道路沿線管線施工對既有電力隧道的影響

金春峰，張海軍，段艷芳，田 崗，郭起林，侯代敏，宋春雷

（1.中國電子工程設計院有限公司，北京 100142； 2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142）

1 工程概況

1.1 工程簡介

某城市擬建供水管線接駁工程位于兩條主干路交叉路口處，恰正交上穿位于該路段沿線的既有電力隧道，其中，擬建供水管線東西走向，既有電力隧道南北走向（見圖1）。擬建供水管線采用球墨鑄鐵管，壁厚7.2 mm，外徑0.3 m，埋深1.05 m，供水管線底部與既有電力隧道頂部在交叉點處的豎向凈距約0.95 m。既有電力隧道為現澆混凝土襯砌結構，初支和二襯厚度均為0.25 m，埋深2.3 m，橫斷面形狀為矩形，橫斷面尺寸（寬×高）為2.0 m×2.1 m（見圖2）。路面結構層厚0.5 m，其中，面層為瀝青混凝土結構層，厚0.2 m，基層為石灰粉煤灰穩定土層，厚0.3 m。

圖1 平面位置關系

圖2 剖面位置關系

1.2 地層地質

經過對現場鉆探、原位測試、室內試驗以及波速試驗成果的綜合分析，該擬建場區地層可劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀沉積層三大類，具體如下：

人工堆積層：①黏質粉土～砂質粉土素填土層，黃褐色，中密～密實，稍濕，含氧化鐵、植物根須、白灰渣、磚屑、碎石等，該層厚度為1.52 m～3.30 m。

新近沉積土層：②砂質粉土～黏質粉土層，黃褐色，密實，稍濕～濕，含云母、氧化鐵等，該層厚度為1.70 m～4.20 m，層底標高介于14.78 m～21.05 m之間；②1粉質黏土層，黃褐色，可塑～硬塑，濕～很濕，含云母、氧化鐵等，該層厚度為1.40 m～3.70 m。

第四紀沉積土層：③粉砂層，褐黃色～黃灰色，很濕，中密～密實，含云母、石英、長石、氧化鐵等；該層厚為1.30 m～6.50 m；③1粉質黏土層，黃灰色，很濕，可塑～硬塑，含云母、氧化鐵等，該層厚為2.40 m～5.40 m；③2黏質粉土～砂質粉土層，黃灰色，稍濕，密實；含云母、氧化鐵等，該層厚為1.20 m～6.10 m。

2 供水管線溝槽施工方案

2.1 溝槽開挖

本工程供水管線主要采用明挖開槽方式施工，供水管線溝槽底寬1.2 m，頂寬2.0 m，平均挖深約1.6 m，如遇回填土或局部土質松軟時可適當加大坡度。此外，瀝青路面部分采用機械方式破除，路面以下土體部分采用人工方式挖除，以盡量降低施工擾動對周邊土體和既有電力隧道的影響。

2.2 溝槽回填

人工安管完畢后，應及時對道路進行土體回填和路面結構層恢復。回填時應按照回填要求，進行分層回填和碾壓夯實（見表1）。

表1 回填土要求

3 既有電力隧道現狀檢測

為了了解擬建供水管與既有電力隧道的交叉點處電力隧道的結構現狀，以便于評估供水管道施工對既有電力隧道的影響。現對交叉點南北兩側各30 m范圍內的電力隧道進行現狀檢測，檢測方向由南向北，即南端為檢測起點，北端為檢測終點，共60 m，主檢項目包括：外觀質量、混凝土強度、鋼筋配置、保護層厚度以及隧道背后土層情況。

3.1 隧道結構外觀檢查

通過對電力隧道外觀質量及損傷情況進行詳細檢查［1］，檢查結果表明：既有電力隧道結構外觀整體質量相對較好，僅局部存在一些損傷，如鋼筋銹蝕、微小裂縫和局部混凝土脫落等，詳見表2和圖3～圖6。

表2 電力隧道外觀質量和損傷情況

圖3 鋼筋銹蝕

圖4 混凝土脫落

圖5 縱向裂縫

圖6 環向裂縫

3.2 混凝土強度檢測

利用混凝土回彈儀對電力隧道襯砌結構混凝土強度進行抽樣檢測［2-3］，每隔10 m抽取1個測點，共6個測點。由于電力隧道混凝土齡期為4 380 d，需對回彈值推定值進行齡期修正，修正系數取0.96。因此，最終獲得電力隧道結構混凝土強度修正值在31.1 MPa～34.8 MPa之間，達到C30強度等級要求（見表3）。

表3 電力隧道混凝土強度檢測結果

3.3 鋼筋配置和保護層厚度檢測

采用磁感儀對電力隧道二襯結構鋼筋配置和鋼筋保護層厚度進行抽樣檢測［4］，測得電力隧道二襯結構縱向鋼筋間距為195 mm～205 mm，環向鋼筋間距為145 mm～158 mm，鋼筋保護層厚度為22 mm～29 mm（見表4）。同時，剔鑿結果表明受力鋼筋直徑為14 mm。

表4 鋼筋配置情況

3.4 隧道背后土體探查分析

采用地質雷達對電力隧道周圍土體狀況進行探測［5-6］，獲取電力隧道頂底板背后地質雷達圖像，如圖7，圖8所示。探測結果表明：電力隧道頂板上部及底板下部土體分層較為穩定，土層分界清晰，土層各層之間沒有明顯的位置變化和厚度變化，無空洞，土層連續，土體較為完好［7］。

