北京电力隧道矩形顶管通用断面设计

李继波，黄业胜，张小颖

(北京电力经济技术研究院有限公司，北京 100020)

1 概述

近年来，顶管由于其机械化程度高，施工速度快，安全可靠等优点，开始在电力隧道工程中应用，就电力隧道工程而言，相比于圆形顶管，矩形或类矩形顶管的断面利用率更高，其有效使用面积相较于传统圆形顶管增大了20%以上[1]，因此，矩形顶管不失为电力隧道工程建设的一种新工法。由于北京电力隧道工程中，隧道围岩整体含水量偏低，顶管施工过程中摩擦力大，因此，怎样在满足电缆敷设容量的前提下，使电力隧道断面最小，以减小顶管顶进压力，就显得尤为重要。本文结合北京电力隧道其他工法常用断面，考虑隧道内电缆敷设、运维检修、附属设施、结构安全、顶管机械、管节长度等因素，采用理论计算与数值模拟的手段分析了矩形顶管结构受力，进而确定了矩形顶管断面的形式、净空尺寸及结构厚度等，可为电力矩形顶管隧道断面设计提供指导和参考。

2 矩形顶管断面净空设计

2.1 目前通用断面

电力隧道常用工法有明挖法、矿山法、顶管法及盾构法，各种工法常用断面如表1所示。

表1 不同工法电力隧道净空尺寸表 m

2.2 矩形顶管断面净空设计

矩形断面的空间利用率高，与圆形断面相比可节约30%左右的空间。但矩形顶管结构设计需满足结构受力和防水要求，其难点在于确定最优的矩形顶管横断面尺寸和断面形式。断面最优尺寸需同时综合对比不同断面方案的受力情况，以及断面利用率和经济性[2]。

2.2.1 断面设计基本原则

1)以满足全部容纳电缆的允许最小弯曲半径、施工作业与维护空间要求，应符合电缆敷设、检修及运行维护要求的原则。2)隧道的断面形状除应满足电缆敷设的要求，还应根据受力分析、施工难度、经济性等因素确定。3)满足隧道附属设施专业的空间要求，如防排水、通风、监控及消防等。4)采用技术标准合理，达到社会效益、环境效益与经济效益的协调统一，遵循和体现以人为本、资源节约、环境友好原则。

2.2.2 隧道净空形状与尺寸的拟定

在设计中，应根据电缆敷设要求等条件，考虑通风、照明、监控等内部装修设施所必需的富余量，同时结合顶管施工工法确保断面形状及尺寸有利于矩形顶管隧道的安全和稳定。

从经济角度出发，内轮廓线又应尽量减少顶管隧道的体积，减少隧道与围岩的接触面积。因此，内轮廓线一般紧贴限界，并最大限度地保证确定后的断面形式安全、经济、合理。其次结构断面厚度的确定是结构内轮廓线确定以后的重点研究内容，目的是要判断在初步设定的断面厚度下结构是否有足够的强度。需根据断面尺寸、土质条件、上覆土厚度、结构耐腐蚀性以及顶管施工情况等因素来确定。

本文拟定电力隧道工程，按覆土深度10 m，净空断面为2.6 m×2.4 m(宽×高)，顶底板、侧墙厚度均为300 mm，进行分析研究[3-6]。

3 顶管结构受力研究

3.1 结构计算

对于顶管结构受力与变形研究，一般可通过试验、数值模拟、理论计算等手段掌握矩形顶管在不同工况下的受力机制及其承载力极限状态，明确各工况下矩形顶管结构性能的发展全过程。由此得到设计荷载条件下结构受力特征和变形特征，验证矩形顶管的可靠性，为进一步优化矩形顶管设计提供理论依据。本文主要采用数值模拟与理论计算，根据实际情况做了如下简化和基本假设：

1)矩形顶管隧道为长条形结构，假定地层和衬砌结构处于平面应变状态。2)地层和衬砌之间的相互作用，考虑地层弹簧约束的形式，采用梁-弹簧模型。3)地层和衬砌材料假设为各向同性弹性体。4)衬砌是连续匀质的，为连续体模型。

