地表大面积堆载对电力顶管隧道影响分析

鄢本存，刘许凡，杜海强，徐明鸣

(中国能建集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410000)

0 引言

近年来，随着我国城市化建设的加快，城市规划对城区电力线路建设标准逐渐提高。传统架空线路由于走廊占地多、对城市景观影响大，目前在城区已经被限制使用。电力隧道由于具有供电安全可靠性高、对环境破坏小、节约城市土地资源、运行检修方便等优点，在城市电网建设中越来越广泛的应用[1]。顶管是一种常见的非开挖技术，可以减少对交通、周边管线的干扰，具有施工周期短、安全性好等优点[2]。顶管管节一般采用工厂预制，在现场配合顶管机顶进施工(见图1)。电力顶管主要采用圆形断面，尺寸从1.2 m到3.5 m不等，目前在电力隧道下穿既有道路、河流上应用较多(见图2)。

堆载常见于基础或者地下工程开挖，在基础周边堆放开挖土方，或者既有工程上的大面积弃土堆放。研究表明[3-4]，大面积地表堆载打破了原有的隧道-土体力学平衡状态，引起隧道应力重分布，导致衬砌结构的受力和变形发生改变；在地面突发大面积堆土的情况下，隧道可能发生衬砌开裂、渗漏水等问题，影响隧道运行安全。本文以某建成电缆顶管隧道为背景，针对隧道上方出现的大面积堆载对隧道的受力变形影响展开研究，并提出针对性的处理措施，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程简介

顶管隧道是某电缆隧道的一部分，顶管段全长约600 m，主要用于下穿某老河道上游低洼处，目前该河道已干涸多年，未见水流，下穿处的纵断面如图3所示。

1.1 地质条件

顶管下穿该低洼的地层分类见表1，原土层情况下该处隧道顶埋深12.60 m，地下水位于隧道顶面以上8.90 m。结合地质纵剖图，顶管隧道位于③粉细砂土层中，顶管上部为②黄土状粉土。

表1 顶管下穿处地层描述

1.2 顶管管节

本工程顶管采用内径3.5 m、外径4.14 m混凝土“F”型钢承插口预制水泥混凝土管，管片壁厚320 mm，幅宽2 500 mm。预制管节混凝土等级C50，抗渗等级P10(见图4)。

1.3 隧道开裂问题

电缆隧道贯通并带电运行约一年后，运检人员巡检发现隧道约13节管节(长度约32.5 m)出现局部开裂、渗水情况。经核实，开裂隧道上方正在进行大面积堆土，最大堆土高度15.5 m，如图5中编织袋覆盖范围。顶管隧道开裂表现为以下特征：

1)只在堆土范围内出现顶管管节开裂；2)裂缝主要出现在顶管底部、顶部(见图6)，沿隧道路径方向发展，局部开始渗水；3)经第三方检测机构测量结果，最大裂缝出现在管底内侧，宽度为0.9 mm。

2 计算模型

2.1 计算基本原则

1)顶管隧道设计使用寿命100 a， 安全等级为一级，构件的重要性系数取1.1。

2)顶管管节构件的最大裂缝宽度按荷载准永久组合并考虑长期作用影响的效应计算，最大计算裂缝宽度限值为0.2 mm。

3)荷载组合系数见表2。

表2 荷载组合系数表

2.2 荷载计算

根据规范计算模型[5-6]，主要考虑以下荷载：隧道结构自重、垂直均布荷载、侧向主动土压力、隧道内电缆设备重、地面超载。

其中对于地面堆载，根据CECS 143∶2002给水排水工程地埋预制混凝土圆形管管道结构设计规程第4.1.1条规定，地面堆积荷载属于可变作用。所以本工程中出现的大面积堆土属于地面超载。

