电力隧道浅埋暗挖下穿城市道路可行性研究

王建华，陈力华,2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆　400067； 2.重庆大学 土木工程学院， 重庆　400045)



电力隧道浅埋暗挖下穿城市道路可行性研究

王建华1，陈力华1,2

(1.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆400067； 2.重庆大学 土木工程学院， 重庆400045)

摘要：在城市中修建电力隧道需穿越城市道路时，为了最小程度减少对交通的影响，往往选择浅埋暗挖方式进行开挖。在保证道路通行的同时，电力隧道在施工过程中的稳定性以及施工最危险的环节需要重点关注。以某电力隧道下穿公路作为工程背景，采用FLAC3D建立有限元计算模型，以“车辆荷载”“车道荷载”2种加载方式，研究车辆通行时电力隧道的稳定性。研究结果表明：电力隧道采用浅埋暗挖法下穿公路是可行的。此外，还针对隧道穿越城市道路现场施工提出若干可行建议。

关键词：隧道；公路；浅埋暗挖；数值模拟

在城市中修建电力管廊往往需要通过公路，如果采用明挖法施工，则势必中断交通，造成交通拥堵；如果采用顶管法施工，则台班消耗太大，显得不够经济。因此，在不影响路面正常通行的前提下，采用浅埋暗挖法开挖就成为可供选择的重要方式之一。笔者基于类似工程调研、数值模拟分析等，对重庆市某电力隧道横穿某1级公路的可行性进行了探讨和研究。

目前，我国的浅埋暗挖技术已经非常成熟，最小覆跨比可达0.2，最小埋深已缩小到0.8 m，甚至更小。笔者调查了国内部分浅埋暗挖隧道的基本情况,如表1所示，这些隧道均已成功开挖，并已经开始通行，其在施工过程中都没有考虑车行荷载对隧道的影响。

1工程概况

1.1地质

重庆市某电力隧道为“重庆市沙坪坝微电园220 kV变电站110 kV送出工程输电工程”下穿某1级公路的1条过街隧道，其隧址区场地表层多为第4系人工堆积层覆盖下伏基岩为砂岩和泥岩，砂岩裂隙相对较发育。隧道穿越地层为V级围岩，为相对含水层，泥岩为相对隔水层，故场地地下水以松散岩类孔隙水和基岩裂隙水为主。

1.2设计

设计电力隧道的断面如图1所示。隧道初期支护采用锚杆+格栅拱架(间距50 cm)+钢筋网(直径8 mm，间距20 cm×20 cm)喷射混凝土。2次衬砌采用C30钢筋混凝土，环向钢筋为直径22 mm，纵向间距15 cm；纵向连接钢筋为直径10 mm钢筋，间距20 cm。

表1　目前国内主要浅埋暗挖隧道概况

图1　电力隧道衬砌断面

2有限元计算

2.1计算模型

为了研究车辆荷载作用时隧道的变形情况，针对重庆市某电力隧道与道路之间的空间位置关系，采用FLAC3D建立了有限元计算模型，如图2所示。模型考虑了超前管棚的预注浆效果和锚杆的加固效果。

2.2材料物理力学参数

材料物理力学参数参照JTG D70—2004《公路隧道设计规范》[8]、GB 50010—2010《混凝土设计规范》[9]和地勘报告来确定，如表2所示。

图2　电力隧道有限元计算模型

表2　计算模型材料力学参数

2.3汽车荷载施加

城市中的隧道，施工过程中必将有车辆通行，故模型必须考虑汽车荷载。根据CJJ 11—2011《城市桥梁设计规范》[10]，考虑到隧道受到最不利车辆荷载，汽车荷载按照公路I级荷载取值。CJJ 11—2011规定加载方式为“车道荷载”及“车辆荷载”，故模型也按照2种方式来考虑荷载，如图3、图4所示。

图3　“车辆荷载”加载受力简图

图4　“车道荷载”加载受力简图

“车辆荷载”进行横向分布，并尽可能多地布设车辆，本模型布置2辆挂车。“车道荷载”在横向上按照均布荷载取值。“车辆荷载”分布如图5、图6所示。

图5　“车辆荷载”平面及立面分布方式

2.4施工步序

图2计算模型中，电力隧道模型道路宽11 m，采用边开挖边支护方式掘进。每次开挖长度1 m，开挖6 m(即1/2路面宽度)。对已开挖段进行整体2次衬砌，1次浇筑成型。首段2次衬砌形成强度后，再进行剩余部分的开挖，且开挖及支护方式亦为每挖1 m支护1 m，开挖完成后整体进行支护。如图7所示，施工过程共分为27个施工步，具体如下。

图6　“车辆荷载”横向分布

图7　电力隧道开挖示意

第1步，初始位移清除0→第2步，施工超前管棚(端头固定)→第3步，管棚注浆，注浆影响范围内的土体c，φ值提高→第4步，开挖1→第5步，初期支护1→第6步，开挖2→第7步，初期支护2→第8步，开挖3→第9步，初期支护3→第10步，开挖4→第11步，初期支护4→第12步，开挖5→第13步，初期支护5→第14步，开挖6→第15步，初期支护6→第16步，2次衬砌1～6→第17步，开挖7→第18步，初期支护7→第19步，开挖8→第20步，初期支护8→第21步，开挖9→第22步，初期支护8→第23步，开挖10→第24步，初期支护10→第25步，开挖11→第26步，初期支护11→第27步，2次衬砌7～11。

