大管徑大推力熱力山嶺隧道關鍵技術研究

路美麗

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京 102600)

0 引言

隨著我國城市冬季供暖需求的不斷增加，在節約能源、保護環境、社區管理、提高城市生活質量及降低生活費用等方面有著顯著優越性的城市集中供熱得到了長足的發展。城市集中供熱管線一般分為地下敷設和地上敷設2種方式。近年來，伴隨著首都城市建設步伐的加快，熱力外線工程規模不斷擴大，受城市環境條件制約和環保意識的增強，60%以上熱力管網以地下暗挖方式敷設為主[1]。熱力管網的日常維護和檢修等要求[2]使得城市熱力管網的埋深一般都不大，而淺埋暗挖法[3-4]對道路交通、城市居民出行和城市環境影響最小，在熱力管網的實際工程中得到了大量的應用[5-7]。董淑棉[1]在北土城路熱力外線工程實例研究中，通過數值模擬和工程實例驗證了熱力管徑為DN1 000 mm、單管固定支架推力不超過2 200 kN的管道支架在內凈空為4.4 m×2.8 m的淺埋暗挖隧道內設置的可行性和安全性； 王寬等[8]研究了復雜環境下熱力管徑為DN1 400 mm的熱力管道在內凈空為6.6 m×5.67 m的淺埋暗挖隧道內施工方案的選擇； 白旭峰等[9]采用有限元方法對隧道內敷設DN1 400 mm熱力管道承受最大水平推力為7 500 kN的固定支架設計方案進行了可行性分析； 陳霞等[10]結合工程實例，對某穿山隧道內敷設管徑為DN1 420 mm的熱力管道采用應力分析計算得到了支架類型的優化措施； 張玉成[11]采用有限元分析技術對淺埋暗挖熱力隧道結構內力進行了分析研究； 陳新棟[12]、肖瑋[13]采用理論分析和數值模擬得到了熱力隧道內固定支架的作用機制、固定支架處隧道結構與土體在大推力情況下的共同作用及隧道結構的抗滑移效果等。已有的熱力隧道工程實例主要從管道支架的結構設計方案、暗挖大斷面隧道施工技術、供水管道支架類型優化、管道支架作用機制及管道支架與隧道結構相互作用等方面進行了研究，其熱力管道工程一般埋深較小，管道公稱直徑以不大于1 000 mm為主，管道固定支架推力一般不超過2 200 kN，隧道斷面均較小，暗挖隧道距離較短。而對于埋深大、暗挖距離長、大管徑、大推力、大斷面等多因素綜合的熱力隧道設計方案研究較少。本文以北京市重點工程之一——西北熱電中心配套熱網電廠至長安街西延熱力管線工程中的穿山隧道為例，分析研究埋深加大和暗挖距離加長情況下熱力管道工程的綜合維護系統方案、大管徑和大推力情況下管道支架及大斷面隧道的支護設計方案。

1 工程概況

西北熱電中心配套熱網電廠至長安街西延熱力管線工程，是北京市重點工程之一。該工程由熱電廠南側沿規劃四路向西敷設至規劃一路，向南至高井路，由北向南穿過四平山至阜石路，經首鋼規劃新區至長安街西延，管線全長約7 320 m。為減少施工對廣寧村居民的影響，減少拆遷量，減小投資，四平山至阜石路段管網采取了山嶺隧道的敷設方式。

本山嶺隧道長1 650 m，位于北京市西部淺山區的丘陵地帶，自北向南下穿了四平山和黑頭山后至阜石路輔路終止。根據工藝要求，隧道洞內敷設2根DN1 400 mm的熱力管道，設13處固定支架和42處導向支架及若干滑動支架，其中3處單根管道固定支架的軸向推力達3 000 kN以上，最大1處軸向推力達到4 400 kN。隧道設計斷面內輪廓分標準斷面和安裝補償器(小室)斷面，襯砌斷面根據圍巖級別和工藝要求設計有11種襯砌類型。最大開挖寬度為11.44 m，最大開挖高度為8.89 m，隧道開挖面積為67.14～78.08 m2。

2 綜合系統方案

暗挖山嶺隧道場區地形起伏較大，整體地形呈M形，隧道最大埋深約為110 m，除中間位置地形高差為20～30 m外，其他地形高差為50～110 m。熱力隧道縱斷面如圖1所示。暗挖隧道距離長、高差大，不具備常規熱力隧道要求的檢查井、事故人孔及安裝孔等的設置條件，從而無法滿足常規熱力管溝自然通風的條件，也無法滿足日常維護和檢修的要求。為解決工作人員進入隧道內工作時空氣溫度不超過40 ℃的要求及熱力管道日常檢修維護和大直徑管道的更換運輸等，提出集送排風、消防給排水、照明、視頻監控、軌道車輛和BAS系統于一體的綜合設計系統，并將該系統統一于隧道兩端和中部的3處管理用房內，滿足了隧道通風、變配電、監控設備的布置及管理人員的值班等。主要設計要點如下。

