杜冬冬

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院第七設(shè)計(jì)研究院，天津300074）

延吉道220kV變電站改造電源線工程位于天津市北辰規(guī)劃城區(qū)，電力電纜隧道穿越永定新河。永定新河是海河流域防洪體系中的主要行洪入海河道，其行洪能力直接關(guān)系到京津冀三省市的汛期安全，設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為200a一遇。穿越處永定新河為兩河三堤，北側(cè)稱北河，南側(cè)稱新引河，非汛期新引河還承擔(dān)著輸送引灤入津水的任務(wù)。過(guò)河電力電纜隧道擬采用非開(kāi)挖頂管方式穿越，隧道斷面為圓形，內(nèi)徑3.50m，壁厚0.32m，隧道段長(zhǎng)978m，縱坡2.15%。電纜隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100a，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)［1］。

隧道由一節(jié)節(jié)混凝土預(yù)制管道構(gòu)成，整個(gè)隧道置于河床面以下，當(dāng)隧道埋深過(guò)小時(shí)，隧道的管節(jié)由于浮力作用會(huì)產(chǎn)生位移破壞，甚至發(fā)生局部或整體上浮，導(dǎo)致隧道管節(jié)之間的錯(cuò)臺(tái)、位移或裂縫，乃至軸線偏位等現(xiàn)象，甚至?xí)斐珊铀咳?，從而破壞隧道結(jié)構(gòu)。當(dāng)穿越河底埋深較淺時(shí)，該問(wèn)題尤為突出，已經(jīng)引起工程界的關(guān)注。但隨著埋深加大，工程投資將會(huì)明顯加大，為確定隧道最小安全埋置深度，本文結(jié)合河道的具體條件，用不同的理論分析方法進(jìn)行探討，以供類似工程借鑒。

眾所周知，過(guò)河隧道埋深受多方因素影響，主要考慮河道清淤疏浚、水流沖刷、隧道管身的抗浮能力及凍土深度、溫差等，處于地下的隧道，其凍土深度、溫差一般不是控制條件，主要受前3項(xiàng)控制。

1 河道清淤疏浚深度的確定

根據(jù)河系防洪規(guī)劃［2］，為滿足行洪要求，永定新河從屈家店至?？冢拥肋M(jìn)行清淤并擴(kuò)挖，大張莊以上只清北河，建設(shè)項(xiàng)目穿越處河道規(guī)劃清淤底高程為－0.5m，清淤底寬130m?，F(xiàn)狀永定新河北河河底高程為－1.2m，底寬130m，已滿足規(guī)劃要求。

新引河側(cè)河道無(wú)規(guī)劃清淤要求，但作為輸送引灤入津水的重要通道，為保證水質(zhì)，會(huì)定期清除表層底泥防止污染。建設(shè)項(xiàng)目穿越處新引河現(xiàn)狀河底高程為－0.4m，河底淤泥厚度為0.50m，在設(shè)計(jì)隧道埋深時(shí)，考慮穿越處河道清淤深度為0.5m。

2 河道水流沖刷深度的確定

河道水流的沖刷深度根據(jù)河道的過(guò)水?dāng)嗝嫘褪?，按照灘地和主槽分別進(jìn)行計(jì)算［3］。但本項(xiàng)目隧道穿越處永定新河灘地較小，且灘地高程與主槽底高程相差不大，故按主槽行洪的單河槽計(jì)算，穿越處河床土質(zhì)為粘性土，主河槽沖刷計(jì)算公式為［4－5］：

式中 hp為一般沖刷后的最大水深（m）；hmc為河槽部分最大水深（m）；hc為河槽部分平均水深（m）；Bc為建筑物布置后河槽部分過(guò)水凈寬（m）；Qc為布置建筑物后河槽部分通過(guò)的流量（m3/s）；A為單寬流量集中系數(shù)，A＝1.0～1.2；IL為沖刷范圍內(nèi)粘性土樣的液性指數(shù)，在本公式中取值范圍為0.16～1.19。

河床土層為全新統(tǒng)上組陸相沖積層，液性指數(shù)為0.52，河道設(shè)計(jì)過(guò)流量為1400m3/s，校核過(guò)流量為1800m3/s，沖刷計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 永定新河沖刷深度計(jì)算成果

計(jì)算結(jié)果表明，河道行洪時(shí)，該段河道不沖刷，但表層不穩(wěn)定淤泥層會(huì)沖走，永定新河北河現(xiàn)狀淤泥層厚1.3m，則沖刷后河底高程為－2.5m，新引河現(xiàn)狀淤泥層厚0.5m，則沖刷后河底高程為－3.0m。

3 滿足隧道抗浮穩(wěn)定要求的最小埋置深度

3.1 按規(guī)范要求確定埋置深度

根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》要求：穿越江河水底時(shí)，覆蓋層最小厚度不宜小于外徑的1.5倍，且不宜小于2.5m；在有地下水地區(qū)及穿越江河時(shí)，管頂覆蓋層的厚度尚應(yīng)滿足隧道抗浮要求。本項(xiàng)目隧道外徑為4.14m，據(jù)此計(jì)算覆蓋層最小厚度為6.21m。

3.2 按剛體平衡法確定埋置深度

過(guò)河隧道由多節(jié)混凝土隧道構(gòu)成，整個(gè)隧道位于河床以下的飽和土層中，隧道除受上部水體、土體作用下，還受水的浮力作用，隧道的受力狀況如圖1所示。筆者在隧道中長(zhǎng)線上截取一個(gè)單位長(zhǎng)度，通過(guò)計(jì)算單位長(zhǎng)度上的浮力與上部土柱、水體等的重量平衡，估算最小上覆土層厚度。

