金春峰，張海軍，段艷芳，田 崗，郭起林，侯代敏，宋春雷

（1.中國電子工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100142； 2.中電投工程研究檢測評定中心有限公司，北京 100142）

1 工程概況

1.1 工程簡介

某城市擬建供水管線接駁工程位于兩條主干路交叉路口處，恰正交上穿位于該路段沿線的既有電力隧道，其中，擬建供水管線東西走向，既有電力隧道南北走向（見圖1）。擬建供水管線采用球墨鑄鐵管，壁厚7.2 mm，外徑0.3 m，埋深1.05 m，供水管線底部與既有電力隧道頂部在交叉點(diǎn)處的豎向凈距約0.95 m。既有電力隧道為現(xiàn)澆混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，初支和二襯厚度均為0.25 m，埋深2.3 m，橫斷面形狀為矩形，橫斷面尺寸（寬×高）為2.0 m×2.1 m（見圖2）。路面結(jié)構(gòu)層厚0.5 m，其中，面層為瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層，厚0.2 m，基層為石灰粉煤灰穩(wěn)定土層，厚0.3 m。

圖1 平面位置關(guān)系

圖2 剖面位置關(guān)系

1.2 地層地質(zhì)

經(jīng)過對現(xiàn)場鉆探、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)以及波速試驗(yàn)成果的綜合分析，該擬建場區(qū)地層可劃分為人工堆積層、新近沉積層、第四紀(jì)沉積層三大類，具體如下：

人工堆積層：①黏質(zhì)粉土～砂質(zhì)粉土素填土層，黃褐色，中密～密實(shí)，稍濕，含氧化鐵、植物根須、白灰渣、磚屑、碎石等，該層厚度為1.52 m～3.30 m。

新近沉積土層：②砂質(zhì)粉土～黏質(zhì)粉土層，黃褐色，密實(shí)，稍濕～濕，含云母、氧化鐵等，該層厚度為1.70 m～4.20 m，層底標(biāo)高介于14.78 m～21.05 m之間；②1粉質(zhì)黏土層，黃褐色，可塑～硬塑，濕～很濕，含云母、氧化鐵等，該層厚度為1.40 m～3.70 m。

第四紀(jì)沉積土層：③粉砂層，褐黃色～黃灰色，很濕，中密～密實(shí)，含云母、石英、長石、氧化鐵等；該層厚為1.30 m～6.50 m；③1粉質(zhì)黏土層，黃灰色，很濕，可塑～硬塑，含云母、氧化鐵等，該層厚為2.40 m～5.40 m；③2黏質(zhì)粉土～砂質(zhì)粉土層，黃灰色，稍濕，密實(shí)；含云母、氧化鐵等，該層厚為1.20 m～6.10 m。

2 供水管線溝槽施工方案

2.1 溝槽開挖

本工程供水管線主要采用明挖開槽方式施工，供水管線溝槽底寬1.2 m，頂寬2.0 m，平均挖深約1.6 m，如遇回填土或局部土質(zhì)松軟時(shí)可適當(dāng)加大坡度。此外，瀝青路面部分采用機(jī)械方式破除，路面以下土體部分采用人工方式挖除，以盡量降低施工擾動對周邊土體和既有電力隧道的影響。

2.2 溝槽回填

人工安管完畢后，應(yīng)及時(shí)對道路進(jìn)行土體回填和路面結(jié)構(gòu)層恢復(fù)?；靥顣r(shí)應(yīng)按照回填要求，進(jìn)行分層回填和碾壓夯實(shí)（見表1）。

表1 回填土要求

3 既有電力隧道現(xiàn)狀檢測

為了了解擬建供水管與既有電力隧道的交叉點(diǎn)處電力隧道的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，以便于評估供水管道施工對既有電力隧道的影響?，F(xiàn)對交叉點(diǎn)南北兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)的電力隧道進(jìn)行現(xiàn)狀檢測，檢測方向由南向北，即南端為檢測起點(diǎn)，北端為檢測終點(diǎn)，共60 m，主檢項(xiàng)目包括：外觀質(zhì)量、混凝土強(qiáng)度、鋼筋配置、保護(hù)層厚度以及隧道背后土層情況。