圖1 熱力隧道縱斷面

1)充分利用地形特點，采用隧道埋深最小的中間山坳處設出風口，隧道兩端設進風口，形成自然通風；同時根據通風專業要求并結合管理用房平面布置(見圖2)，在隧道進出口和中部的管理用房內設置3處通風豎井，通過在隧道內布置射流風機形成強制通風，從而實現自然通風與機械通風的結合，保障了管道運行期間維護人員的安全。

圖2 熱力隧道平面

2)結合地形情況和功能要求，提出了增設軌道系統并對隧道一端基坑結構進行了預留洞門的設計，便于軌道車的進入，打破了熱力隧道采用設置檢查井進行吊裝的常規設計。熱力隧道軌道運輸系統如圖3所示。保障了日常維護工作人員在隧道內的快速檢修和后期管道快速更換的需求。

(a) 隧道內軌道系統

3)為解決熱力管道的安全運營，提出了包含隧道內通風設備監控、給排水設備監控及溫濕度監測的隧道BAS監控系統。主要對通風空調系統中排風機、送風機、空調處理機組的監控及給排水系統中各種潛污泵、排污泵的監控，確保了隧道的安全運營和日常維護。

3 隧道結構內輪廓

根據隧道內安裝DN1 400 mm供水管和回水管各1根的工藝要求，隧道內輪廓的擬定應考慮管道安裝、檢修車通行軌道及通風設備等因素，結合隧道穿越地層主要為人工堆積土、粉質黏土、砂巖、煤系地層和玄武巖的工程地質情況，提出在熱力隧道內采用曲墻帶仰拱的斷面型式。按照標準斷面和安裝補償器(小室)斷面2種內輪廓設計，內輪廓尺寸分別為820 cm×635 cm和940 cm×635 cm。標準斷面內輪廓如圖4所示。小室斷面內輪廓如圖5所示。

圖4 標準斷面內輪廓(單位： cm)

圖5 小室斷面內輪廓(單位： cm)

4 管道支架方案

與常規山嶺隧道相比，熱力隧道設計的最大難點為隧道內每隔一定距離需設置1處固定支架或導向支架。本隧道設固定支架13處(每處供、回水管各1根)，其中，位于隧道兩端和中部的3處固定支架的軸向推力均超過3 000 kN。最大1處軸向推力F軸=4 401 kN，側向推力F側=300 kN，其余支架最大軸向推力均小于500 kN。隧道內設導向支架42處(每處供、回水管各1根)，供水管軸向推力F供軸=59 kN，側向推力F供側=196.6 kN； 回水管軸向推力F回軸=54.7 kN，側向推力F回側=182.2 kN。目前，已建成的熱力工程中大推力支架較少，一般埋深較小且開挖面較多，因此施工中一般采用支架現場安裝完成后再采用簡易臺車進行二次襯砌澆筑的方式。但在長距離、埋深大、開挖斷面較大的山嶺隧道中，支架現場安裝后將大大影響模板臺車、防水板安裝臺車等機械化設備的使用，從而大大影響施工質量和施工進度，而待隧道全部開挖完成初期支護后再進行支架安裝和二次襯砌澆筑也將大大影響施工安全。為解決在保證施工安全和施工質量的前提下加快施工進度的問題，首次在熱力隧道中提出3處大推力固定支架采用現場整體安裝后再澆筑混凝土，其他支架采用在二次襯砌混凝土中預埋頂底部鋼板、待隧道貫通后再安裝支架立柱和橫梁的方式。

4.1 支架結構設計原理

依據管道支架設計的基本原則和規范要求[14]，在設計管道支架時，應對支架自身的抗彎強度和抗剪強度、支架撓度及支架嵌固處隧道混凝土的局部受壓強度和整體穩定性進行驗算，驗算時一般將支架簡化為如圖6所示的簡支結構。考慮到質量小、易于維修、便于施工等方面，設計中考慮了隧道支架盡量采取較少的斷面形式。

F為支架立柱所承受熱力管道的推力，可分為Fx、Fy，N； a、b為推力作用點距簡支支座的距離，m； l為支架立柱的長度，m。

4.1.1 支架強度驗算

1)支架抗彎強度應滿足式(1)的要求。

(1)

