田 崗

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

0 引言

電力隧道作為一種相對高效、便捷、綠色的送電方式，已在我國許多大中型城市得到應用與推廣，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)濟命脈的重大工程基礎設施［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，屬于典型的小斷面淺埋隧道［3，4］。而早期人們對小斷面淺埋隧道，往往認識不足、重視不夠，設計和施工標準選用相對較低，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，導致淺埋電力隧道極易在交通荷載的長期碾壓作用下發(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［5］，嚴重影響著城市電力隧道的運營安全，正逐步成為市政設施運維養(yǎng)護中亟需解決的工程技術問題。

目前，工程上針對隧道的檢測、評定及加固研究有很多，但側(cè)重點也多有不同，如王永東等［6］建立了基于病害關聯(lián)性的隧道襯砌狀況綜合評價模型；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)場檢測數(shù)據(jù)，建立了一種隧道襯砌結(jié)構(gòu)狀況分段式評定方法。上述研究雖然都是以隧道實際現(xiàn)狀為基礎加以展開，但均未對隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀實際承載能力進行定量的分析，也少有考慮外部車輛荷載的影響?；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)狀的基礎上，展開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研究，以期為今后類似工程的結(jié)構(gòu)安全檢測、鑒定及加固提供技術上的參考。

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 70 年代，其結(jié)構(gòu)形式為明挖磚混結(jié)構(gòu)（磚混邊墻+預制板），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)境較為復雜，道路交通繁忙，車流量大，道路寬度約 48 m，主路為雙向 6 車道，兩側(cè)輔路為 2 車道。

圖1 電力隧道與地層結(jié)構(gòu)示意圖

2 隧道現(xiàn)狀檢測

2.1 損傷狀況

通過對該電力隧道橫穿道路段的現(xiàn)場調(diào)查與檢測分析，發(fā)現(xiàn)其病害形式主要表現(xiàn)為隧道預制頂板板底鋼筋的裸露與銹蝕，混凝土保護層的漲裂與剝落，以及隧道邊墻的開裂與滲漏水現(xiàn)象（見圖 2），這些病害嚴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 材料強度

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

表1 隧道材料檢測強度

2.3 鋼筋配置及混凝土碳化深度

通過鋼筋檢測儀和剔鑿檢測法［11］，測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 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，還測得鋼筋保護層厚度為 17～22 mm，混凝土碳化深度為 6.5～8 mm。

2.4 隧道周邊土體密實情況

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

圖3 地質(zhì)雷達探測

3 隧道結(jié)構(gòu)承載力評定

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，還要承擔道城市路交通荷載的影響。因此，對于該電力隧道結(jié)構(gòu)承載力的評定，根據(jù) JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》相關要求，來施加相應的車輛荷載，如表 2 和圖 4 所示。同時，將該電力隧道結(jié)構(gòu)承載力評定結(jié)果分為合格與不合格兩類，如表 3 所示。

表2 車輛荷載的主要技術指標

圖4 車輛荷載分布圖

表3 電力隧道結(jié)構(gòu)承載力評定方法

3.2 有限元建模計算

3.2.1 模型建立

根據(jù)該段電力隧道實際地層特征和結(jié)構(gòu)形式，建立“車載-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（見圖 5）。此外，面層、基層和黏土層設置為 3D 實體單元，隧道板和磚墻設置為 2D 板單元；邊界條件設置為底端三向約束，側(cè)向法向約束；本模型荷載按 1.2×自重+1.8×車輛荷載施加，其中車輛荷載主要考慮車輛后軸荷載對電力隧道影響。

圖5 電力隧道模型

3.2.2 材料參數(shù)

通過參考電力隧道設計和工程勘察資料，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輛通過電力隧道上方道路時，對電力隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。充分考慮了車輛通過數(shù)量、車輛與車輛以及車輛與電力隧道的相互位置關系，共建立 9 種電力隧道靜力分析模型（見圖 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，其中隧道頂板受車輛荷載影響最為明顯，內(nèi)力變化幅度最大，因此在進行電力隧道檢測與鑒定時，應重點關注隧道頂板的結(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)設計規(guī)范》中相應計算公式，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為相對受壓區(qū)高度，mm；α1為系數(shù)；fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2；b為矩形截面高度，mm；h0為截面有效高度，mm；fy為鋼筋抗拉強度設計值，N/mm2。

結(jié)合電力隧道頂板和底板彎矩模擬計算結(jié)果，對該段電力隧道頂板與頂板展開配筋計算，求得電力隧道頂板和底板計算配筋分別為 729 mm2/m 和 707 mm2/m，電力隧道頂?shù)装逶O計配筋均為 1 539 mm2/m，即原設計滿足配筋要求；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)設計規(guī)范》中相應計算公式，如式（2）所述。

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

結(jié)合電力隧道邊墻材料強度實測結(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)電力隧道病害檢測結(jié)果和承載力評定結(jié)果，可知該電力隧道主要存在混凝土開裂脫落、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。針對上述問題，本文電力隧道考慮采用局部病害修補和整體結(jié)構(gòu)加固綜合治理方案，具體修補和加固的施工工藝為：剔鑿松動混凝土→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 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行有限元建模，并對模型施加未加固時相同的車輛荷載工況，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，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計值 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力為 33.73 MPa，遠小于 Q235 鋼材屈服強度。因此，整體來看，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)應力

5 結(jié)語

通過對北京市某橫穿城市道路段電力隧道結(jié)構(gòu)的檢測與分析，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)材料強度、混凝土碳化深度、鋼筋配置以及隧道周邊土體密實程度等一系列安全技術指標，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資料。同時，在對該電力隧道進行安全性分析時，采用 1.2×自重+1.8×車輛荷載的作用形式，借助有限元軟件建立電力隧道三維分析模型，分析了單、雙車輛的 9 種位置工況對電力隧道結(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。針對此問題，提出了局部病害修補和整體結(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，可為今后類似工程的開展提供一定的參考。Q