横穿城市道路段电力隧道结构安全性分析及加固技术研究

田 岗

（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）

0 引言

电力隧道作为一种相对高效、便捷、绿色的送电方式，已在我国许多大中型城市得到应用与推广，形成了少则几百公里、多则上千公里的城市电力隧道敷设网，广泛分布于城市地下空间，成为影响城市能源安全和经济命脉的重大工程基础设施［1，2］。

电力隧道与地铁、公路隧道、铁路隧道相比，具有断面面积小、断面形式多、结构埋深浅、易受外界环境影响等特点，属于典型的小断面浅埋隧道［3，4］。而早期人们对小断面浅埋隧道，往往认识不足、重视不够，设计和施工标准选用相对较低，结构形式常用埋深较浅的矩形砖混结构。但随着我国城市交通规模的逐年增大，城市交通线路与地下电力隧道线路相互交叉或并行情况增多，导致浅埋电力隧道极易在交通荷载的长期碾压作用下发生结构性疲劳损伤，并产生一系列的隧道病害连锁反应［5］，严重影响着城市电力隧道的运营安全，正逐步成为市政设施运维养护中亟需解决的工程技术问题。

目前，工程上针对隧道的检测、评定及加固研究有很多，但侧重点也多有不同，如王永东等［6］建立了基于病害关联性的隧道衬砌状况综合评价模型；王志杰等［7］提出了较为完备的隧道加固整治措施；张素磊等［8］基于隧道现场检测数据，建立了一种隧道衬砌结构状况分段式评定方法。上述研究虽然都是以隧道实际现状为基础加以展开，但均未对隧道结构现状实际承载能力进行定量的分析，也少有考虑外部车辆荷载的影响。基于此，考虑到横穿城市道路段电力隧道易受城市交通荷载的影响，借助岩土有限元模拟软件，在充分考虑电力隧道结构现状的基础上，展开横穿城市道路段电力隧道结构承载能力分析及加固技术研究，以期为今后类似工程的结构安全检测、鉴定及加固提供技术上的参考。

1 工程概况

北京市某横穿城市主干道路段电力隧道建于 20 世纪 70 年代，其结构形式为明挖砖混结构（砖混边墙+预制板），断面形式为矩形，尺寸为 2 m×2 m，两侧砖墙厚度为 0.37 m，预制顶板与底板厚度为 0.2 m，埋深为 1.2 m，其中道路面层厚 0.2 m，基层厚 0.3 m，黏土层厚 0.7 m，如图 1 所示。此外，该电力隧道周边环境较为复杂，道路交通繁忙，车流量大，道路宽度约 48 m，主路为双向 6 车道，两侧辅路为 2 车道。

图1 电力隧道与地层结构示意图

2 隧道现状检测

2.1 损伤状况

通过对该电力隧道横穿道路段的现场调查与检测分析，发现其病害形式主要表现为隧道预制顶板板底钢筋的裸露与锈蚀，混凝土保护层的涨裂与剥落，以及隧道边墙的开裂与渗漏水现象（见图 2），这些病害严重影响着该电力隧道后期的使用安全。

图2 隧道结构病害形式

2.2 材料强度

采用回弹法对该段电力隧道墙体砌筑用砖强度、砂浆强度和顶板混凝土强度分别进行检测［9，10］，具体检测结果如表 1 所示。

表1 隧道材料检测强度

2.3 钢筋配置及混凝土碳化深度

通过钢筋检测仪和剔凿检测法［11］，测得该段电力隧道顶板和底板钢筋间距为 96～103 mm，其中未锈蚀处钢筋直径为 14 mm，锈蚀处钢筋直径为 9～11 mm，钢筋截面损失率达 38.27 %～58.67 %，且钢筋锈蚀现象均发生于电力隧道顶板。此外，还测得钢筋保护层厚度为 17～22 mm，混凝土碳化深度为 6.5～8 mm。

