过河隧道最小安全埋置深度的探讨

2012-11-25杜冬冬

水科学与工程技术 2012年1期

杜冬冬

（中国市政工程华北设计研究总院第七设计研究院，天津300074）

延吉道220kV变电站改造电源线工程位于天津市北辰规划城区，电力电缆隧道穿越永定新河。永定新河是海河流域防洪体系中的主要行洪入海河道，其行洪能力直接关系到京津冀三省市的汛期安全，设计防洪标准为100a一遇，校核防洪标准为200a一遇。穿越处永定新河为两河三堤，北侧称北河，南侧称新引河，非汛期新引河还承担着输送引滦入津水的任务。过河电力电缆隧道拟采用非开挖顶管方式穿越，隧道断面为圆形，内径3.50m，壁厚0.32m，隧道段长978m，纵坡2.15%。电缆隧道结构设计使用年限100a，结构安全等级为一级［1］。

隧道由一节节混凝土预制管道构成，整个隧道置于河床面以下，当隧道埋深过小时，隧道的管节由于浮力作用会产生位移破坏，甚至发生局部或整体上浮，导致隧道管节之间的错台、位移或裂缝，乃至轴线偏位等现象，甚至会造成河水涌入，从而破坏隧道结构。当穿越河底埋深较浅时，该问题尤为突出，已经引起工程界的关注。但随着埋深加大，工程投资将会明显加大，为确定隧道最小安全埋置深度，本文结合河道的具体条件，用不同的理论分析方法进行探讨，以供类似工程借鉴。

众所周知，过河隧道埋深受多方因素影响，主要考虑河道清淤疏浚、水流冲刷、隧道管身的抗浮能力及冻土深度、温差等，处于地下的隧道，其冻土深度、温差一般不是控制条件，主要受前3项控制。

1 河道清淤疏浚深度的确定

根据河系防洪规划［2］，为满足行洪要求，永定新河从屈家店至海口，全河道进行清淤并扩挖，大张庄以上只清北河，建设项目穿越处河道规划清淤底高程为－0.5m，清淤底宽130m。现状永定新河北河河底高程为－1.2m，底宽130m，已满足规划要求。

新引河侧河道无规划清淤要求，但作为输送引滦入津水的重要通道，为保证水质，会定期清除表层底泥防止污染。建设项目穿越处新引河现状河底高程为－0.4m，河底淤泥厚度为0.50m，在设计隧道埋深时，考虑穿越处河道清淤深度为0.5m。

2 河道水流冲刷深度的确定

河道水流的冲刷深度根据河道的过水断面型式，按照滩地和主槽分别进行计算［3］。但本项目隧道穿越处永定新河滩地较小，且滩地高程与主槽底高程相差不大，故按主槽行洪的单河槽计算，穿越处河床土质为粘性土，主河槽冲刷计算公式为［4－5］：

式中 hp为一般冲刷后的最大水深（m）；hmc为河槽部分最大水深（m）；hc为河槽部分平均水深（m）；Bc为建筑物布置后河槽部分过水净宽（m）；Qc为布置建筑物后河槽部分通过的流量（m3/s）；A为单宽流量集中系数，A＝1.0～1.2；IL为冲刷范围内粘性土样的液性指数，在本公式中取值范围为0.16～1.19。

河床土层为全新统上组陆相冲积层，液性指数为0.52，河道设计过流量为1400m3/s，校核过流量为1800m3/s，冲刷计算结果见表1。

表1 永定新河冲刷深度计算成果

计算结果表明，河道行洪时，该段河道不冲刷，但表层不稳定淤泥层会冲走，永定新河北河现状淤泥层厚1.3m，则冲刷后河底高程为－2.5m，新引河现状淤泥层厚0.5m，则冲刷后河底高程为－3.0m。

3 满足隧道抗浮稳定要求的最小埋置深度

3.1 按规范要求确定埋置深度

根据《给水排水工程顶管技术规程》要求：穿越江河水底时，覆盖层最小厚度不宜小于外径的1.5倍，且不宜小于2.5m；在有地下水地区及穿越江河时，管顶覆盖层的厚度尚应满足隧道抗浮要求。本项目隧道外径为4.14m，据此计算覆盖层最小厚度为6.21m。

3.2 按刚体平衡法确定埋置深度

过河隧道由多节混凝土隧道构成，整个隧道位于河床以下的饱和土层中，隧道除受上部水体、土体作用下，还受水的浮力作用，隧道的受力状况如图1所示。笔者在隧道中长线上截取一个单位长度，通过计算单位长度上的浮力与上部土柱、水体等的重量平衡，估算最小上覆土层厚度。

单位长度管体上部土体有效重量为：

图1 隧道受力示意图

单位长度管体自重为：

单位长度管体环所受浮力为：

式中R为管片外径；r为管片内径；γc为管片重度；γs为土体饱和重度；γw为水的重度。由于土柱上水体受河道水位影响较大，对于北方的季节河道，多数情况下河道内无明水，为安全计本文忽略不计，取h＝0。

由力的平衡可知，隧道抗浮安全稳定系数：

式中K为抗浮安全系数。

计算得隧道埋深为6.11m时，可满足隧道的抗浮稳定要求。

3.3 按隧道应变趋势确定埋置深度

3.3.1 ANSYS模型构建

为进一步分析满足隧道抗浮稳定所需要的最小埋置深度，本文采用有限单元法，通过使用ANSYS计算软件模拟隧道在浮托力作用下管体的竖向应变，求解最小隧道抗浮深度。模型按照隧道穿越河道处纵剖面结构图的实际结构尺寸构建，模型横向延伸30m，竖向延伸30m。在划分网格时，为保证隧道模块生成的单元能够真实地反映隧道在河道底部所受周围土体的作用，根据隧道生成的网格比例划分周边的土体模块，依据地质勘察成果各土层分布较均匀，各层土体的物理力学指标详见表2，模型分层网格如图2所示。

表2 模型分层土体的物理力学指标

图2 模型分层网格化示意图

3.3.2 ANSYS分析过程

ANSYS分析即基于弹性力学的平衡方程，用有限元计算各节点的应力应变、位移量，结构分析符合平衡微分方程，在ANSYS的理论手册中给出了弹性力学的平衡微分方程：

式中δ为各面的正应力；τ为各面的剪应力；X、Y、Z分别为各轴向的内力。

模型设定隧道埋深初始值定为－10m，采用ANSYS中生死单元法逐步改变隧道的埋深，每次减少0.5m，逼近求解满足隧道抗浮稳定的最小埋深。

从整体隧道的模拟中可直观看出隧道整体所受作用，初始状态，即埋深－10m时，隧道以上土体、水柱的重量大于水对隧道的浮力作用，整体隧道有向下发生变形趋势；当隧道埋深为－5.0m时，隧道仍处于平衡状态，满足抗浮稳定要求；当埋深逐步减小到－4.5m时，发现隧道有向上浮起的趋势，说明此时的埋深不满足隧道的抗浮稳定。隧道管身上表面应力变化情况如图3所示，压应力突变点发生在埋深－5.0m处，此时的埋置深度并没有考虑安全系数，而现行规范在采用刚体平衡法确定埋置深度时均考虑了安全系数，若仍考虑抗浮安全系数1.2，按分层土体的平均容重计算，则隧道的最小安全埋置深度为5.96m。