3.1 隧道結(jié)構(gòu)外觀檢查

通過對電力隧道外觀質(zhì)量及損傷情況進(jìn)行詳細(xì)檢查［1］，檢查結(jié)果表明：既有電力隧道結(jié)構(gòu)外觀整體質(zhì)量相對較好，僅局部存在一些損傷，如鋼筋銹蝕、微小裂縫和局部混凝土脫落等，詳見表2和圖3～圖6。

表2 電力隧道外觀質(zhì)量和損傷情況

圖3 鋼筋銹蝕

圖4 混凝土脫落

圖5 縱向裂縫

圖6 環(huán)向裂縫

3.2 混凝土強(qiáng)度檢測

利用混凝土回彈儀對電力隧道襯砌結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測［2-3］，每隔10 m抽取1個(gè)測點(diǎn)，共6個(gè)測點(diǎn)。由于電力隧道混凝土齡期為4 380 d，需對回彈值推定值進(jìn)行齡期修正，修正系數(shù)取0.96。因此，最終獲得電力隧道結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度修正值在31.1 MPa～34.8 MPa之間，達(dá)到C30強(qiáng)度等級要求（見表3）。

表3 電力隧道混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果

3.3 鋼筋配置和保護(hù)層厚度檢測

采用磁感儀對電力隧道二襯結(jié)構(gòu)鋼筋配置和鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行抽樣檢測［4］，測得電力隧道二襯結(jié)構(gòu)縱向鋼筋間距為195 mm～205 mm，環(huán)向鋼筋間距為145 mm～158 mm，鋼筋保護(hù)層厚度為22 mm～29 mm（見表4）。同時(shí)，剔鑿結(jié)果表明受力鋼筋直徑為14 mm。

表4 鋼筋配置情況

3.4 隧道背后土體探查分析

采用地質(zhì)雷達(dá)對電力隧道周圍土體狀況進(jìn)行探測［5-6］，獲取電力隧道頂?shù)装灞澈蟮刭|(zhì)雷達(dá)圖像，如圖7，圖8所示。探測結(jié)果表明：電力隧道頂板上部及底板下部土體分層較為穩(wěn)定，土層分界清晰，土層各層之間沒有明顯的位置變化和厚度變化，無空洞，土層連續(xù)，土體較為完好［7］。

圖7 隧道頂部土層雷達(dá)圖像

圖8 隧道底部土層雷達(dá)圖像

4 有限元建模

4.1 模型建立

結(jié)合擬建供水管線施工方案、電力隧道結(jié)構(gòu)特征以及區(qū)域地層狀況，運(yùn)用邁達(dá)斯有限元軟件［8］，建立三維有限元分析模型（見圖9），模型長×寬×高為40 m×40 m×12 m，自上而下分別為路面結(jié)構(gòu)層、填土層、新近沉積層和第四紀(jì)沉積層，均為三維實(shí)體單元，路面結(jié)構(gòu)層厚為0.5 m，填土層為1.5 m，新近沉積層厚為4 m，第四紀(jì)沉積層厚為6 m。此外，模型中擬建供水管道埋深1.05 m，直徑0.3 m，壁厚7.2 mm，為二維板單元；既有電力隧道埋深2.3 m，初支厚0.25 m，為三維實(shí)體單元，二襯厚0.25 m，為二維板單元。

圖9 三維分析模型

4.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)隧址區(qū)域現(xiàn)場地質(zhì)狀況、電力隧道及道路設(shè)計(jì)資料，對模型材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其中，路面、初支結(jié)構(gòu)、二襯結(jié)構(gòu)和球墨鑄鐵管取用彈性本構(gòu)，人工填土層、新近沉積土層和第四紀(jì)沉積土層取用摩爾-庫侖本構(gòu)。具體參數(shù)設(shè)置詳見表5。

表5 模型材料參數(shù)

