敷設(shè)、運(yùn)維及結(jié)構(gòu)安全為前提，同時兼顧優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力及降低工程造價(jià)而得出的，可為北京電力矩形頂管隧道設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。