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，徐明鳴

(中國能建集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引言

近年來，隨著我國城市化建設的加快，城市規劃對城區電力線路建設標準逐漸提高。傳統架空線路由于走廊占地多、對城市景觀影響大，目前在城區已經被限制使用。電力隧道由于具有供電安全可靠性高、對環境破壞小、節約城市土地資源、運行檢修方便等優點，在城市電網建設中越來越廣泛的應用[1]。頂管是一種常見的非開挖技術，可以減少對交通、周邊管線的干擾，具有施工周期短、安全性好等優點[2]。頂管管節一般采用工廠預制，在現場配合頂管機頂進施工(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、河流上應用較多(見圖2)。

堆載常見于基礎或者地下工程開挖，在基礎周邊堆放開挖土方，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-土體力學平衡狀態，引起隧道應力重分布，導致襯砌結構的受力和變形發生改變；在地面突發大面積堆土的情況下，隧道可能發生襯砌開裂、滲漏水等問題，影響隧道運行安全。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。結合地質縱剖圖，頂管隧道位于③粉細砂土層中，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

本工程頂管采用內徑3.5 m、外徑4.14 m混凝土“F”型鋼承插口預制水泥混凝土管，管片壁厚320 mm，幅寬2 500 mm。預制管節混凝土等級C50，抗滲等級P10(見圖4)。

1.3 隧道開裂問題

電纜隧道貫通并帶電運行約一年后，運檢人員巡檢發現隧道約13節管節(長度約32.5 m)出現局部開裂、滲水情況。經核實，開裂隧道上方正在進行大面積堆土，最大堆土高度15.5 m，如圖5中編織袋覆蓋范圍。頂管隧道開裂表現為以下特征：

1)只在堆土范圍內出現頂管管節開裂；2)裂縫主要出現在頂管底部、頂部(見圖6)，沿隧道路徑方向發展，局部開始滲水；3)經第三方檢測機構測量結果，最大裂縫出現在管底內側，寬度為0.9 mm。

2 計算模型

2.1 計算基本原則

1)頂管隧道設計使用壽命100 a， 安全等級為一級，構件的重要性系數取1.1。

2)頂管管節構件的最大裂縫寬度按荷載準永久組合并考慮長期作用影響的效應計算，最大計算裂縫寬度限值為0.2 mm。

3)荷載組合系數見表2。

表2 荷載組合系數表

2.2 荷載計算

根據規范計算模型[5-6]，主要考慮以下荷載：隧道結構自重、垂直均布荷載、側向主動土壓力、隧道內電纜設備重、地面超載。

其中對于地面堆載，根據CECS 143∶2002給水排水工程地埋預制混凝土圓形管管道結構設計規程第4.1.1條規定，地面堆積荷載屬于可變作用。所以本工程中出現的大面積堆土屬于地面超載。

2.3 計算荷載與模型簡圖

考慮120°支撐角，采用內力系數法，荷載作用與計算簡圖如圖7所示。圓形頂管內力系數表見表3。

表3 圓形頂管內力系數表

3 頂管隧道影響受力分析

考慮以下計算工況：

1)原土層情況下，頂管隧道頂部埋深12.6 m，頂管位于粉細砂土層，頂管上部為黃土狀粉土，計算頂管結構受力與變形。

2)在原土層情況下，將頂管隧道上部出現的大面積堆土作為外荷載作用在隧道結構上，計算頂管結構受力與變形。

3.1 頂管管節內力計算

根據上述計算模型，分別計算管自重、管內電纜設備重、土體垂直均布荷載、側向水、土壓力，采用內力系數法，計算管節內力如圖8所示。

輸入項輸入值荷載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管內電纜設備重覆土厚/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側向主動土壓力側向水壓力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側向水壓力活載/kPa0.000.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超載標準值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46設計值/(kN·m-1)Ma121.60Mb79.17Mc-86.39Na611.17Nb353.81Nc506.87準永久值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46

在上述模型的結果上，考慮將地面以上15.5 m高度的堆土當作地面超載作用在頂管隧道上，頂管管節內力如圖9所示。

輸入項輸入值荷載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管內電纜設備重覆土厚/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側向主動土壓力側向水壓力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000側向水壓力活載/kPa1 155.060.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超載標準值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99設計值/(kN·m-1)Ma600.50Mb502.48Mc-515.88Na942.32Nb313.03Nc1 315.41準永久值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99

3.2 頂管管節承載力及變形驗算

根據頂管受力特征，頂管管頂(B)、管底(A)內側受拉，控制管節內側配筋及裂縫寬度，頂管管側(C，D)外側受拉，控制管節外側配筋及裂縫寬度。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位置控制。

對于承載能力，按照基本組合下的純彎構件考慮；對裂縫寬度，考慮到圓形結構軸力較大，對裂縫寬度計算有利，將軸力折減0.6按準永久組合下壓彎構件考慮，結果如表4，表5所示。

表4 原土層情況下管節受力及裂縫寬度

表5 考慮地面堆土荷載情況下管節受力及裂縫寬度

由上述結果可知，原土層情況下頂管隧道管節受力及裂縫寬度均滿足要求，考慮地面堆土荷載情況下，管節受力及裂縫寬度嚴重超出設計工況。

4 結論與建議

1)本文結合實際工程條件，對地表大面積堆載情況下的頂管隧道受力展開分析，結果顯示堆載情況下隧道管底內側最大裂縫為1.214 mm，與實測0.9 mm較為接近，說明該計算模型較為合理，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行加固，提高土體承載能力。

b.采用界面劑對管片內部已開裂裂縫進行表層處理，防止裂縫滲漏水。

c.采用圓形鋼襯環對管片內部進行加固，鋼襯環由三片組合而成，鋼襯環外表面與頂管內壁貼合，組裝過程中可施加環向預應力。

d.加強對頂管隧道內部變形、受力的監測。

3)地表大面積堆載對已建電纜隧道屬于外荷載，具有出現時間短、荷載數值大的特點，常規設計難以考慮。大面積堆載一旦出現，很可能導致隧道開裂、變形、滲漏水等問題，嚴重影響電纜隧道運行安全。所以運行電纜隧道應加強巡視、建立安全警示牌，嚴防大面積堆土問題的出現。