大管径大推力热力山岭隧道关键技术研究

路美丽

(中铁第五勘察设计院集团有限公司， 北京 102600)

0 引言

随着我国城市冬季供暖需求的不断增加，在节约能源、保护环境、社区管理、提高城市生活质量及降低生活费用等方面有着显著优越性的城市集中供热得到了长足的发展。城市集中供热管线一般分为地下敷设和地上敷设2种方式。近年来，伴随着首都城市建设步伐的加快，热力外线工程规模不断扩大，受城市环境条件制约和环保意识的增强，60%以上热力管网以地下暗挖方式敷设为主[1]。热力管网的日常维护和检修等要求[2]使得城市热力管网的埋深一般都不大，而浅埋暗挖法[3-4]对道路交通、城市居民出行和城市环境影响最小，在热力管网的实际工程中得到了大量的应用[5-7]。董淑棉[1]在北土城路热力外线工程实例研究中，通过数值模拟和工程实例验证了热力管径为DN1 000 mm、单管固定支架推力不超过2 200 kN的管道支架在内净空为4.4 m×2.8 m的浅埋暗挖隧道内设置的可行性和安全性； 王宽等[8]研究了复杂环境下热力管径为DN1 400 mm的热力管道在内净空为6.6 m×5.67 m的浅埋暗挖隧道内施工方案的选择； 白旭峰等[9]采用有限元方法对隧道内敷设DN1 400 mm热力管道承受最大水平推力为7 500 kN的固定支架设计方案进行了可行性分析； 陈霞等[10]结合工程实例，对某穿山隧道内敷设管径为DN1 420 mm的热力管道采用应力分析计算得到了支架类型的优化措施； 张玉成[11]采用有限元分析技术对浅埋暗挖热力隧道结构内力进行了分析研究； 陈新栋[12]、肖玮[13]采用理论分析和数值模拟得到了热力隧道内固定支架的作用机制、固定支架处隧道结构与土体在大推力情况下的共同作用及隧道结构的抗滑移效果等。已有的热力隧道工程实例主要从管道支架的结构设计方案、暗挖大断面隧道施工技术、供水管道支架类型优化、管道支架作用机制及管道支架与隧道结构相互作用等方面进行了研究，其热力管道工程一般埋深较小，管道公称直径以不大于1 000 mm为主，管道固定支架推力一般不超过2 200 kN，隧道断面均较小，暗挖隧道距离较短。而对于埋深大、暗挖距离长、大管径、大推力、大断面等多因素综合的热力隧道设计方案研究较少。本文以北京市重点工程之一——西北热电中心配套热网电厂至长安街西延热力管线工程中的穿山隧道为例，分析研究埋深加大和暗挖距离加长情况下热力管道工程的综合维护系统方案、大管径和大推力情况下管道支架及大断面隧道的支护设计方案。

1 工程概况

西北热电中心配套热网电厂至长安街西延热力管线工程，是北京市重点工程之一。该工程由热电厂南侧沿规划四路向西敷设至规划一路，向南至高井路，由北向南穿过四平山至阜石路，经首钢规划新区至长安街西延，管线全长约7 320 m。为减少施工对广宁村居民的影响，减少拆迁量，减小投资，四平山至阜石路段管网采取了山岭隧道的敷设方式。

本山岭隧道长1 650 m，位于北京市西部浅山区的丘陵地带，自北向南下穿了四平山和黑头山后至阜石路辅路终止。根据工艺要求，隧道洞内敷设2根DN1 400 mm的热力管道，设13处固定支架和42处导向支架及若干滑动支架，其中3处单根管道固定支架的轴向推力达3 000 kN以上，最大1处轴向推力达到4 400 kN。隧道设计断面内轮廓分标准断面和安装补偿器(小室)断面，衬砌断面根据围岩级别和工艺要求设计有11种衬砌类型。最大开挖宽度为11.44 m，最大开挖高度为8.89 m，隧道开挖面积为67.14～78.08 m2。

2 综合系统方案

暗挖山岭隧道场区地形起伏较大，整体地形呈M形，隧道最大埋深约为110 m，除中间位置地形高差为20～30 m外，其他地形高差为50～110 m。热力隧道纵断面如图1所示。暗挖隧道距离长、高差大，不具备常规热力隧道要求的检查井、事故人孔及安装孔等的设置条件，从而无法满足常规热力管沟自然通风的条件，也无法满足日常维护和检修的要求。为解决工作人员进入隧道内工作时空气温度不超过40 ℃的要求及热力管道日常检修维护和大直径管道的更换运输等，提出集送排风、消防给排水、照明、视频监控、轨道车辆和BAS系统于一体的综合设计系统，并将该系统统一于隧道两端和中部的3处管理用房内，满足了隧道通风、变配电、监控设备的布置及管理人员的值班等。主要设计要点如下。