2.3 计算荷载与模型简图

考虑120°支撑角，采用内力系数法，荷载作用与计算简图如图7所示。圆形顶管内力系数表见表3。

表3 圆形顶管内力系数表

3 顶管隧道影响受力分析

考虑以下计算工况：

1)原土层情况下，顶管隧道顶部埋深12.6 m，顶管位于粉细砂土层，顶管上部为黄土状粉土，计算顶管结构受力与变形。

2)在原土层情况下，将顶管隧道上部出现的大面积堆土作为外荷载作用在隧道结构上，计算顶管结构受力与变形。

3.1 顶管管节内力计算

根据上述计算模型，分别计算管自重、管内电缆设备重、土体垂直均布荷载、侧向水、土压力，采用内力系数法，计算管节内力如图8所示。

输入项输入值荷载kmAkmBkmCknAknBknC说明壁厚/m0.32099.800.1000.066-0.0760.236-0.0480.250管自重外径/m4.1410.800.1310.072-0.1110.258-0.0700.500管内电缆设备重覆土厚/m12.60690.220.1540.136-0.1380.209-0.0210.500垂直均布荷载主动土压力110.08-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000侧向主动土压力侧向水压力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000侧向水压力活载/kPa0.000.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超载标准值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46设计值/(kN·m-1)Ma121.60Mb79.17Mc-86.39Na611.17Nb353.81Nc506.87准永久值/(kN·m-1)Ma90.07Mb58.65Mc-63.99Na452.72Nb262.08Nc375.46

在上述模型的结果上，考虑将地面以上15.5 m高度的堆土当作地面超载作用在顶管隧道上，顶管管节内力如图9所示。

输入项输入值荷载kmAkmBkmCknAknBknC说明壁厚/m0.32099.800.1000.066-0.0760.236-0.0480.250管自重外径/m4.1410.800.1310.072-0.1110.258-0.0700.500管内电缆设备重覆土厚/m12.60690.220.1540.136-0.1380.209-0.0210.500垂直均布荷载主动土压力99.98-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000侧向主动土压力侧向水压力454.16-0.125-0.1250.1250.5000.5000.000侧向水压力活载/kPa1 155.060.1540.136-0.1380.209-0.0210.500地面超载标准值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99设计值/(kN·m-1)Ma600.50Mb502.48Mc-515.88Na942.32Nb313.03Nc1 315.41准永久值/(kN·m-1)Ma432.23Mb361.10Mc-370.85Na689.07Nb232.77Nc952.99

3.2 顶管管节承载力及变形验算

根据顶管受力特征，顶管管顶(B)、管底(A)内侧受拉，控制管节内侧配筋及裂缝宽度，顶管管侧(C，D)外侧受拉，控制管节外侧配筋及裂缝宽度。所以顶管里层受力及变形由管顶、管底位置控制，外层受力及变形由管侧位置控制。

对于承载能力，按照基本组合下的纯弯构件考虑；对裂缝宽度，考虑到圆形结构轴力较大，对裂缝宽度计算有利，将轴力折减0.6按准永久组合下压弯构件考虑，结果如表4，表5所示。

表4 原土层情况下管节受力及裂缝宽度

表5 考虑地面堆土荷载情况下管节受力及裂缝宽度

由上述结果可知，原土层情况下顶管隧道管节受力及裂缝宽度均满足要求，考虑地面堆土荷载情况下，管节受力及裂缝宽度严重超出设计工况。

4 结论与建议

1)本文结合实际工程条件，对地表大面积堆载情况下的顶管隧道受力展开分析，结果显示堆载情况下隧道管底内侧最大裂缝为1.214 mm，与实测0.9 mm较为接近，说明该计算模型较为合理，在一定程度上反映顶管隧道的受力情况。

2)针对已开裂顶管隧道管片，建议采取以下处理措施：

a.通过地表注浆对管片周围土体进行加固，提高土体承载能力。

b.采用界面剂对管片内部已开裂裂缝进行表层处理，防止裂缝渗漏水。

c.采用圆形钢衬环对管片内部进行加固，钢衬环由三片组合而成，钢衬环外表面与顶管内壁贴合，组装过程中可施加环向预应力。

d.加强对顶管隧道内部变形、受力的监测。

3)地表大面积堆载对已建电缆隧道属于外荷载，具有出现时间短、荷载数值大的特点，常规设计难以考虑。大面积堆载一旦出现，很可能导致隧道开裂、变形、渗漏水等问题，严重影响电缆隧道运行安全。所以运行电缆隧道应加强巡视、建立安全警示牌，严防大面积堆土问题的出现。