田 崗

（1.中國(guó)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(cè)評(píng)定中心有限公司，北京 100142）

0 引言

電力隧道作為一種相對(duì)高效、便捷、綠色的送電方式，已在我國(guó)許多大中型城市得到應(yīng)用與推廣，形成了少則幾百公里、多則上千公里的城市電力隧道敷設(shè)網(wǎng)，廣泛分布于城市地下空間，成為影響城市能源安全和經(jīng)濟(jì)命脈的重大工程基礎(chǔ)設(shè)施［1，2］。

電力隧道與地鐵、公路隧道、鐵路隧道相比，具有斷面面積小、斷面形式多、結(jié)構(gòu)埋深淺、易受外界環(huán)境影響等特點(diǎn)，屬于典型的小斷面淺埋隧道［3，4］。而早期人們對(duì)小斷面淺埋隧道，往往認(rèn)識(shí)不足、重視不夠，設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)選用相對(duì)較低，結(jié)構(gòu)形式常用埋深較淺的矩形磚混結(jié)構(gòu)。但隨著我國(guó)城市交通規(guī)模的逐年增大，城市交通線路與地下電力隧道線路相互交叉或并行情況增多，導(dǎo)致淺埋電力隧道極易在交通荷載的長(zhǎng)期碾壓作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)性疲勞損傷，并產(chǎn)生一系列的隧道病害連鎖反應(yīng)［5］，嚴(yán)重影響著城市電力隧道的運(yùn)營(yíng)安全，正逐步成為市政設(shè)施運(yùn)維養(yǎng)護(hù)中亟需解決的工程技術(shù)問(wèn)題。

目前，工程上針對(duì)隧道的檢測(cè)、評(píng)定及加固研究有很多，但側(cè)重點(diǎn)也多有不同，如王永東等［6］建立了基于病害關(guān)聯(lián)性的隧道襯砌狀況綜合評(píng)價(jià)模型；王志杰等［7］提出了較為完備的隧道加固整治措施；張素磊等［8］基于隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立了一種隧道襯砌結(jié)構(gòu)狀況分段式評(píng)定方法。上述研究雖然都是以隧道實(shí)際現(xiàn)狀為基礎(chǔ)加以展開(kāi)，但均未對(duì)隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀實(shí)際承載能力進(jìn)行定量的分析，也少有考慮外部車(chē)輛荷載的影響?；诖耍紤]到橫穿城市道路段電力隧道易受城市交通荷載的影響，借助巖土有限元模擬軟件，在充分考慮電力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，展開(kāi)橫穿城市道路段電力隧道結(jié)構(gòu)承載能力分析及加固技術(shù)研究，以期為今后類(lèi)似工程的結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)、鑒定及加固提供技術(shù)上的參考。

1 工程概況

北京市某橫穿城市主干道路段電力隧道建于 20 世紀(jì) 70 年代，其結(jié)構(gòu)形式為明挖磚混結(jié)構(gòu)（磚混邊墻+預(yù)制板），斷面形式為矩形，尺寸為 2 m×2 m，兩側(cè)磚墻厚度為 0.37 m，預(yù)制頂板與底板厚度為 0.2 m，埋深為 1.2 m，其中道路面層厚 0.2 m，基層厚 0.3 m，黏土層厚 0.7 m，如圖 1 所示。此外，該電力隧道周邊環(huán)境較為復(fù)雜，道路交通繁忙，車(chē)流量大，道路寬度約 48 m，主路為雙向 6 車(chē)道，兩側(cè)輔路為 2 車(chē)道。

圖1 電力隧道與地層結(jié)構(gòu)示意圖

2 隧道現(xiàn)狀檢測(cè)

2.1 損傷狀況

通過(guò)對(duì)該電力隧道橫穿道路段的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與檢測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)其病害形式主要表現(xiàn)為隧道預(yù)制頂板板底鋼筋的裸露與銹蝕，混凝土保護(hù)層的漲裂與剝落，以及隧道邊墻的開(kāi)裂與滲漏水現(xiàn)象（見(jiàn)圖 2），這些病害嚴(yán)重影響著該電力隧道后期的使用安全。

圖2 隧道結(jié)構(gòu)病害形式

2.2 材料強(qiáng)度

采用回彈法對(duì)該段電力隧道墻體砌筑用磚強(qiáng)度、砂漿強(qiáng)度和頂板混凝土強(qiáng)度分別進(jìn)行檢測(cè)［9，10］，具體檢測(cè)結(jié)果如表 1 所示。

表1 隧道材料檢測(cè)強(qiáng)度

2.3 鋼筋配置及混凝土碳化深度

通過(guò)鋼筋檢測(cè)儀和剔鑿檢測(cè)法［11］，測(cè)得該段電力隧道頂板和底板鋼筋間距為 96～103 mm，其中未銹蝕處鋼筋直徑為 14 mm，銹蝕處鋼筋直徑為 9～11 mm，鋼筋截面損失率達(dá) 38.27 %～58.67 %，且鋼筋銹蝕現(xiàn)象均發(fā)生于電力隧道頂板。此外，還測(cè)得鋼筋保護(hù)層厚度為 17～22 mm，混凝土碳化深度為 6.5～8 mm。