式中：δ為彎矩產生的截面應力，N/mm2；Mx、My為支架沿x、y方向所受的彎矩，kN·m；Wx、Wy為根據支架立柱橫截面形狀計算的沿x、y方向的截面抵抗矩，mm3； [δ]為立柱截面采用鋼材材料的設計抗彎應力值，N/mm2。

2)支架抗剪強度應滿足式(2)的要求。

(2)

4.1.2 支架撓度驗算

支架撓度ωmax應滿足式(3)[15]的要求。

ωmax≤[ω]；

(3)

(4)

式(3)—(4)中：ωmax為支架立柱受到推力后的最大撓度值，mm；E為支架立柱材料的彈性模量，N/mm2；I為支架立柱橫截面的截面慣性矩，mm4；l1為推力F作用點至簡支支座的較大距離，即a、b中的大值；l2為推力F作用點至簡支支座的較小距離，即a、b中的小值； [ω]為支架立柱的允許撓度，mm。

4.1.3 混凝土局部受壓驗算

支架立柱端部嵌入隧道二次襯砌中，支架立柱受力后會對嵌入部分的混凝土產生擠壓，支架立柱端部的剪力應按式(5)進行驗算，防止襯砌混凝土結構產生破壞。

V0≤[V] ；

(5)

V0=V+VM；

(6)

(7)

[V]=1.35βcβlfcA。

(8)

式(5)—(8)中：V0為支架立柱端部所受的剪力和，N；V為支架立柱最危險截面的剪力，N；VM為假定支架立柱端部為固定端，由該處彎矩產生的剪力，N；h0為支架立柱插入混凝土的長度，m； [V]為混凝土局部受壓面上的抗壓設計值，N；βc為混凝土強度影響系數，當混凝土強度等級不超過C50時，取1.0，當混凝土強度等級為C80時，取0.8，其間按線性內插法確定；βl為混凝土局部受壓時的強度提高系數；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2；A為受壓混凝土的面積，mm2。

4.1.4 支架處整體滑移穩定性驗算

由于支架處將熱力管道產生的推力通過支架傳遞給隧道二次襯砌，在設置支架處，普通隧道襯砌結構的厚度較小，無法滿足支架立柱端部的插入要求與受力驗算，因此設計對支架前后一定段落范圍內的二次襯砌結構進行加厚，并按照《城鎮供熱管網結構設計規范》[14]對支架段落的整體滑移穩定性進行驗算。

4.2 大推力固定支架

大推力固定支架處結構橫斷面和縱斷面如圖7所示。大推力固定支架立柱和橫梁截面如圖8所示。固定支架柱和橫梁在設計中均視為雙向受彎構件，采用焊接組合矩形截面。支架上端④和下端⑤采用和頂拱(仰拱)同樣弧度的槽鋼[16a；中間立柱①和②及橫梁③均采用30 mm厚Q345鋼焊接二次襯砌，尺寸分別為750 mm×450 mm和750 mm×250 mm； 立柱兩端的端部采用封板?、?、?、?滿焊，封板厚度為14 mm，封板平面尺寸為立柱邊緣外延20 mm。考慮到山嶺隧道的特殊環境，根據《城鎮供熱管網結構設計規范》[14]對支架所有外露鐵件均進行防腐處理，支架立柱根部采用混凝土包裹，包裹的混凝土高出底板30 cm，保護層厚度為5 cm； 固定支架12 m范圍內在保證二次襯砌凈空不變的情況下，加大隧道結構初期支護的內凈空，即增加二次襯砌厚度以保證支架推力能夠直接、可靠地傳遞給隧道初期支護且不破壞防水板。

(a) 橫斷面

(a) ①和②截面

4.3 一般推力支架

除以上3處較大推力固定支架外，其余固定支架和導向支架均采用頂部預埋鋼板和錨筋(預埋鋼板與錨筋采用穿孔塞焊)，然后再澆筑二次襯砌混凝土，仰拱填充過程中按照設計里程、厚度、寬度預留支架底板抗滑移條后澆帶，待支架施作完成后再進行后澆帶的澆筑。設計中根據具體的截面尺寸和推力大小，經計算分別考慮合理的支架形式和尺寸，標準段固定支架處(F軸=406 kN、F側=250 kN)、小室段固定支架處(F軸=115 kN、F側=55 kN)及標準段導向支架(F供軸=59 kN、F供側=196.6 kN，F回軸=54.7 kN、F回側=182.2 kN)處對應的橫縱斷面示意如圖9—11所示。3種斷面的區別主要在于橫梁的根數、供回水管支架在縱向上的錯開距離及二次襯砌加厚長度及立柱是否設置斜撐等方面，這些參數均與支架的功能和承擔的推力有關。