图1 热力隧道纵断面

1)充分利用地形特点，采用隧道埋深最小的中间山坳处设出风口，隧道两端设进风口，形成自然通风；同时根据通风专业要求并结合管理用房平面布置(见图2)，在隧道进出口和中部的管理用房内设置3处通风竖井，通过在隧道内布置射流风机形成强制通风，从而实现自然通风与机械通风的结合，保障了管道运行期间维护人员的安全。

图2 热力隧道平面

2)结合地形情况和功能要求，提出了增设轨道系统并对隧道一端基坑结构进行了预留洞门的设计，便于轨道车的进入，打破了热力隧道采用设置检查井进行吊装的常规设计。热力隧道轨道运输系统如图3所示。保障了日常维护工作人员在隧道内的快速检修和后期管道快速更换的需求。

(a) 隧道内轨道系统

3)为解决热力管道的安全运营，提出了包含隧道内通风设备监控、给排水设备监控及温湿度监测的隧道BAS监控系统。主要对通风空调系统中排风机、送风机、空调处理机组的监控及给排水系统中各种潜污泵、排污泵的监控，确保了隧道的安全运营和日常维护。

3 隧道结构内轮廓

根据隧道内安装DN1 400 mm供水管和回水管各1根的工艺要求，隧道内轮廓的拟定应考虑管道安装、检修车通行轨道及通风设备等因素，结合隧道穿越地层主要为人工堆积土、粉质黏土、砂岩、煤系地层和玄武岩的工程地质情况，提出在热力隧道内采用曲墙带仰拱的断面型式。按照标准断面和安装补偿器(小室)断面2种内轮廓设计，内轮廓尺寸分别为820 cm×635 cm和940 cm×635 cm。标准断面内轮廓如图4所示。小室断面内轮廓如图5所示。

图4 标准断面内轮廓(单位： cm)

图5 小室断面内轮廓(单位： cm)

4 管道支架方案

与常规山岭隧道相比，热力隧道设计的最大难点为隧道内每隔一定距离需设置1处固定支架或导向支架。本隧道设固定支架13处(每处供、回水管各1根)，其中，位于隧道两端和中部的3处固定支架的轴向推力均超过3 000 kN。最大1处轴向推力F轴=4 401 kN，侧向推力F侧=300 kN，其余支架最大轴向推力均小于500 kN。隧道内设导向支架42处(每处供、回水管各1根)，供水管轴向推力F供轴=59 kN，侧向推力F供侧=196.6 kN； 回水管轴向推力F回轴=54.7 kN，侧向推力F回侧=182.2 kN。目前，已建成的热力工程中大推力支架较少，一般埋深较小且开挖面较多，因此施工中一般采用支架现场安装完成后再采用简易台车进行二次衬砌浇筑的方式。但在长距离、埋深大、开挖断面较大的山岭隧道中，支架现场安装后将大大影响模板台车、防水板安装台车等机械化设备的使用，从而大大影响施工质量和施工进度，而待隧道全部开挖完成初期支护后再进行支架安装和二次衬砌浇筑也将大大影响施工安全。为解决在保证施工安全和施工质量的前提下加快施工进度的问题，首次在热力隧道中提出3处大推力固定支架采用现场整体安装后再浇筑混凝土，其他支架采用在二次衬砌混凝土中预埋顶底部钢板、待隧道贯通后再安装支架立柱和横梁的方式。

4.1 支架结构设计原理

依据管道支架设计的基本原则和规范要求[14]，在设计管道支架时，应对支架自身的抗弯强度和抗剪强度、支架挠度及支架嵌固处隧道混凝土的局部受压强度和整体稳定性进行验算，验算时一般将支架简化为如图6所示的简支结构。考虑到质量小、易于维修、便于施工等方面，设计中考虑了隧道支架尽量采取较少的断面形式。

F为支架立柱所承受热力管道的推力，可分为Fx、Fy，N； a、b为推力作用点距简支支座的距离，m； l为支架立柱的长度，m。

4.1.1 支架强度验算

1)支架抗弯强度应满足式(1)的要求。

(1)

