引水河道水位升降對電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響

【摘要】

以某下穿引水河道段電力隧道為例，在進(jìn)行完電力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀檢測排查的基礎(chǔ)上，結(jié)合電力隧道設(shè)計(jì)資料和周邊地層地質(zhì)狀況，建立下穿引水河道段電力隧道三維分析模型，著重分析引水河道水位升降變化對電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。結(jié)果表明：在工況一高水位時(shí)，該段電力隧道結(jié)構(gòu)最小配筋為849 mm2/m，遠(yuǎn)小于實(shí)際設(shè)計(jì)配筋為2 545 mm2/m，滿足相關(guān)規(guī)范的承載力計(jì)算要求；在工況二高水位時(shí)，該段電力隧道結(jié)構(gòu)最大沉降變形為2.71 mm，滿足結(jié)構(gòu)變形要求。因此，該下穿引水河道段電力隧道結(jié)構(gòu)安全，引水河道水位變情況對其結(jié)構(gòu)影響不大。

【關(guān)鍵詞】引水河道； 電力隧道； 檢測； 水位變化； 安全

【中圖分類號(hào)】U456.3+3【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-05-26

［作者簡介］王雪晨（1991—），男，本科，工程師，從事隧道結(jié)構(gòu)施工管理工作。

1 工程概況

1.1 工程簡介

北京市某矩形電力隧道工程正交下穿南北向引水河道，其中，電力隧道埋深約9 m，引水河道深約5 m，河道底至電力隧道頂板的垂直距離約4 m。為了分析下穿引水河道段的矩形電力隧道結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀安全性能，通過對電力隧道展開現(xiàn)場檢測和調(diào)研，分析該段電力隧道結(jié)構(gòu)外觀、強(qiáng)度、配筋和周邊病害情況，并利用有限元分析軟件，研究引水河道水位升降對該段電力隧道結(jié)構(gòu)安全的影響。

1.2 電力隧道特征

該段電力隧道為混凝土襯砌結(jié)構(gòu)，其截面形狀為矩形，截面尺寸（寬×高）為2.6 m×1.9 m（圖1）。此外，有關(guān)設(shè)計(jì)資料還顯示，該電力隧道襯砌結(jié)構(gòu)層厚度為300 mm，隧道縱向和豎向鋼筋間距為100 mm。

1.3 引水河道特征

引水河道跨度為46 m，河床寬度為30 m，河道深度為5 m。受引水的實(shí)際需要，河道河水會(huì)發(fā)生升降變化，河水水位最低時(shí)為1.7 m，河水水位最高時(shí)為3.9 m，河道護(hù)坡坡率為1∶1.6，河床底部和河道護(hù)坡采用漿砌片石砌筑，漿砌片石層厚0.3 m，下部設(shè)置有防滲層，用于防止河道水體外滲（圖2）。

2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘探結(jié)果顯示，該場區(qū)除表層為人工填土外，其余主要由第四系全新統(tǒng)及上更新統(tǒng)沖洪積地層組成。由上至下分別為：

（1）人工填土（Qs）。電力隧道工程沿線在不同地段分別以堆積粉土、黏性土填土及雜填土為主，局部為種植土。該層層厚多為2～3 m，河道附近厚度達(dá)5 m左右。

（2）第四系全新統(tǒng)沖洪積地層。粉質(zhì)黏土層：該層土質(zhì)不均，以粉質(zhì)黏土、粉土互層形式分布，局部有機(jī)質(zhì)含量較高，夾少量粉砂層透鏡體。該層層厚一般2～4 m。中細(xì)砂層：以細(xì)砂為主，褐黃色，濕，偶見礫，密實(shí)，局部中密，揭露層厚一般2～4 m，局部達(dá)5 m。卵石層：局部為圓礫，雜色，濕～飽和，多為密實(shí)，上部局部呈中密狀，一般粒徑2～5 cm，勘探揭露最大粒徑約16 cm，亞圓形，中砂充填，偶含漂石，級(jí)配良好，卵石含量多為60%～70%。該層局部夾薄層中細(xì)砂透鏡體及黏性土薄層。該大層層厚多為15～18 m。