2.4 隧道周邊土體密實(shí)情況

為了查明該段電力隧道周邊土體密實(shí)程度，即電力隧道周邊是否存在隱伏性空洞和大范圍疏松區(qū)。利用探地雷達(dá)方法［12，13］測(cè)得：該段電力隧道背后土體分界清晰，各層之間沒(méi)有明顯的錯(cuò)層和厚度變化，整體地層較為完好、連續(xù)，且隧道背后無(wú)空洞和大范圍地層疏松現(xiàn)象（見(jiàn)圖 3）。

圖3 地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)

3 隧道結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定

3.1 荷載形式

由于該電力隧道橫穿城市道路，考慮到隧道結(jié)構(gòu)除承受周邊土壓力和結(jié)構(gòu)自重外，還要承擔(dān)道城市路交通荷載的影響。因此，對(duì)于該電力隧道結(jié)構(gòu)承載力的評(píng)定，根據(jù) JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》相關(guān)要求，來(lái)施加相應(yīng)的車(chē)輛荷載，如表 2 和圖 4 所示。同時(shí)，將該電力隧道結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定結(jié)果分為合格與不合格兩類(lèi)，如表 3 所示。

表2 車(chē)輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

圖4 車(chē)輛荷載分布圖

表3 電力隧道結(jié)構(gòu)承載力評(píng)定方法

3.2 有限元建模計(jì)算

3.2.1 模型建立

根據(jù)該段電力隧道實(shí)際地層特征和結(jié)構(gòu)形式，建立“車(chē)載-道路-電力隧道”多元耦合有限元模型，模型整體尺寸為 30 m×10 m×24 m，其中隧道尺寸 2 m×2 m×24 m，埋深 1.2 m，面層厚 0.2 m，基層厚 0.3 m，黏土層 0.7 m（見(jiàn)圖 5）。此外，面層、基層和黏土層設(shè)置為 3D 實(shí)體單元，隧道板和磚墻設(shè)置為 2D 板單元；邊界條件設(shè)置為底端三向約束，側(cè)向法向約束；本模型荷載按 1.2×自重+1.8×車(chē)輛荷載施加，其中車(chē)輛荷載主要考慮車(chē)輛后軸荷載對(duì)電力隧道影響。

圖5 電力隧道模型

3.2.2 材料參數(shù)

通過(guò)參考電力隧道設(shè)計(jì)和工程勘察資料，并結(jié)合電力隧道現(xiàn)狀情況，本電力隧道模型相關(guān)材料參數(shù)如表 4 所示。

表4 材料參數(shù)

3.2.3 不同工況隧道內(nèi)力分析

為了較為全面地分析車(chē)輛通過(guò)電力隧道上方道路時(shí)，對(duì)電力隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。充分考慮了車(chē)輛通過(guò)數(shù)量、車(chē)輛與車(chē)輛以及車(chē)輛與電力隧道的相互位置關(guān)系，共建立 9 種電力隧道靜力分析模型（見(jiàn)圖 6），由此可獲取各工況條件下隧道頂?shù)装搴瓦厜?nèi)力情況，其中該段電力隧道最不利斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖 7 和圖 8 所示。

圖6 各工況模型

由圖 7 和圖 8 可以看出，該段電力隧道在 1.2×自重+1.8×車(chē)輛荷載作用下，隧道頂板和底板最大彎矩均出現(xiàn)在工況六條件下，彎矩值分別為 32.44 kN·m/m 和 31.50 kN·m/m；隧道邊墻最大剪力出現(xiàn)在工況四條件下，剪力值為 22.78 kN/m。此外，隨著車(chē)輛荷載差異和位置變化，電力隧道頂板、底板和邊墻內(nèi)力均產(chǎn)生了一定的改變，其中隧道頂板受車(chē)輛荷載影響最為明顯，內(nèi)力變化幅度最大，因此在進(jìn)行電力隧道檢測(cè)與鑒定時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注隧道頂板的結(jié)構(gòu)安全性能。

圖7 電力隧道頂?shù)装鍙澗胤植?/p>

圖8 電力隧道邊墻剪力分布

3.3 承載能力分析

3.3.1 頂?shù)装迮浣罘治?/p>

電力隧道頂板和底板屬于受彎構(gòu)件，根據(jù) GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相應(yīng)計(jì)算公式，如式（1）所述。

式中：As為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積，mm2/m；ζ為相對(duì)受壓區(qū)高度，mm；α1為系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；b為矩形截面高度，mm；h0為截面有效高度，mm；fy為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2。

結(jié)合電力隧道頂板和底板彎矩模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)該段電力隧道頂板與頂板展開(kāi)配筋計(jì)算，求得電力隧道頂板和底板計(jì)算配筋分別為 729 mm2/m 和 707 mm2/m，電力隧道頂?shù)装逶O(shè)計(jì)配筋均為 1 539 mm2/m，即原設(shè)計(jì)滿足配筋要求；但考慮到電力隧道鋼筋銹蝕情況，則其現(xiàn)狀配筋為 636～950 mm2/m，即部分隧段頂板不滿足配筋要求，電力隧道存在一定的安全隱患。