式中：δ为弯矩产生的截面应力，N/mm2；Mx、My为支架沿x、y方向所受的弯矩，kN·m；Wx、Wy为根据支架立柱横截面形状计算的沿x、y方向的截面抵抗矩，mm3； [δ]为立柱截面采用钢材材料的设计抗弯应力值，N/mm2。

2)支架抗剪强度应满足式(2)的要求。

(2)

4.1.2 支架挠度验算

支架挠度ωmax应满足式(3)[15]的要求。

ωmax≤[ω]；

(3)

(4)

式(3)—(4)中：ωmax为支架立柱受到推力后的最大挠度值，mm；E为支架立柱材料的弹性模量，N/mm2；I为支架立柱横截面的截面惯性矩，mm4；l1为推力F作用点至简支支座的较大距离，即a、b中的大值；l2为推力F作用点至简支支座的较小距离，即a、b中的小值； [ω]为支架立柱的允许挠度，mm。

4.1.3 混凝土局部受压验算

支架立柱端部嵌入隧道二次衬砌中，支架立柱受力后会对嵌入部分的混凝土产生挤压，支架立柱端部的剪力应按式(5)进行验算，防止衬砌混凝土结构产生破坏。

V0≤[V] ；

(5)

V0=V+VM；

(6)

(7)

[V]=1.35βcβlfcA。

(8)

式(5)—(8)中：V0为支架立柱端部所受的剪力和，N；V为支架立柱最危险截面的剪力，N；VM为假定支架立柱端部为固定端，由该处弯矩产生的剪力，N；h0为支架立柱插入混凝土的长度，m； [V]为混凝土局部受压面上的抗压设计值，N；βc为混凝土强度影响系数，当混凝土强度等级不超过C50时，取1.0，当混凝土强度等级为C80时，取0.8，其间按线性内插法确定；βl为混凝土局部受压时的强度提高系数；fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2；A为受压混凝土的面积，mm2。

4.1.4 支架处整体滑移稳定性验算

由于支架处将热力管道产生的推力通过支架传递给隧道二次衬砌，在设置支架处，普通隧道衬砌结构的厚度较小，无法满足支架立柱端部的插入要求与受力验算，因此设计对支架前后一定段落范围内的二次衬砌结构进行加厚，并按照《城镇供热管网结构设计规范》[14]对支架段落的整体滑移稳定性进行验算。

4.2 大推力固定支架

大推力固定支架处结构横断面和纵断面如图7所示。大推力固定支架立柱和横梁截面如图8所示。固定支架柱和横梁在设计中均视为双向受弯构件，采用焊接组合矩形截面。支架上端④和下端⑤采用和顶拱(仰拱)同样弧度的槽钢[16a；中间立柱①和②及横梁③均采用30 mm厚Q345钢焊接二次衬砌，尺寸分别为750 mm×450 mm和750 mm×250 mm； 立柱两端的端部采用封板ⓐ、ⓑ、ⓒ、ⓓ满焊，封板厚度为14 mm，封板平面尺寸为立柱边缘外延20 mm。考虑到山岭隧道的特殊环境，根据《城镇供热管网结构设计规范》[14]对支架所有外露铁件均进行防腐处理，支架立柱根部采用混凝土包裹，包裹的混凝土高出底板30 cm，保护层厚度为5 cm； 固定支架12 m范围内在保证二次衬砌净空不变的情况下，加大隧道结构初期支护的内净空，即增加二次衬砌厚度以保证支架推力能够直接、可靠地传递给隧道初期支护且不破坏防水板。

(a) 横断面

(a) ①和②截面

4.3 一般推力支架

除以上3处较大推力固定支架外，其余固定支架和导向支架均采用顶部预埋钢板和锚筋(预埋钢板与锚筋采用穿孔塞焊)，然后再浇筑二次衬砌混凝土，仰拱填充过程中按照设计里程、厚度、宽度预留支架底板抗滑移条后浇带，待支架施作完成后再进行后浇带的浇筑。设计中根据具体的截面尺寸和推力大小，经计算分别考虑合理的支架形式和尺寸，标准段固定支架处(F轴=406 kN、F侧=250 kN)、小室段固定支架处(F轴=115 kN、F侧=55 kN)及标准段导向支架(F供轴=59 kN、F供侧=196.6 kN，F回轴=54.7 kN、F回侧=182.2 kN)处对应的横纵断面示意如图9—11所示。3种断面的区别主要在于横梁的根数、供回水管支架在纵向上的错开距离及二次衬砌加厚长度及立柱是否设置斜撑等方面，这些参数均与支架的功能和承担的推力有关。