5 隧道結構支護參數

5.1 支護參數確定原則

熱力隧道內設置支架的段落，為確保支架推力能夠直接、可靠地傳遞給隧道初期支護且不破壞防水板，一般采用在支架處一定長度隧道范圍內加大隧道初期支護結構的內凈空同時保證二次襯砌結構內凈空不變，從而相應增加二次襯砌結構厚度的辦法解決。這樣處理一方面可以保證柔性防水板不受破壞，另一方面內襯結構外凸部分嵌固于初期支護結構內，保證支架推力能夠通過初期支護、二次襯砌之間的垂直接觸面直接、可靠地傳遞至初期支護結構。管道支架的結構形式、管道與隧道的連接及支架在隧道內的錨固生根等都直接影響隧道結構參數的確定。

(a) 橫斷面

(a) 橫斷面

(a) 橫斷面

5.2 支護參數擬定

在根據工藝要求確定的隧道斷面內輪廓基礎上，結合管道支架形式和尺寸及隧道地層情況等條件，提出了針對標準斷面段、小室設固定支架段、標準斷面設固定支架和導向支架段共計11種襯砌類型，滿足了不同條件下的結構設計，突破了常規熱力隧道的單一斷面形式，使隧道結構設計更具有針對性。以V級圍巖淺埋段不設固定支架和設大推力固定支架的設計參數為例，介紹熱力隧道區別常規隧道的結構設計。 V級圍巖淺埋襯砌結構設計如圖12所示。

(a) 標準段

根據《鐵路隧道設計規范》[16]淺埋隧道結構計算原則，并按工程類比法確定熱力隧道不設固定支架的V級圍巖淺埋段標準段結構如圖12(a)所示。初期支護采用27 cm厚全斷面網噴混凝土，拱墻設長3 m、間距為1.2 m×1.0 m(環×縱)的錨桿，全環設I20a@0.6 m的型鋼鋼架；二次襯砌采用全環45 cm厚的鋼筋混凝土結構。

相對于標準段，設置固定支架處的隧道結構增加了管道產生的推力，根據《城鎮供熱管網結構設計規范》[14]對設置支架段落的整體滑移穩定性驗算并考慮支架結構的尺寸，采用對支架前后一定段落范圍內的二次襯砌結構進行加厚的方式來解決管道推力合理傳遞的問題。經計算，支架段結構設計如圖12(b)所示。固定支架段初期支護錨桿間距加密為1.0 m×1.0 m(環×縱)，二次襯砌全環加厚55 cm(加厚后為100 cm)，加厚段在縱向的長度為12 m。其他支架段二次襯砌根據支架推力大小，經計算采用不同的襯砌加厚厚度和加厚段長度。

6 結論與建議

熱力山嶺隧道是西北熱電中心配套熱網電廠至長安街西延熱力管線的控制性工程，也是構建首都安全低碳高效城市供熱體系、壓減燃煤促進空氣質量改善的市重點工程，隧道主體經過10個多月的施工已于2014年11月15日正式投入使用，經過實踐檢驗取得了良好的效果。通過本文對長距離暗挖熱力隧道設計中的關鍵技術研究，主要有如下結論與建議。

1)在埋深大、高差大、長距離暗挖的熱力隧道設計中，可充分利用地形特點，將山嶺隧道縱斷面布置成中間高兩端低的形式，有條件時可利用隧道埋深最小處的隧道中間山坳處設出風口，隧道兩端為進風口，形成自然通風；同時可考慮在隧道進出口和中部合適位置設置通風豎井和隧道內布置射流風機來形成強制通風，從而實現自然通風與機械通風的結合，以保障管道運行期間維護人員的安全。

2)為保障熱力管道日常檢修維護和大直徑管道的更換運輸及安全運營，可結合功能要求借鑒鐵路隧道設計經驗，在隧道內設置軌道運輸系統，方便維護人員的快速進入和檢修以及為管道更換搬運提供便捷。同時設計中可考慮包含隧道內通風設備監控、給排水設備監控及溫濕度監測的隧道BAS監控系統，以適時了解管道運行情況并及時報警檢修。

3)針對支架類型多、安裝復雜且隧道地質條件較差等問題，為在保證安全的條件下提高施工進度和保證施工質量，可針對管道承受的推力大小和支架類型進行分類設計，建議對軸向推力大于3 000 kN的固定支架采用現場安裝后再澆筑二次襯砌混凝土，一般推力支架可采用頂拱預埋鋼板和錨筋(預埋鋼板與錨筋采用穿孔塞焊)后再澆筑二次襯砌混凝土等方式解決。