道路沿线管线施工对既有电力隧道的影响
时间：2023-06-12 08:50:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
金春峰，张海军，段艳芳，田 岗，郭起林，侯代敏，宋春雷
（1.中国电子工程设计院有限公司，北京 100142；
2.中电投工程研究检测评定中心有限公司，北京 100142）
1.1 工程简介
某城市拟建供水管线接驳工程位于两条主干路交叉路口处，恰正交上穿位于该路段沿线的既有电力隧道，其中，拟建供水管线东西走向，既有电力隧道南北走向（见图1）。拟建供水管线采用球墨铸铁管，壁厚7.2 mm，外径0.3 m，埋深1.05 m，供水管线底部与既有电力隧道顶部在交叉点处的竖向净距约0.95 m。既有电力隧道为现浇混凝土衬砌结构，初支和二衬厚度均为0.25 m，埋深2.3 m，横断面形状为矩形，横断面尺寸（宽×高）为2.0 m×2.1 m（见图2）。路面结构层厚0.5 m，其中，面层为沥青混凝土结构层，厚0.2 m，基层为石灰粉煤灰稳定土层，厚0.3 m。
图1 平面位置关系
图2 剖面位置关系
1.2 地层地质
经过对现场钻探、原位测试、室内试验以及波速试验成果的综合分析，该拟建场区地层可划分为人工堆积层、新近沉积层、第四纪沉积层三大类，具体如下：
人工堆积层：①黏质粉土～砂质粉土素填土层，黄褐色，中密～密实，稍湿，含氧化铁、植物根须、白灰渣、砖屑、碎石等，该层厚度为1.52 m～3.30 m。
新近沉积土层：②砂质粉土～黏质粉土层，黄褐色，密实，稍湿～湿，含云母、氧化铁等，该层厚度为1.70 m～4.20 m，层底标高介于14.78 m～21.05 m之间；
②1粉质黏土层，黄褐色，可塑～硬塑，湿～很湿，含云母、氧化铁等，该层厚度为1.40 m～3.70 m。
第四纪沉积土层：③粉砂层，褐黄色～黄灰色，很湿，中密～密实，含云母、石英、长石、氧化铁等；
该层厚为1.30 m～6.50 m；
③1粉质黏土层，黄灰色，很湿，可塑～硬塑，含云母、氧化铁等，该层厚为2.40 m～5.40 m；
③2黏质粉土～砂质粉土层，黄灰色，稍湿，密实；
含云母、氧化铁等，该层厚为1.20 m～6.10 m。
2.1 沟槽开挖
本工程供水管线主要采用明挖开槽方式施工，供水管线沟槽底宽1.2 m，顶宽2.0 m，平均挖深约1.6 m，如遇回填土或局部土质松软时可适当加大坡度。此外，沥青路面部分采用机械方式破除，路面以下土体部分采用人工方式挖除，以尽量降低施工扰动对周边土体和既有电力隧道的影响。
2.2 沟槽回填
人工安管完毕后，应及时对道路进行土体回填和路面结构层恢复。回填时应按照回填要求，进行分层回填和碾压夯实（见表1）。
表1 回填土要求
为了了解拟建供水管与既有电力隧道的交叉点处电力隧道的结构现状，以便于评估供水管道施工对既有电力隧道的影响。现对交叉点南北两侧各30 m范围内的电力隧道进行现状检测，检测方向由南向北，即南端为检测起点，北端为检测终点，共60 m，主检项目包括：外观质量、混凝土强度、钢筋配置、保护层厚度以及隧道背后土层情况。
3.1 隧道结构外观检查
通过对电力隧道外观质量及损伤情况进行详细检查［1］，检查结果表明：既有电力隧道结构外观整体质量相对较好，仅局部存在一些损伤，如钢筋锈蚀、微小裂缝和局部混凝土脱落等，详见表2和图3～图6。
表2 电力隧道外观质量和损伤情况
图3 钢筋锈蚀
图4 混凝土脱落
图5 纵向裂缝
图6 环向裂缝
3.2 混凝土强度检测
利用混凝土回弹仪对电力隧道衬砌结构混凝土强度进行抽样检测［2-3］，每隔10 m抽取1个测点，共6个测点。由于电力隧道混凝土龄期为4 380 d，需对回弹值推定值进行龄期修正，修正系数取0.96。因此，最终获得电力隧道结构混凝土强度修正值在31.1 MPa～34.8 MPa之间，达到C30强度等级要求（见表3）。
表3 电力隧道混凝土强度检测结果
3.3 钢筋配置和保护层厚度检测
采用磁感仪对电力隧道二衬结构钢筋配置和钢筋保护层厚度进行抽样检测［4］，测得电力隧道二衬结构纵向钢筋间距为195 mm～205 mm，环向钢筋间距为145 mm～158 mm，钢筋保护层厚度为22 mm～29 mm（见表4）。同时，剔凿结果表明受力钢筋直径为14 mm。
表4 钢筋配置情况
3.4 隧道背后土体探查分析
采用地质雷达对电力隧道周围土体状况进行探测［5-6］，获取电力隧道顶底板背后地质雷达图像，如图7，图8所示。探测结果表明：电力隧道顶板上部及底板下部土体分层较为稳定，土层分界清晰，土层各层之间没有明显的位置变化和厚度变化，无空洞，土层连续，土体较为完好［7］。