3.3.2 邊墻抗剪承載力分析

電力隧道左右邊墻屬于受剪構(gòu)件，根據(jù) GB 50003-2011《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相應(yīng)計(jì)算公式，如式（2）所述。

式中：V為剪力設(shè)計(jì)值，kN；A為水平截面面積，m2；fv砌體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，kN/m2；α為修正系數(shù)；μ為剪壓復(fù)合受力影響系數(shù)；σ0為永久荷載設(shè)計(jì)值產(chǎn)生的水平截面平均壓應(yīng)力，kN/m2。

結(jié)合電力隧道邊墻材料強(qiáng)度實(shí)測(cè)結(jié)果，求得該段電力隧道邊墻抗剪承載力為46.8kN/m，而模型中電力隧道邊墻剪力最不利計(jì)算結(jié)果為22.78kN/m，即電力隧道邊墻滿足抗剪承載力要求。

4 隧道加固

4.1 加固方案

根據(jù)電力隧道病害檢測(cè)結(jié)果和承載力評(píng)定結(jié)果，可知該電力隧道主要存在混凝土開(kāi)裂脫落、鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)滲漏水以及隧道頂板承載力不足等現(xiàn)象。針對(duì)上述問(wèn)題，本文電力隧道考慮采用局部病害修補(bǔ)和整體結(jié)構(gòu)加固綜合治理方案，具體修補(bǔ)和加固的施工工藝為：剔鑿松動(dòng)混凝土→去除鋼筋表面銹蝕→涂覆面漆→原隧道抹敷聚合物砂漿層→施加框架鋼梁，其中聚合物砂漿層厚 8 mm，框架鋼梁采用 HW100×100×6×8 型號(hào) Q235 鋼材，如圖 9 所示。

圖9 電力隧道加固情況（單位：cm）

4.2 加固效果

根據(jù)電力隧道加固方案進(jìn)行有限元建模，并對(duì)模型施加未加固時(shí)相同的車(chē)輛荷載工況，求得電力隧道加固后在各工況條件下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力情況，具體結(jié)果如圖 10～12 和表 5 所示。

圖10 隧道加固后頂?shù)装鍙澗胤植?/p>

表5 電力隧道加固前后內(nèi)力比較

電力隧道加固后，其在 1.2×自重+1.8×車(chē)輛荷載作用下，電力隧道頂板和底板最大彎矩分別為 25.26 kN·m/m 和 31.74 kN·m/m，與電力隧道加固前相比最大彎矩分別降低 22.13 % 和升高 0.76 %，計(jì)算配筋量分別為 560 mm2/m 和 713 mm2/m，即滿足電力隧道現(xiàn)狀配筋要求。同時(shí)，加固后電力隧道左右邊墻所承受最大剪力分別降低 7.02 % 和 6.20 %，為 21.18 kN/m和 19.38 kN/m，均小于抗剪承載力設(shè)計(jì)值 46.8k N/m，滿足抗剪承載力要求。此外，H 型鋼框架鋼梁最大應(yīng)力為 33.73 MPa，遠(yuǎn)小于 Q235 鋼材屈服強(qiáng)度。因此，整體來(lái)看，加固后電力隧道受力特征得到了明顯改善，能夠滿足橫穿城市道路段電力隧道繼續(xù)安全使用的要求，電力隧道取得了良好的加固治理效果。

圖11 電力隧道加固后邊墻剪力分布

圖12 H 型鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北京市某橫穿城市道路段電力隧道結(jié)構(gòu)的檢測(cè)與分析，全面掌握了該段電力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀情況，如隧道病害形式、結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度、混凝土碳化深度、鋼筋配置以及隧道周邊土體密實(shí)程度等一系列安全技術(shù)指標(biāo)，從而為電力隧道結(jié)構(gòu)安全性分析及鑒定提供了有效的技術(shù)資料。同時(shí)，在對(duì)該電力隧道進(jìn)行安全性分析時(shí)，采用 1.2×自重+1.8×車(chē)輛荷載的作用形式，借助有限元軟件建立電力隧道三維分析模型，分析了單、雙車(chē)輛的 9 種位置工況對(duì)電力隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)狀條件下電力隧道頂板結(jié)構(gòu)承載能力不足，存在著很大的安全隱患。針對(duì)此問(wèn)題，提出了局部病害修補(bǔ)和整體結(jié)構(gòu)加固綜合治理方案，并經(jīng)由有限元方法加以結(jié)構(gòu)安全驗(yàn)算，結(jié)果表明該加固方案可使電力隧道頂板彎矩降低 22.13 %，滿足結(jié)構(gòu)承載力要求，取得了較為良好的加固治理效果，可為今后類(lèi)似工程的開(kāi)展提供一定的參考。Q