（3）第四系上更新統(tǒng)沖洪積地層。黏土層與中細(xì)砂1層互層：土質(zhì)不均，該層厚度多為1～2 m，局部近4 m。卵石層：雜色，飽和，密實(shí)，一般粒徑4～6 cm，鉆探揭露最大粒徑大于10 cm，亞圓形，偶含漂石，級(jí)配良好，中砂充填為主，卵石含量約55%～65%。局部夾密實(shí)狀砂層透鏡體，該大層揭露層厚約8～10 m。

3 隧道現(xiàn)狀檢測分析

為了解矩形電力隧道下穿引水河道段的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，現(xiàn)對交叉點(diǎn)兩側(cè)各30 m范圍內(nèi)的電力隧道進(jìn)行現(xiàn)狀檢測，檢測方向由西向東，即西端為檢測起點(diǎn)，東端為檢測終點(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［1-2］。

3.1 隧道外觀檢查

現(xiàn)對電力隧道外觀質(zhì)量及損傷狀況進(jìn)行檢測調(diào)查，結(jié)果表明：矩形電力隧道結(jié)構(gòu)外觀整體質(zhì)量較好，局部存在少量破損，諸如鋼筋局部裸露銹蝕、結(jié)構(gòu)裂縫和混凝土脫落等現(xiàn)象，如圖3所示。

3.2 混凝土強(qiáng)度檢測

為了掌握電力隧道混凝土現(xiàn)狀強(qiáng)度情況，現(xiàn)場通過使用混凝土回彈儀，采用回彈法對電力隧道混凝土強(qiáng)度進(jìn)行抽樣檢測，抽樣參考GB/T 50344-2004《建筑結(jié)構(gòu)檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合該電力隧道實(shí)際狀況，采用每10 m抽取一個(gè)測點(diǎn)的抽樣方式，現(xiàn)場回彈檢測均在干燥區(qū)域進(jìn)行。

同時(shí)，由于該電力隧道相對較為老舊，使用時(shí)間已達(dá)20年，故混凝土齡期已超過1 000天，參照GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，對該電力隧道混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行換算齡期修正，修正系數(shù)取0.92，經(jīng)修正后，其強(qiáng)度達(dá)到C20混凝土強(qiáng)度等級(jí)（表1）。

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襯砌結(jié)構(gòu)的鋼筋配置和鋼筋保護(hù)層厚度進(jìn)行抽樣檢測［4］，測得電力隧道襯砌結(jié)構(gòu)縱向鋼筋間距為98～104 mm，豎向鋼筋間距為98～103 mm，保護(hù)層厚度為25～28 mm（表2）。

3.4 隧道背后土體探測

運(yùn)用探地雷達(dá)方法對電力隧道頂板和底板后部的土體密實(shí)狀況進(jìn)行檢測［3-4］，以獲取電力隧道頂板和底板周邊土體雷達(dá)圖像特征（圖4）。結(jié)果表明：該電力隧道周邊土體相對較為密實(shí)，土層連續(xù)，介質(zhì)較為單一，僅局部存在少量強(qiáng)反射，可能是周邊水體侵入所致，對電力隧道整體結(jié)構(gòu)安全影響不大。

4 有限元仿真建模

4.1 仿真模型建立

結(jié)合該段矩形電力隧道結(jié)構(gòu)特征以及區(qū)域地層狀況，采用有限元軟件建模方法［5-6］，建立考慮河道與隧道的三維分析模型（圖5），模型長×寬×高為60 m×30 m×15 m，地層主要分為上下兩層，分別為人工填土層和全新統(tǒng)沖洪積地層，均采用三維實(shí)體單元，人工填土層層厚為5 m，全新統(tǒng)沖洪積地層層厚為10 m。此外，模型中河道護(hù)坡與河底結(jié)構(gòu)層厚0.3 m，為二維板單元；矩形電力隧道最大埋深9 m，與河道底部間距4 m，初支厚度為0.2 m，采用三維實(shí)體單元；二襯厚度為0.3 m，采用二維板單元。

4.2 材料參數(shù)設(shè)置

根據(jù)隧道區(qū)域范圍內(nèi)現(xiàn)場地質(zhì)情況及電力隧道設(shè)計(jì)資料，將模型材料參數(shù)進(jìn)行逐一設(shè)置。其中，初支結(jié)構(gòu)、二襯結(jié)構(gòu)、河道護(hù)坡及河底結(jié)構(gòu)層采用彈性本構(gòu)，人工填土層和全新統(tǒng)沖洪積地層采用摩爾庫倫本構(gòu)，具體參數(shù)如表3所示。