2.4 隧道周边土体密实情况

为了查明该段电力隧道周边土体密实程度，即电力隧道周边是否存在隐伏性空洞和大范围疏松区。利用探地雷达方法［12，13］测得：该段电力隧道背后土体分界清晰，各层之间没有明显的错层和厚度变化，整体地层较为完好、连续，且隧道背后无空洞和大范围地层疏松现象（见图 3）。

图3 地质雷达探测

3 隧道结构承载力评定

3.1 荷载形式

由于该电力隧道横穿城市道路，考虑到隧道结构除承受周边土压力和结构自重外，还要承担道城市路交通荷载的影响。因此，对于该电力隧道结构承载力的评定，根据 JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》相关要求，来施加相应的车辆荷载，如表 2 和图 4 所示。同时，将该电力隧道结构承载力评定结果分为合格与不合格两类，如表 3 所示。

表2 车辆荷载的主要技术指标

图4 车辆荷载分布图

表3 电力隧道结构承载力评定方法

3.2 有限元建模计算

3.2.1 模型建立

根据该段电力隧道实际地层特征和结构形式，建立“车载-道路-电力隧道”多元耦合有限元模型，模型整体尺寸为 30 m×10 m×24 m，其中隧道尺寸 2 m×2 m×24 m，埋深 1.2 m，面层厚 0.2 m，基层厚 0.3 m，黏土层 0.7 m（见图 5）。此外，面层、基层和黏土层设置为 3D 实体单元，隧道板和砖墙设置为 2D 板单元；边界条件设置为底端三向约束，侧向法向约束；本模型荷载按 1.2×自重+1.8×车辆荷载施加，其中车辆荷载主要考虑车辆后轴荷载对电力隧道影响。

图5 电力隧道模型

3.2.2 材料参数

通过参考电力隧道设计和工程勘察资料，并结合电力隧道现状情况，本电力隧道模型相关材料参数如表 4 所示。

表4 材料参数

3.2.3 不同工况隧道内力分析

为了较为全面地分析车辆通过电力隧道上方道路时，对电力隧道结构内力的影响。充分考虑了车辆通过数量、车辆与车辆以及车辆与电力隧道的相互位置关系，共建立 9 种电力隧道静力分析模型（见图 6），由此可获取各工况条件下隧道顶底板和边墙内力情况，其中该段电力隧道最不利断面内力计算结果如图 7 和图 8 所示。

图6 各工况模型

由图 7 和图 8 可以看出，该段电力隧道在 1.2×自重+1.8×车辆荷载作用下，隧道顶板和底板最大弯矩均出现在工况六条件下，弯矩值分别为 32.44 kN·m/m 和 31.50 kN·m/m；隧道边墙最大剪力出现在工况四条件下，剪力值为 22.78 kN/m。此外，随着车辆荷载差异和位置变化，电力隧道顶板、底板和边墙内力均产生了一定的改变，其中隧道顶板受车辆荷载影响最为明显，内力变化幅度最大，因此在进行电力隧道检测与鉴定时，应重点关注隧道顶板的结构安全性能。

图7 电力隧道顶底板弯矩分布

图8 电力隧道边墙剪力分布

3.3 承载能力分析

3.3.1 顶底板配筋分析

电力隧道顶板和底板属于受弯构件，根据 GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》中相应计算公式，如式（1）所述。

式中：As为受拉区纵向钢筋的截面面积，mm2/m；ζ为相对受压区高度，mm；α1为系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；b为矩形截面高度，mm；h0为截面有效高度，mm；fy为钢筋抗拉强度设计值，N/mm2。

结合电力隧道顶板和底板弯矩模拟计算结果，对该段电力隧道顶板与顶板展开配筋计算，求得电力隧道顶板和底板计算配筋分别为 729 mm2/m 和 707 mm2/m，电力隧道顶底板设计配筋均为 1 539 mm2/m，即原设计满足配筋要求；但考虑到电力隧道钢筋锈蚀情况，则其现状配筋为 636～950 mm2/m，即部分隧段顶板不满足配筋要求，电力隧道存在一定的安全隐患。