圖7 隧道頂部土層雷達圖像

圖8 隧道底部土層雷達圖像

4 有限元建模

4.1 模型建立

結合擬建供水管線施工方案、電力隧道結構特征以及區域地層狀況，運用邁達斯有限元軟件［8］，建立三維有限元分析模型（見圖9），模型長×寬×高為40 m×40 m×12 m，自上而下分別為路面結構層、填土層、新近沉積層和第四紀沉積層，均為三維實體單元，路面結構層厚為0.5 m，填土層為1.5 m，新近沉積層厚為4 m，第四紀沉積層厚為6 m。此外，模型中擬建供水管道埋深1.05 m，直徑0.3 m，壁厚7.2 mm，為二維板單元；既有電力隧道埋深2.3 m，初支厚0.25 m，為三維實體單元，二襯厚0.25 m，為二維板單元。

圖9 三維分析模型

4.2 參數設置

根據隧址區域現場地質狀況、電力隧道及道路設計資料，對模型材料參數進行設置。其中，路面、初支結構、二襯結構和球墨鑄鐵管取用彈性本構，人工填土層、新近沉積土層和第四紀沉積土層取用摩爾-庫侖本構。具體參數設置詳見表5。

表5 模型材料參數

4.3 邊界條件及荷載設置

1）邊界條件。

本模型對其底面采用X，Y，Z三方向鉸接約束，對其側面采用法向鉸接約束。

2）荷載設置。

本模型主要荷載包括自重荷載、車輛荷載以及施工擾動荷載等三種形式，為了保證電力隧道結構的運營安全，對荷載進行最不利組合，具體如下：

a.工況一：1.2×自重+1.8×車輛荷載，主要用于分析車輛通過時對電力隧道的影響［9］。

b.工況二：1.5×自重，主要用于分析供水管施工過程中振動效應對電力隧道的影響。

c.工況三：僅考慮自重，主要用于分析供水管道溝槽開挖對電力隧道變形的影響。

5 結果分析

5.1 承載力分析

1）彎矩模擬結果（見圖10～圖13）。

由圖10～圖13可以看出，在工況一條件下，XX方向（跨度方向）上電力隧道結構最大正彎矩和最小負彎矩分別為8.76 kN·m和-13.11 kN·m，YY方向（長度方向）上電力隧道結構最大正彎矩和最小負彎矩分別為2.22 k N·m和-2.67 kN·m；在工況二條件下，XX方向上電力隧道結構最大正彎矩和最小負彎矩分別為10.65 kN·m和-16.01 kN·m，YY方向上電力隧道結構最大正彎矩和最小負彎矩分別為2.53 kN·m和-3.24 kN·m（詳見表6）。因此，工況二比工況一對電力隧道結構安全的影響更大，工況二下的荷載組合為最不利組合。

表6 電力隧道結構彎矩有限元計算結果

圖10 工況一XX方向電力隧道彎矩云圖

圖11 工況一YY方向電力隧道彎矩云圖

圖12 工況二XX方向電力隧道彎矩云圖

圖13 工況二YY方向電力隧道彎矩云圖

2）承載力驗算。

根據GB 50010—2010混凝土結構設計規范中有關承載力驗算規定，同時考慮到電力隧道結構跨度方向上彎矩遠大于長度方向上彎矩，本文僅對電力隧道跨度方向上配筋進行驗算，求得最小配筋為210 mm2/m，而實際配筋為1 026 mm2/m，即電力隧道結構滿足承載力要求。

5.2 變形分析

供水管線溝槽開挖后及回填后電力隧道豎向變形見圖14，圖15。

圖14 溝槽開挖后電力隧道豎向變形

圖15 溝槽回填后電力隧道豎向變形

由圖14，圖15可以看出，在自重荷載作用下，供水管線溝槽開挖后電力隧道豎向變形量為0.286 mm，供水管線溝槽回填后電力隧道豎向變形量為0.014 mm，由此可見供水管線敷設施工對電力隧道變形影響不大。同時，根據《城市地下綜合管廊運行維護及安全技術標準》中規定結構豎向變形控制值為20 mm。因此，擬建供水管線施工對電力隧道豎向變形擾動滿足規范要求。

6 結論及建議

文章通過分析供水管道施工方案和既有電力隧道現狀情況，建立了三維有限元分析模型，并考慮三種工況條件進行數值模擬計算，結果表明供水管線施工對既有電力隧道結構安全影響整體上不大，電力隧道結構承載力和豎向變形均滿足相關規范要求。此外，考慮到既有電力隧道的現狀損傷情況和供水管道開槽施工對道路的破壞作用，為了保證電力隧道后續的使用安全，現給出以下建議：

1）應及時對既有電力隧道結構局部損傷部位進行修復處理，以避免結構損傷的擴大化，影響電力隧道的后續使用性能。

2）道路開槽施工后，應及時敷設供水管道，做好道路復原工作，尤其是做好道路結構層的接縫處的銜接，以避免雨水沿接縫處下滲，降低道路及其下方土體強度和穩定性，影響電力隧道長期結構性能。

3）電力隧道周邊應避免堆放大量土體、施工機械及相關材料設備等重物，以降低外部附加荷載對既有電力隧道結構安全的影響。