5 隧道结构支护参数

5.1 支护参数确定原则

热力隧道内设置支架的段落，为确保支架推力能够直接、可靠地传递给隧道初期支护且不破坏防水板，一般采用在支架处一定长度隧道范围内加大隧道初期支护结构的内净空同时保证二次衬砌结构内净空不变，从而相应增加二次衬砌结构厚度的办法解决。这样处理一方面可以保证柔性防水板不受破坏，另一方面内衬结构外凸部分嵌固于初期支护结构内，保证支架推力能够通过初期支护、二次衬砌之间的垂直接触面直接、可靠地传递至初期支护结构。管道支架的结构形式、管道与隧道的连接及支架在隧道内的锚固生根等都直接影响隧道结构参数的确定。

(a) 横断面

(a) 横断面

(a) 横断面

5.2 支护参数拟定

在根据工艺要求确定的隧道断面内轮廓基础上，结合管道支架形式和尺寸及隧道地层情况等条件，提出了针对标准断面段、小室设固定支架段、标准断面设固定支架和导向支架段共计11种衬砌类型，满足了不同条件下的结构设计，突破了常规热力隧道的单一断面形式，使隧道结构设计更具有针对性。以V级围岩浅埋段不设固定支架和设大推力固定支架的设计参数为例，介绍热力隧道区别常规隧道的结构设计。 V级围岩浅埋衬砌结构设计如图12所示。

(a) 标准段

根据《铁路隧道设计规范》[16]浅埋隧道结构计算原则，并按工程类比法确定热力隧道不设固定支架的V级围岩浅埋段标准段结构如图12(a)所示。初期支护采用27 cm厚全断面网喷混凝土，拱墙设长3 m、间距为1.2 m×1.0 m(环×纵)的锚杆，全环设I20a@0.6 m的型钢钢架；二次衬砌采用全环45 cm厚的钢筋混凝土结构。

相对于标准段，设置固定支架处的隧道结构增加了管道产生的推力，根据《城镇供热管网结构设计规范》[14]对设置支架段落的整体滑移稳定性验算并考虑支架结构的尺寸，采用对支架前后一定段落范围内的二次衬砌结构进行加厚的方式来解决管道推力合理传递的问题。经计算，支架段结构设计如图12(b)所示。固定支架段初期支护锚杆间距加密为1.0 m×1.0 m(环×纵)，二次衬砌全环加厚55 cm(加厚后为100 cm)，加厚段在纵向的长度为12 m。其他支架段二次衬砌根据支架推力大小，经计算采用不同的衬砌加厚厚度和加厚段长度。

6 结论与建议

热力山岭隧道是西北热电中心配套热网电厂至长安街西延热力管线的控制性工程，也是构建首都安全低碳高效城市供热体系、压减燃煤促进空气质量改善的市重点工程，隧道主体经过10个多月的施工已于2014年11月15日正式投入使用，经过实践检验取得了良好的效果。通过本文对长距离暗挖热力隧道设计中的关键技术研究，主要有如下结论与建议。

1)在埋深大、高差大、长距离暗挖的热力隧道设计中，可充分利用地形特点，将山岭隧道纵断面布置成中间高两端低的形式，有条件时可利用隧道埋深最小处的隧道中间山坳处设出风口，隧道两端为进风口，形成自然通风；同时可考虑在隧道进出口和中部合适位置设置通风竖井和隧道内布置射流风机来形成强制通风，从而实现自然通风与机械通风的结合，以保障管道运行期间维护人员的安全。

2)为保障热力管道日常检修维护和大直径管道的更换运输及安全运营，可结合功能要求借鉴铁路隧道设计经验，在隧道内设置轨道运输系统，方便维护人员的快速进入和检修以及为管道更换搬运提供便捷。同时设计中可考虑包含隧道内通风设备监控、给排水设备监控及温湿度监测的隧道BAS监控系统，以适时了解管道运行情况并及时报警检修。

3)针对支架类型多、安装复杂且隧道地质条件较差等问题，为在保证安全的条件下提高施工进度和保证施工质量，可针对管道承受的推力大小和支架类型进行分类设计，建议对轴向推力大于3 000 kN的固定支架采用现场安装后再浇筑二次衬砌混凝土，一般推力支架可采用顶拱预埋钢板和锚筋(预埋钢板与锚筋采用穿孔塞焊)后再浇筑二次衬砌混凝土等方式解决。