電力隧道淺埋暗挖下穿城市道路可行性研究

王建華，陳力華,2

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶　400067； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶　400045)

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電力隧道淺埋暗挖下穿城市道路可行性研究

王建華1，陳力華1,2

(1.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司， 重慶400067； 2.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶400045)

摘要：在城市中修建電力隧道需穿越城市道路時，為了最小程度減少對交通的影響，往往選擇淺埋暗挖方式進行開挖。在保證道路通行的同時，電力隧道在施工過程中的穩(wěn)定性以及施工最危險的環(huán)節(jié)需要重點關(guān)注。以某電力隧道下穿公路作為工程背景，采用FLAC3D建立有限元計算模型，以“車輛荷載”“車道荷載”2種加載方式，研究車輛通行時電力隧道的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：電力隧道采用淺埋暗挖法下穿公路是可行的。此外，還針對隧道穿越城市道路現(xiàn)場施工提出若干可行建議。

關(guān)鍵詞：隧道；公路；淺埋暗挖；數(shù)值模擬

在城市中修建電力管廊往往需要通過公路，如果采用明挖法施工，則勢必中斷交通，造成交通擁堵；如果采用頂管法施工，則臺班消耗太大，顯得不夠經(jīng)濟。因此，在不影響路面正常通行的前提下，采用淺埋暗挖法開挖就成為可供選擇的重要方式之一。筆者基于類似工程調(diào)研、數(shù)值模擬分析等，對重慶市某電力隧道橫穿某1級公路的可行性進行了探討和研究。

目前，我國的淺埋暗挖技術(shù)已經(jīng)非常成熟，最小覆跨比可達0.2，最小埋深已縮小到0.8 m，甚至更小。筆者調(diào)查了國內(nèi)部分淺埋暗挖隧道的基本情況,如表1所示，這些隧道均已成功開挖，并已經(jīng)開始通行，其在施工過程中都沒有考慮車行荷載對隧道的影響。

1工程概況

1.1地質(zhì)

重慶市某電力隧道為“重慶市沙坪壩微電園220 kV變電站110 kV送出工程輸電工程”下穿某1級公路的1條過街隧道，其隧址區(qū)場地表層多為第4系人工堆積層覆蓋下伏基巖為砂巖和泥巖，砂巖裂隙相對較發(fā)育。隧道穿越地層為V級圍巖，為相對含水層，泥巖為相對隔水層，故場地地下水以松散巖類孔隙水和基巖裂隙水為主。

1.2設(shè)計

設(shè)計電力隧道的斷面如圖1所示。隧道初期支護采用錨桿+格柵拱架(間距50 cm)+鋼筋網(wǎng)(直徑8 mm，間距20 cm×20 cm)噴射混凝土。2次襯砌采用C30鋼筋混凝土，環(huán)向鋼筋為直徑22 mm，縱向間距15 cm；縱向連接鋼筋為直徑10 mm鋼筋，間距20 cm。

表1　目前國內(nèi)主要淺埋暗挖隧道概況

圖1　電力隧道襯砌斷面

2有限元計算

2.1計算模型

為了研究車輛荷載作用時隧道的變形情況，針對重慶市某電力隧道與道路之間的空間位置關(guān)系，采用FLAC3D建立了有限元計算模型，如圖2所示。模型考慮了超前管棚的預(yù)注漿效果和錨桿的加固效果。

2.2材料物理力學(xué)參數(shù)

材料物理力學(xué)參數(shù)參照J(rèn)TG D70—2004《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]、GB 50010—2010《混凝土設(shè)計規(guī)范》[9]和地勘報告來確定，如表2所示。

圖2　電力隧道有限元計算模型

表2　計算模型材料力學(xué)參數(shù)

2.3汽車荷載施加

城市中的隧道，施工過程中必將有車輛通行，故模型必須考慮汽車荷載。根據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》[10]，考慮到隧道受到最不利車輛荷載，汽車荷載按照公路I級荷載取值。CJJ 11—2011規(guī)定加載方式為“車道荷載”及“車輛荷載”，故模型也按照2種方式來考慮荷載，如圖3、圖4所示。

圖3　“車輛荷載”加載受力簡圖

圖4　“車道荷載”加載受力簡圖

“車輛荷載”進行橫向分布，并盡可能多地布設(shè)車輛，本模型布置2輛掛車?！败嚨篮奢d”在橫向上按照均布荷載取值?！败囕v荷載”分布如圖5、圖6所示。

圖5　“車輛荷載”平面及立面分布方式

2.4施工步序

圖2計算模型中，電力隧道模型道路寬11 m，采用邊開挖邊支護方式掘進。每次開挖長度1 m，開挖6 m(即1/2路面寬度)。對已開挖段進行整體2次襯砌，1次澆筑成型。首段2次襯砌形成強度后，再進行剩余部分的開挖，且開挖及支護方式亦為每挖1 m支護1 m，開挖完成后整體進行支護。如圖7所示，施工過程共分為27個施工步，具體如下。

圖6　“車輛荷載”橫向分布

圖7　電力隧道開挖示意

第1步，初始位移清除0→第2步，施工超前管棚(端頭固定)→第3步，管棚注漿，注漿影響范圍內(nèi)的土體c，φ值提高→第4步，開挖1→第5步，初期支護1→第6步，開挖2→第7步，初期支護2→第8步，開挖3→第9步，初期支護3→第10步，開挖4→第11步，初期支護4→第12步，開挖5→第13步，初期支護5→第14步，開挖6→第15步，初期支護6→第16步，2次襯砌1～6→第17步，開挖7→第18步，初期支護7→第19步，開挖8→第20步，初期支護8→第21步，開挖9→第22步，初期支護8→第23步，開挖10→第24步，初期支護10→第25步，開挖11→第26步，初期支護11→第27步，2次襯砌7～11。