4.3 邊界條件及荷載設(shè)置

1）邊界條件。

本模型對其底面采用X，Y，Z三方向鉸接約束，對其側(cè)面采用法向鉸接約束。

2）荷載設(shè)置。

本模型主要荷載包括自重荷載、車輛荷載以及施工擾動荷載等三種形式，為了保證電力隧道結(jié)構(gòu)的運(yùn)營安全，對荷載進(jìn)行最不利組合，具體如下：

a.工況一：1.2×自重+1.8×車輛荷載，主要用于分析車輛通過時(shí)對電力隧道的影響［9］。

b.工況二：1.5×自重，主要用于分析供水管施工過程中振動效應(yīng)對電力隧道的影響。

c.工況三：僅考慮自重，主要用于分析供水管道溝槽開挖對電力隧道變形的影響。

5 結(jié)果分析

5.1 承載力分析

1）彎矩模擬結(jié)果（見圖10～圖13）。

由圖10～圖13可以看出，在工況一條件下，XX方向（跨度方向）上電力隧道結(jié)構(gòu)最大正彎矩和最小負(fù)彎矩分別為8.76 kN·m和-13.11 kN·m，YY方向（長度方向）上電力隧道結(jié)構(gòu)最大正彎矩和最小負(fù)彎矩分別為2.22 k N·m和-2.67 kN·m；在工況二條件下，XX方向上電力隧道結(jié)構(gòu)最大正彎矩和最小負(fù)彎矩分別為10.65 kN·m和-16.01 kN·m，YY方向上電力隧道結(jié)構(gòu)最大正彎矩和最小負(fù)彎矩分別為2.53 kN·m和-3.24 kN·m（詳見表6）。因此，工況二比工況一對電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響更大，工況二下的荷載組合為最不利組合。

表6 電力隧道結(jié)構(gòu)彎矩有限元計(jì)算結(jié)果

圖10 工況一XX方向電力隧道彎矩云圖

圖11 工況一YY方向電力隧道彎矩云圖

圖12 工況二XX方向電力隧道彎矩云圖

圖13 工況二YY方向電力隧道彎矩云圖

2）承載力驗(yàn)算。

根據(jù)GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)承載力驗(yàn)算規(guī)定，同時(shí)考慮到電力隧道結(jié)構(gòu)跨度方向上彎矩遠(yuǎn)大于長度方向上彎矩，本文僅對電力隧道跨度方向上配筋進(jìn)行驗(yàn)算，求得最小配筋為210 mm2/m，而實(shí)際配筋為1 026 mm2/m，即電力隧道結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。

5.2 變形分析

供水管線溝槽開挖后及回填后電力隧道豎向變形見圖14，圖15。

圖14 溝槽開挖后電力隧道豎向變形

圖15 溝槽回填后電力隧道豎向變形

由圖14，圖15可以看出，在自重荷載作用下，供水管線溝槽開挖后電力隧道豎向變形量為0.286 mm，供水管線溝槽回填后電力隧道豎向變形量為0.014 mm，由此可見供水管線敷設(shè)施工對電力隧道變形影響不大。同時(shí)，根據(jù)《城市地下綜合管廊運(yùn)行維護(hù)及安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定結(jié)構(gòu)豎向變形控制值為20 mm。因此，擬建供水管線施工對電力隧道豎向變形擾動滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論及建議

文章通過分析供水管道施工方案和既有電力隧道現(xiàn)狀情況，建立了三維有限元分析模型，并考慮三種工況條件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明供水管線施工對既有電力隧道結(jié)構(gòu)安全影響整體上不大，電力隧道結(jié)構(gòu)承載力和豎向變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求。此外，考慮到既有電力隧道的現(xiàn)狀損傷情況和供水管道開槽施工對道路的破壞作用，為了保證電力隧道后續(xù)的使用安全，現(xiàn)給出以下建議：

1）應(yīng)及時(shí)對既有電力隧道結(jié)構(gòu)局部損傷部位進(jìn)行修復(fù)處理，以避免結(jié)構(gòu)損傷的擴(kuò)大化，影響電力隧道的后續(xù)使用性能。

2）道路開槽施工后，應(yīng)及時(shí)敷設(shè)供水管道，做好道路復(fù)原工作，尤其是做好道路結(jié)構(gòu)層的接縫處的銜接，以避免雨水沿接縫處下滲，降低道路及其下方土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，影響電力隧道長期結(jié)構(gòu)性能。

3）電力隧道周邊應(yīng)避免堆放大量土體、施工機(jī)械及相關(guān)材料設(shè)備等重物，以降低外部附加荷載對既有電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。