3.3.2 边墙抗剪承载力分析

电力隧道左右边墙属于受剪构件，根据 GB 50003-2011《砌体结构设计规范》中相应计算公式，如式（2）所述。

式中：V为剪力设计值，kN；A为水平截面面积，m2；fv砌体抗剪强度设计值，kN/m2；α为修正系数；μ为剪压复合受力影响系数；σ0为永久荷载设计值产生的水平截面平均压应力，kN/m2。

结合电力隧道边墙材料强度实测结果，求得该段电力隧道边墙抗剪承载力为46.8kN/m，而模型中电力隧道边墙剪力最不利计算结果为22.78kN/m，即电力隧道边墙满足抗剪承载力要求。

4 隧道加固

4.1 加固方案

根据电力隧道病害检测结果和承载力评定结果，可知该电力隧道主要存在混凝土开裂脱落、钢筋锈蚀、结构渗漏水以及隧道顶板承载力不足等现象。针对上述问题，本文电力隧道考虑采用局部病害修补和整体结构加固综合治理方案，具体修补和加固的施工工艺为：剔凿松动混凝土→去除钢筋表面锈蚀→涂覆面漆→原隧道抹敷聚合物砂浆层→施加框架钢梁，其中聚合物砂浆层厚 8 mm，框架钢梁采用 HW100×100×6×8 型号 Q235 钢材，如图 9 所示。

图9 电力隧道加固情况（单位：cm）

4.2 加固效果

根据电力隧道加固方案进行有限元建模，并对模型施加未加固时相同的车辆荷载工况，求得电力隧道加固后在各工况条件下的结构内力情况，具体结果如图 10～12 和表 5 所示。

图10 隧道加固后顶底板弯矩分布

表5 电力隧道加固前后内力比较

电力隧道加固后，其在 1.2×自重+1.8×车辆荷载作用下，电力隧道顶板和底板最大弯矩分别为 25.26 kN·m/m 和 31.74 kN·m/m，与电力隧道加固前相比最大弯矩分别降低 22.13 % 和升高 0.76 %，计算配筋量分别为 560 mm2/m 和 713 mm2/m，即满足电力隧道现状配筋要求。同时，加固后电力隧道左右边墙所承受最大剪力分别降低 7.02 % 和 6.20 %，为 21.18 kN/m和 19.38 kN/m，均小于抗剪承载力设计值 46.8k N/m，满足抗剪承载力要求。此外，H 型钢框架钢梁最大应力为 33.73 MPa，远小于 Q235 钢材屈服强度。因此，整体来看，加固后电力隧道受力特征得到了明显改善，能够满足横穿城市道路段电力隧道继续安全使用的要求，电力隧道取得了良好的加固治理效果。

图11 电力隧道加固后边墙剪力分布

图12 H 型钢结构应力

5 结语

通过对北京市某横穿城市道路段电力隧道结构的检测与分析，全面掌握了该段电力隧道结构现状情况，如隧道病害形式、结构材料强度、混凝土碳化深度、钢筋配置以及隧道周边土体密实程度等一系列安全技术指标，从而为电力隧道结构安全性分析及鉴定提供了有效的技术资料。同时，在对该电力隧道进行安全性分析时，采用 1.2×自重+1.8×车辆荷载的作用形式，借助有限元软件建立电力隧道三维分析模型，分析了单、双车辆的 9 种位置工况对电力隧道结构安全性的影响，发现现状条件下电力隧道顶板结构承载能力不足，存在着很大的安全隐患。针对此问题，提出了局部病害修补和整体结构加固综合治理方案，并经由有限元方法加以结构安全验算，结果表明该加固方案可使电力隧道顶板弯矩降低 22.13 %，满足结构承载力要求，取得了较为良好的加固治理效果，可为今后类似工程的开展提供一定的参考。Q