4.3 荷載工況及邊界條件

4.3.1 荷載工況

本計(jì)算模型主要荷載形式，包括建構(gòu)筑物自重荷載（恒載）和河水自重荷載（活載）兩種。其中，為了保證河道河水升降對電力隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全的影響，對電力隧道結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行承載力驗(yàn)算和變形分析，具體工況：

（1）工況一：1.2×恒載+1.4×活載，主要用于分析河水升降對電力隧道結(jié)構(gòu)承載力的影響。

（2）工況二：1.0×恒載+1.0×活載，主要用于分析河水升降對電力隧道結(jié)構(gòu)變形的影響。

4.3.2 邊界條件

本模型底面采用X、Y、Z三方向鉸接約束，側(cè)面采用法向鉸接約束（圖6）。

5 結(jié)果分析

5.1 隧道承載力分析

5.1.1 隧道結(jié)構(gòu)彎矩

由圖7和圖8可以看出，在工況一荷載條件下，當(dāng)河道處于低水位時(shí)，XX方向上電力隧道最大和最小彎矩分別為63.29 kN·m和-76.19 kN·m，YY方向上電力隧道最大和最小彎矩分別為16.58 kN·m和-25.87 kN·m；當(dāng)河道處于高水位時(shí)，XX方向上電力隧道結(jié)構(gòu)最大和最小彎矩分別為64.39 kN·m和-77.72 kN·m，YY方向上電力隧道結(jié)構(gòu)最大和最小彎矩分別為15.78 kN·m和-25.74 kN·m。因此，在XX方向上高水位時(shí)的電力隧道最大和最小彎矩比低水位的電力隧道最大和最小彎矩分別變化1.74%和2.03%，在YY方向上高水位時(shí)電力隧道最大和最小彎矩比低水位的電力隧道最大和最小彎矩分別變化-4.83%和-0.50%，整體上來說河道水位升降對電力隧道結(jié)構(gòu)承載力影響不大（表4）。

5.1.2 承載力驗(yàn)算

由于電力隧道跨度方向上彎矩遠(yuǎn)大于長度方向上彎矩，根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)承載力驗(yàn)算要求，可僅對電力隧道跨度方向上配筋進(jìn)行驗(yàn)算，即當(dāng)河道處于高水位時(shí)，最小配筋為849 mm2/m，而實(shí)際設(shè)計(jì)配筋為2 545 mm2/m，因此該段電力隧道結(jié)構(gòu)滿足承載力要求。

5.2 隧道變形分析

由圖9～圖11可以看出，在工況二荷載條件下，低水位時(shí)電力隧道最大沉降變形量為1.17 mm，高水位時(shí)電力隧道最大沉降變形量為2.71 mm。同時(shí)，參考GB 51354-2019《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)沉降控制值為20 mm。因此，水位升降對電力隧道沉降變形影響不大，其沉降量滿足要求。

6 結(jié)論及建議

本文為了分析下穿引水河道段電力隧道結(jié)構(gòu)安全狀況，通過現(xiàn)場檢測分析，獲取了電力隧道結(jié)構(gòu)外觀現(xiàn)狀、混凝土強(qiáng)度、鋼筋配置及周邊土體密實(shí)情況等信息。同時(shí)，借助有限元模擬手段，建立包含引水河道和電力隧道的三維有限元

模型，研究分析模型在工況一和工況二條件下的電力隧道承載性能和變形情況，相關(guān)結(jié)果表明在河道水體升降變化情況下，電力隧道結(jié)構(gòu)承載力和沉降變形均能滿足相關(guān)規(guī)范要求。此外，考慮到下穿引水河道段電力隧道結(jié)構(gòu)緊鄰引水河道下方，或多或少會(huì)受到周邊水體的侵入影響，因此建議：

（1）及時(shí)對電力隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)有滲漏點(diǎn)進(jìn)行堵漏修復(fù)，以避免水體進(jìn)一步侵入，影響電力隧道整體結(jié)構(gòu)安全性。

（2）加強(qiáng)電力隧道檢測，提高檢測頻率，定期進(jìn)行巡視檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)上報(bào)處理，以避免潛在隱患進(jìn)一步擴(kuò)大。

（3）加強(qiáng)對引水河道水位和電力隧道周邊地下水位變化監(jiān)測，以預(yù)防水位突然升降可能對電力隧道運(yùn)營安全的不利影響。

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