3计算结果

3.1“车辆荷载”模式加载计算结果

“车辆荷载”模式加载最终竖向位移云图如图8所示。从图8可以看出，由于车辆荷载作用于左车道，隧道开挖完成时刻，模型左半部分沉降量比模型右半部分大；车辆后轮集中荷载作用处竖向位移最大为2.4 mm，车辆中车轮作用处最大竖向位移为1.5 mm；隧道底部最大隆起量1.73 mm。

图8　“车辆荷载”模式加载最终竖向位移云图

隧道开挖支护完毕隧道各断面沉降槽如图9所示。从图9可以看出，各断面曲线趋势一致，隧道影响范围7 m；右车道部分没有受到车辆荷载作用，沉降量较小；隧道中心线沉降量最大，3、4、7、8 m断面受车辆荷载作用沉降量最大；1、10 m断面均位于人行道，2条断面沉降量最小且数据接近。

图9　“车辆荷载”模式加载最终断面的沉降槽曲线

隧道开挖完成时刻隧道拱顶和拱顶相对应路面点的最终沉降量如图10所示。从图10可以看出，路面沉降量在车辆荷载作用处最大，人行道上路面沉降最小；隧道拱顶沉降在6 m处达到最大值，且隧道进口和出口断面竖向沉降均较大。因此，在施工中应做好隧道进出口的防护措施。

图10　“车辆荷载“模式加载最终拱顶及路面纵向沉降量

3.2“车道荷载”模式加载计算结果

“车道荷载”模式加载最终竖向位移云图如图11所示。从图11可以看出，在均布荷载作用下，隧道开挖完成时刻，模型左右两侧竖向变形对称分布；路面沉降量明显比人行道沉降量大，隧道出洞段路面沉降量较进洞段路面沉降量大；路面最大沉降量0.9 mm，隧道拱顶最大沉降量1.23 mm，隧道拱底最大隆起1.83 mm。

图11　“车道荷载”模式加载最终竖向位移云图

隧道开挖支护完毕隧道各断面沉降槽如图12所示。从图12可以看出，各断面曲线趋势一致。沉降槽呈对称分布；隧道影响范围7 m，除隧道中心线路面沉降差异较大外，其余点位路面沉降量基本一致；隧道中心线沉降量最大，1、2 m断面路面沉降量最小，5、6 m断面沉降量最大，10 m处断面位于出洞口附近沉降量也较大。因此，在施工中应引起注意。

图12　“车道荷载”模式加载最终断面沉降槽曲线

隧道开挖完成时刻隧道拱顶和拱顶相对应路面点的最终沉降量如图13所示。从图13可以看出，在车道均布荷载作用下，路面沉降量和隧道沉降量均较为平缓；路面沉降最大值位于隧道出洞口正上方，隧道拱顶沉降在进洞口和出洞口均较大。因此，在施工中应引起重视。

4结论及建议

1) 在沉降变形敏感区域进行浅埋暗挖法施工有先例可寻。隧道开挖后结构基本能保持稳定，围岩变形量较小，位移变形值可控，结构受力可控，因此在不中断交通的情况下可实施暗挖作业。

图13　“车道荷载”模式加载最终拱顶及路面纵向沉降量

2) 采用暗挖方式下穿道路技术上可行，但施工中应严格限制挂车通行，避免隧道产生较大的变形，进而发生坍塌。

3) 隧道进出洞口处是施工的危险环节，进洞前有必要采用预加固处理措施，并建议隧道进出口应尽快锁口。

参 考 文 献

[1]王玉锁.砂质土隧道围岩力学参数及分级方法研究[D].成都：西南交通大学，2008.

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[3]章新生.顺层软弱围岩洞口段施工技术初探[J].铁道标准设计，2005(2)：74-76.

[4]孙吉堂. 瑞峰隧道出口超浅埋暗挖施工技术[J] .铁道建筑，1995(4)：27-30.

[5]苏学清，齐之龙，郝玉生.青岛某地下工程超浅埋暗挖段施工效应分析[J] .岩石力学与工程学报，1999，18(4)：465-468.

[6]朱文鑫.浅谈超浅埋暗挖隧道设计与施工技术——厦门市明发商业广场嘉禾路地下行车通道工程施工总结[J].城市道桥与防洪，2008，12(12)：51-54.

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[9]中国建筑科学研究院.GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010．

[10]天津市政工程设计研究院.CJJ 11—2011城市桥梁设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011．

Research on Feasibility of Power Tunnels Underpass Urban Roads by Shallow-buried Excavation

WANG Jianhua1, CHEN Lihua1, 2

Abstract:When power tunnels constructed in cities need cross urban roads, in order to minimize influences on traffic, shallow-buried excavation is usually chosen. While guaranteeing road passage, stability of power tunnels during construction and most dangerous links in construction shall be focused. With some power tunnel underpass highways as project background, this paper establishes a finite element computing model by means of FLAC3D, and studies stability of power tunnels during passage of vehicles by means of 2 loading modes, i.e. "load on vehicles" and "load on lanes". The results of research show that power tunnels underpass highways by means of shallow-buried excavation are feasible. In addition, the paper proposes several feasible recommendations for site construction of tunnels underpass urban roads.

Keywords:tunnel; highway; shallow-buried excavation; numerical simulation

文章编号：1009-6477(2016)01-0100-05

中图分类号：U455.4

文献标识码：A

作者简介：王建华(1978-)，男，四川省安岳县人，硕士，高工。

收稿日期：2015-10-08

基金项目：重庆市应用开发项目(CSTC2013YYKFA30003)；重庆市科技攻关项目(CSTC2011AC6212)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.022