單位長(zhǎng)度管體上部土體有效重量為：

圖1 隧道受力示意圖

單位長(zhǎng)度管體自重為：

單位長(zhǎng)度管體環(huán)所受浮力為：

式中R為管片外徑；r為管片內(nèi)徑；γc為管片重度；γs為土體飽和重度；γw為水的重度。由于土柱上水體受河道水位影響較大，對(duì)于北方的季節(jié)河道，多數(shù)情況下河道內(nèi)無(wú)明水，為安全計(jì)本文忽略不計(jì)，取h＝0。

由力的平衡可知，隧道抗浮安全穩(wěn)定系數(shù)：

式中K為抗浮安全系數(shù)。

計(jì)算得隧道埋深為6.11m時(shí)，可滿足隧道的抗浮穩(wěn)定要求。

3.3 按隧道應(yīng)變趨勢(shì)確定埋置深度

3.3.1 ANSYS模型構(gòu)建

為進(jìn)一步分析滿足隧道抗浮穩(wěn)定所需要的最小埋置深度，本文采用有限單元法，通過(guò)使用ANSYS計(jì)算軟件模擬隧道在浮托力作用下管體的豎向應(yīng)變，求解最小隧道抗浮深度。模型按照隧道穿越河道處縱剖面結(jié)構(gòu)圖的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸構(gòu)建，模型橫向延伸30m，豎向延伸30m。在劃分網(wǎng)格時(shí)，為保證隧道模塊生成的單元能夠真實(shí)地反映隧道在河道底部所受周?chē)馏w的作用，根據(jù)隧道生成的網(wǎng)格比例劃分周邊的土體模塊，依據(jù)地質(zhì)勘察成果各土層分布較均勻，各層土體的物理力學(xué)指標(biāo)詳見(jiàn)表2，模型分層網(wǎng)格如圖2所示。

表2 模型分層土體的物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 模型分層網(wǎng)格化示意圖

3.3.2 ANSYS分析過(guò)程

ANSYS分析即基于彈性力學(xué)的平衡方程，用有限元計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變、位移量，結(jié)構(gòu)分析符合平衡微分方程，在ANSYS的理論手冊(cè)中給出了彈性力學(xué)的平衡微分方程：

式中δ為各面的正應(yīng)力；τ為各面的剪應(yīng)力；X、Y、Z分別為各軸向的內(nèi)力。

模型設(shè)定隧道埋深初始值定為－10m，采用ANSYS中生死單元法逐步改變隧道的埋深，每次減少0.5m，逼近求解滿足隧道抗浮穩(wěn)定的最小埋深。

從整體隧道的模擬中可直觀看出隧道整體所受作用，初始狀態(tài)，即埋深－10m時(shí)，隧道以上土體、水柱的重量大于水對(duì)隧道的浮力作用，整體隧道有向下發(fā)生變形趨勢(shì)；當(dāng)隧道埋深為－5.0m時(shí)，隧道仍處于平衡狀態(tài)，滿足抗浮穩(wěn)定要求；當(dāng)埋深逐步減小到－4.5m時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道有向上浮起的趨勢(shì)，說(shuō)明此時(shí)的埋深不滿足隧道的抗浮穩(wěn)定。隧道管身上表面應(yīng)力變化情況如圖3所示，壓應(yīng)力突變點(diǎn)發(fā)生在埋深－5.0m處，此時(shí)的埋置深度并沒(méi)有考慮安全系數(shù)，而現(xiàn)行規(guī)范在采用剛體平衡法確定埋置深度時(shí)均考慮了安全系數(shù)，若仍考慮抗浮安全系數(shù)1.2，按分層土體的平均容重計(jì)算，則隧道的最小安全埋置深度為5.96m。

圖3 隧道埋深～應(yīng)力關(guān)系曲線

3.4 成果分析

綜上3種計(jì)算方法，滿足隧道抗浮穩(wěn)定要求的最小埋置深度的計(jì)算結(jié)果非常接近，其中現(xiàn)行規(guī)范略大，應(yīng)變趨勢(shì)法略小，但均在合理的計(jì)算偏差范圍內(nèi)，詳見(jiàn)表3。

表3 滿足隧道抗浮穩(wěn)定要求的最小埋置深度計(jì)算成果

4 隧道最小安全埋置深度

綜上分析計(jì)算，在滿足清淤、水流沖刷、管道抗浮等要求后，確定隧道最小安全埋置深度為8.01m，詳見(jiàn)表4。

表4 電力電纜隧道最小安全埋置深度

5 結(jié)語(yǔ)

延吉道220kV電力電纜隧道穿越永定新河的埋置深度，實(shí)際埋置深度采用了8.3m，較原規(guī)劃穿越深度提高了1.7m。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.延吉道220kV變電站全站改造電源線工程電力電纜隧道穿越永定新河防洪評(píng)價(jià)報(bào)告［R］.2011.

［2］中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.永定河系防洪規(guī)劃報(bào)告［R］.2009.

［3］JTJ062—91，公路橋位勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］馬文通，韓麗君，張海鳳.淺談柳林橋防洪評(píng)價(jià)工作［J］.天津科技，2009（2）.

［5］李會(huì)興，梁鳳建.南水北調(diào)中線天津干線工程交叉河渠沖刷深度計(jì)算［J］.海河水利，2009（5）.