3.1.1 计算荷载

作用在矩形顶管管节上的荷载主要分永久荷载(恒载)、可变荷载(活载)和偶然荷载三大类。进行结构计算分析时，根据相关规范规定，对各类荷载进行分项组合并最终确定荷载组合系数。永久荷载包括水土压力、水浮力、结构自重等；可变荷载包括地面超载、电缆及附件荷载、隧道内人行荷载、施工荷载等，其中隧道内人行荷载对结构受力影响有限，可忽略；偶然荷载包括地震荷载以及人防荷载等。主要荷载作用在管节结构上见图1。

3.1.2 计算方法

考虑到计算的便利性和可操作性，计算时顶管管节按照底板支撑在弹性地基上的平面框架进行结构计算分析。结构在计算模型中被离散化为隧道全周沿结构几何中心线的梁单元，梁单元材料参数由混凝土类型决定。周边岩土体与结构间的相互作用简化为地层弹簧，弹簧沿管节法向布置，其弹性模量根据地勘报告确定。顶管隧道周边的荷载根据相应的荷载计算理论或经验公式给出。

3.1.3 计算过程

采用二维平面模型进行结构计算时，计算流程见图2。

3.1.4 计算工况

对结构进行计算分析时，应充分考虑隧道在施工阶段和使用阶段过程中的各种工况，最终按照最不利工况进行包容性设计。

本项目中主要考虑隧道在使用阶段过程中的受力情况。常规电力隧道的覆土厚度约为10 m，计算时不考虑土拱效应。使用阶段管节承受的荷载主要有：自重、顶板上的覆土荷载和地面荷载、侧向水土压力、水浮力和地基反力等。计算时按照底板支撑在弹性地基上的平面框架进行内力分析，并据此确定矩形顶管截面尺寸及配筋。

3.1.5 计算结果

通过有限元计算得到顶管的弯矩如图3(a)所示，其中最大正弯矩在拱底处，为155 kN·m左右，最大负弯矩在转角处，为-261 kN·m左右，顶管剪力如图3(b)所示，最大剪力为520 kN左右,顶管位移如图3(c)所示，最大位移1.76 mm左右。

在荷载组合作用下，结构的变形量应符合表2的规定。最终最大变形1.76 mm<9.6 mm，符合规范规定。

表2 衬砌直径、接缝变形限值

通过以上分析，结构受力均在合理范围内。但不同覆土埋深对应的管节结构受力、厚度及配筋等均存在较大差异，需结合具体工程电力隧道埋深与地质特点进行针对性计算，为调整结构配筋方案提供依据。

3.2 结构厚度

顶管结构厚度的确定是结构内轮廓线确定以后的重点研究内容，目的是要判断在初步设定的断面厚度下结构是否有足够的强度。从施工角度出发，断面厚度不宜太薄，太薄将难以保证顶管管节在运输、吊装及顶进过程中结构的安全。断面厚度也不宜太厚，设计过厚时，将造成顶管刚度、体积、荷载过大，不仅增大工程投资，也增加了施工难度，形成顶管设计经济、技术的不良循环。下面通过有限元分别对厚度为250 mm，275 mm的结构厚度进行结构计算，受力与变形包络图见图4，图5。

将不同厚度的最大弯矩、剪力与位移汇总如表3所示，通过对比分析，各厚度的顶管均能满足结构受力与变形要求。随着顶管厚度的增加，其内力变化不大，但变形逐渐减小。这种变化规律是由衬砌刚度增大所致，改变顶管厚度、意味着衬砌整体刚度的变化。通过目前的计算，顶管厚度取275 mm是满足受力与变形要求的，但具体还应根据实际情况进行配筋设计。

表3 不同厚度结构受力与变形对比表

4 结语

本文通过对电力隧道矩形顶管，断面的形式、净空尺寸、结构受力及管节长度等关键内容进行了重点分析。依据北京电力隧道的埋深及水文地质等条件，采用理论计算与数值模拟的手段分析了矩形顶管的受力与变形。主要结论如下：1)矩形顶管隧道的净空尺寸为2.6 m×2.4 m(宽×高)。2)矩形顶管隧道的结构厚度、顶底板及侧墙均为275 mm。3)矩形顶管的单管节长度为2 000 mm。

以上矩形顶管隧道断面结构设计参数，是以满足隧道内电缆敷设、运维及结构安全为前提，同时兼顾优化结构受力及降低工程造价而得出的，可为北京电力矩形顶管隧道设计提供指导。