北京電力隧道矩形頂管通用斷面設計

李繼波，黃業勝，張小穎

(北京電力經濟技術研究院有限公司，北京 100020)

1 概述

近年來，頂管由于其機械化程度高，施工速度快，安全可靠等優點，開始在電力隧道工程中應用，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容量的前提下，使電力隧道斷面最小，以減小頂管頂進壓力，就顯得尤為重要。本文結合北京電力隧道其他工法常用斷面，考慮隧道內電纜敷設、運維檢修、附屬設施、結構安全、頂管機械、管節長度等因素，采用理論計算與數值模擬的手段分析了矩形頂管結構受力，進而確定了矩形頂管斷面的形式、凈空尺寸及結構厚度等，可為電力矩形頂管隧道斷面設計提供指導和參考。

2 矩形頂管斷面凈空設計

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計

矩形斷面的空間利用率高，與圓形斷面相比可節約30%左右的空間。但矩形頂管結構設計需滿足結構受力和防水要求，其難點在于確定最優的矩形頂管橫斷面尺寸和斷面形式。斷面最優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濟性[2]。

2.2.1 斷面設計基本原則

1)以滿足全部容納電纜的允許最小彎曲半徑、施工作業與維護空間要求，應符合電纜敷設、檢修及運行維護要求的原則。2)隧道的斷面形狀除應滿足電纜敷設的要求，還應根據受力分析、施工難度、經濟性等因素確定。3)滿足隧道附屬設施專業的空間要求，如防排水、通風、監控及消防等。4)采用技術標準合理，達到社會效益、環境效益與經濟效益的協調統一，遵循和體現以人為本、資源節約、環境友好原則。

2.2.2 隧道凈空形狀與尺寸的擬定

在設計中，應根據電纜敷設要求等條件，考慮通風、照明、監控等內部裝修設施所必需的富余量，同時結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定。

從經濟角度出發，內輪廓線又應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、經濟、合理。其次結構斷面厚度的確定是結構內輪廓線確定以后的重點研究內容，目的是要判斷在初步設定的斷面厚度下結構是否有足夠的強度。需根據斷面尺寸、土質條件、上覆土厚度、結構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)，頂底板、側墻厚度均為300 mm，進行分析研究[3-6]。

3 頂管結構受力研究

3.1 結構計算

對于頂管結構受力與變形研究，一般可通過試驗、數值模擬、理論計算等手段掌握矩形頂管在不同工況下的受力機制及其承載力極限狀態，明確各工況下矩形頂管結構性能的發展全過程。由此得到設計荷載條件下結構受力特征和變形特征，驗證矩形頂管的可靠性，為進一步優化矩形頂管設計提供理論依據。本文主要采用數值模擬與理論計算，根據實際情況做了如下簡化和基本假設：

1)矩形頂管隧道為長條形結構，假定地層和襯砌結構處于平面應變狀態。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為各向同性彈性體。4)襯砌是連續勻質的，為連續體模型。

3.1.1 計算荷載

作用在矩形頂管管節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。進行結構計算分析時，根據相關規范規定，對各類荷載進行分項組合并最終確定荷載組合系數。永久荷載包括水土壓力、水浮力、結構自重等；可變荷載包括地面超載、電纜及附件荷載、隧道內人行荷載、施工荷載等，其中隧道內人行荷載對結構受力影響有限，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結構上見圖1。

3.1.2 計算方法

考慮到計算的便利性和可操作性，計算時頂管管節按照底板支撐在彈性地基上的平面框架進行結構計算分析。結構在計算模型中被離散化為隧道全周沿結構幾何中心線的梁單元，梁單元材料參數由混凝土類型決定。周邊巖土體與結構間的相互作用簡化為地層彈簧，彈簧沿管節法向布置，其彈性模量根據地勘報告確定。頂管隧道周邊的荷載根據相應的荷載計算理論或經驗公式給出。

3.1.3 計算過程

采用二維平面模型進行結構計算時，計算流程見圖2。

3.1.4 計算工況

對結構進行計算分析時，應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行包容性設計。

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

3.1.5 計算結果

通過有限元計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，最大負彎矩在轉角處，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，結構的變形量應符合表2的規定。最終最大變形1.76 mm<9.6 mm，符合規范規定。

表2 襯砌直徑、接縫變形限值

通過以上分析，結構受力均在合理范圍內。但不同覆土埋深對應的管節結構受力、厚度及配筋等均存在較大差異，需結合具體工程電力隧道埋深與地質特點進行針對性計算，為調整結構配筋方案提供依據。

3.2 結構厚度

頂管結構厚度的確定是結構內輪廓線確定以后的重點研究內容，目的是要判斷在初步設定的斷面厚度下結構是否有足夠的強度。從施工角度出發，斷面厚度不宜太薄，太薄將難以保證頂管管節在運輸、吊裝及頂進過程中結構的安全。斷面厚度也不宜太厚，設計過厚時，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，形成頂管設計經濟、技術的不良循環。下面通過有限元分別對厚度為250 mm，275 mm的結構厚度進行結構計算，受力與變形包絡圖見圖4，圖5。

將不同厚度的最大彎矩、剪力與位移匯總如表3所示，通過對比分析，各厚度的頂管均能滿足結構受力與變形要求。隨著頂管厚度的增加，其內力變化不大，但變形逐漸減小。這種變化規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。通過目前的計算，頂管厚度取275 mm是滿足受力與變形要求的，但具體還應根據實際情況進行配筋設計。

表3 不同厚度結構受力與變形對比表

4 結語

本文通過對電力隧道矩形頂管，斷面的形式、凈空尺寸、結構受力及管節長度等關鍵內容進行了重點分析。依據北京電力隧道的埋深及水文地質等條件，采用理論計算與數值模擬的手段分析了矩形頂管的受力與變形。主要結論如下：1)矩形頂管隧道的凈空尺寸為2.6 m×2.4 m(寬×高)。2)矩形頂管隧道的結構厚度、頂底板及側墻均為275 mm。3)矩形頂管的單管節長度為2 000 mm。

以上矩形頂管隧道斷面結構設計參數，是以滿足隧道內電纜敷設、運維及結構安全為前提，同時兼顧優化結構受力及降低工程造價而得出的，可為北京電力矩形頂管隧道設計提供指導。