3計算結(jié)果

3.1“車輛荷載”模式加載計算結(jié)果

“車輛荷載”模式加載最終豎向位移云圖如圖8所示。從圖8可以看出，由于車輛荷載作用于左車道，隧道開挖完成時刻，模型左半部分沉降量比模型右半部分大；車輛后輪集中荷載作用處豎向位移最大為2.4 mm，車輛中車輪作用處最大豎向位移為1.5 mm；隧道底部最大隆起量1.73 mm。

圖8　“車輛荷載”模式加載最終豎向位移云圖

隧道開挖支護完畢隧道各斷面沉降槽如圖9所示。從圖9可以看出，各斷面曲線趨勢一致，隧道影響范圍7 m；右車道部分沒有受到車輛荷載作用，沉降量較小；隧道中心線沉降量最大，3、4、7、8 m斷面受車輛荷載作用沉降量最大；1、10 m斷面均位于人行道，2條斷面沉降量最小且數(shù)據(jù)接近。

圖9　“車輛荷載”模式加載最終斷面的沉降槽曲線

隧道開挖完成時刻隧道拱頂和拱頂相對應(yīng)路面點的最終沉降量如圖10所示。從圖10可以看出，路面沉降量在車輛荷載作用處最大，人行道上路面沉降最??；隧道拱頂沉降在6 m處達到最大值，且隧道進口和出口斷面豎向沉降均較大。因此，在施工中應(yīng)做好隧道進出口的防護措施。

圖10　“車輛荷載“模式加載最終拱頂及路面縱向沉降量

3.2“車道荷載”模式加載計算結(jié)果

“車道荷載”模式加載最終豎向位移云圖如圖11所示。從圖11可以看出，在均布荷載作用下，隧道開挖完成時刻，模型左右兩側(cè)豎向變形對稱分布；路面沉降量明顯比人行道沉降量大，隧道出洞段路面沉降量較進洞段路面沉降量大；路面最大沉降量0.9 mm，隧道拱頂最大沉降量1.23 mm，隧道拱底最大隆起1.83 mm。

圖11　“車道荷載”模式加載最終豎向位移云圖

隧道開挖支護完畢隧道各斷面沉降槽如圖12所示。從圖12可以看出，各斷面曲線趨勢一致。沉降槽呈對稱分布；隧道影響范圍7 m，除隧道中心線路面沉降差異較大外，其余點位路面沉降量基本一致；隧道中心線沉降量最大，1、2 m斷面路面沉降量最小，5、6 m斷面沉降量最大，10 m處斷面位于出洞口附近沉降量也較大。因此，在施工中應(yīng)引起注意。

圖12　“車道荷載”模式加載最終斷面沉降槽曲線

隧道開挖完成時刻隧道拱頂和拱頂相對應(yīng)路面點的最終沉降量如圖13所示。從圖13可以看出，在車道均布荷載作用下，路面沉降量和隧道沉降量均較為平緩；路面沉降最大值位于隧道出洞口正上方，隧道拱頂沉降在進洞口和出洞口均較大。因此，在施工中應(yīng)引起重視。

4結(jié)論及建議

1) 在沉降變形敏感區(qū)域進行淺埋暗挖法施工有先例可尋。隧道開挖后結(jié)構(gòu)基本能保持穩(wěn)定，圍巖變形量較小，位移變形值可控，結(jié)構(gòu)受力可控，因此在不中斷交通的情況下可實施暗挖作業(yè)。

圖13　“車道荷載”模式加載最終拱頂及路面縱向沉降量

2) 采用暗挖方式下穿道路技術(shù)上可行，但施工中應(yīng)嚴(yán)格限制掛車通行，避免隧道產(chǎn)生較大的變形，進而發(fā)生坍塌。

3) 隧道進出洞口處是施工的危險環(huán)節(jié)，進洞前有必要采用預(yù)加固處理措施，并建議隧道進出口應(yīng)盡快鎖口。

參 考 文 獻

[1]王玉鎖.砂質(zhì)土隧道圍巖力學(xué)參數(shù)及分級方法研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2]凌茂欽，王學(xué)倫.超淺埋暗挖大斷面隧道施工技術(shù)[J].經(jīng)濟前沿，2005(12)：10.

[3]章新生.順層軟弱圍巖洞口段施工技術(shù)初探[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005(2)：74-76.

[4]孫吉堂. 瑞峰隧道出口超淺埋暗挖施工技術(shù)[J] .鐵道建筑，1995(4)：27-30.

[5]蘇學(xué)清，齊之龍，郝玉生.青島某地下工程超淺埋暗挖段施工效應(yīng)分析[J] .巖石力學(xué)與工程學(xué)報，1999，18(4)：465-468.

[6]朱文鑫.淺談超淺埋暗挖隧道設(shè)計與施工技術(shù)——廈門市明發(fā)商業(yè)廣場嘉禾路地下行車通道工程施工總結(jié)[J].城市道橋與防洪，2008，12(12)：51-54.

[7]劉曉毅.復(fù)雜地質(zhì)條件下超淺埋暗挖隧道施工[J].山西建筑，2007，33(7)：340-350.

[8]中交第一公路勘察設(shè)計研究院.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[9]中國建筑科學(xué)研究院.GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[10]天津市政工程設(shè)計研究院.CJJ 11—2011城市橋梁設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)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

文章編號：1009-6477(2016)01-0100-05

中圖分類號：U455.4

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：王建華(1978-)，男，四川省安岳縣人，碩士，高工。

收稿日期：2015-10-08

基金項目：重慶市應(yīng)用開發(fā)項目(CSTC2013YYKFA30003)；重慶市科技攻關(guān)項目(CSTC2011AC6212)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.022