图7 隧道顶部土层雷达图像
图8 隧道底部土层雷达图像
4.1 模型建立
结合拟建供水管线施工方案、电力隧道结构特征以及区域地层状况，运用迈达斯有限元软件［8］，建立三维有限元分析模型（见图9），模型长×宽×高为40 m×40 m×12 m，自上而下分别为路面结构层、填土层、新近沉积层和第四纪沉积层，均为三维实体单元，路面结构层厚为0.5 m，填土层为1.5 m，新近沉积层厚为4 m，第四纪沉积层厚为6 m。此外，模型中拟建供水管道埋深1.05 m，直径0.3 m，壁厚7.2 mm，为二维板单元；
既有电力隧道埋深2.3 m，初支厚0.25 m，为三维实体单元，二衬厚0.25 m，为二维板单元。
图9 三维分析模型
4.2 参数设置
根据隧址区域现场地质状况、电力隧道及道路设计资料，对模型材料参数进行设置。其中，路面、初支结构、二衬结构和球墨铸铁管取用弹性本构，人工填土层、新近沉积土层和第四纪沉积土层取用摩尔-库仑本构。具体参数设置详见表5。
表5 模型材料参数
4.3 边界条件及荷载设置
1）边界条件。
本模型对其底面采用X，Y，Z三方向铰接约束，对其侧面采用法向铰接约束。
2）荷载设置。
本模型主要荷载包括自重荷载、车辆荷载以及施工扰动荷载等三种形式，为了保证电力隧道结构的运营安全，对荷载进行最不利组合，具体如下：
a.工况一：1.2×自重+1.8×车辆荷载，主要用于分析车辆通过时对电力隧道的影响［9］。
b.工况二：1.5×自重，主要用于分析供水管施工过程中振动效应对电力隧道的影响。
c.工况三：仅考虑自重，主要用于分析供水管道沟槽开挖对电力隧道变形的影响。
5.1 承载力分析
1）弯矩模拟结果（见图10～图13）。
由图10～图13可以看出，在工况一条件下，XX方向（跨度方向）上电力隧道结构最大正弯矩和最小负弯矩分别为8.76 kN·m和-13.11 kN·m，YY方向（长度方向）上电力隧道结构最大正弯矩和最小负弯矩分别为2.22 k N·m和-2.67 kN·m；
在工况二条件下，XX方向上电力隧道结构最大正弯矩和最小负弯矩分别为10.65 kN·m和-16.01 kN·m，YY方向上电力隧道结构最大正弯矩和最小负弯矩分别为2.53 kN·m和-3.24 kN·m（详见表6）。因此，工况二比工况一对电力隧道结构安全的影响更大，工况二下的荷载组合为最不利组合。
表6 电力隧道结构弯矩有限元计算结果
图10 工况一XX方向电力隧道弯矩云图
图11 工况一YY方向电力隧道弯矩云图
图12 工况二XX方向电力隧道弯矩云图
图13 工况二YY方向电力隧道弯矩云图
2）承载力验算。
根据GB 50010—2010混凝土结构设计规范中有关承载力验算规定，同时考虑到电力隧道结构跨度方向上弯矩远大于长度方向上弯矩，本文仅对电力隧道跨度方向上配筋进行验算，求得最小配筋为210 mm2/m，而实际配筋为1 026 mm2/m，即电力隧道结构满足承载力要求。
5.2 变形分析
供水管线沟槽开挖后及回填后电力隧道竖向变形见图14，图15。
图14 沟槽开挖后电力隧道竖向变形
图15 沟槽回填后电力隧道竖向变形
由图14，图15可以看出，在自重荷载作用下，供水管线沟槽开挖后电力隧道竖向变形量为0.286 mm，供水管线沟槽回填后电力隧道竖向变形量为0.014 mm，由此可见供水管线敷设施工对电力隧道变形影响不大。同时，根据《城市地下综合管廊运行维护及安全技术标准》中规定结构竖向变形控制值为20 mm。因此，拟建供水管线施工对电力隧道竖向变形扰动满足规范要求。
文章通过分析供水管道施工方案和既有电力隧道现状情况，建立了三维有限元分析模型，并考虑三种工况条件进行数值模拟计算，结果表明供水管线施工对既有电力隧道结构安全影响整体上不大，电力隧道结构承载力和竖向变形均满足相关规范要求。此外，考虑到既有电力隧道的现状损伤情况和供水管道开槽施工对道路的破坏作用，为了保证电力隧道后续的使用安全，现给出以下建议：
1）应及时对既有电力隧道结构局部损伤部位进行修复处理，以避免结构损伤的扩大化，影响电力隧道的后续使用性能。
2）道路开槽施工后，应及时敷设供水管道，做好道路复原工作，尤其是做好道路结构层的接缝处的衔接，以避免雨水沿接缝处下渗，降低道路及其下方土体强度和稳定性，影响电力隧道长期结构性能。
3）电力隧道周边应避免堆放大量土体、施工机械及相关材料设备等重物，以降低外部附加荷载对既有电力隧道结构安全的影响。
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