一種明挖電纜隧道三(四)通結構的簡化計算方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

一種明挖電纜隧道三(四)通結構的簡化計算方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊 050031)

結合某電纜隧道工程的實際情況，分析三(四)通結構三維計算模型和二維計算模型受力特性，提出一種簡化三(四)通結構的計算方法，經過計算和對比分析，說明該方法可應用于三通結構電纜隧道可研或者初步設計的工程量估算，以及四通結構電纜隧道的施工圖設計。

電纜隧道;三(四)通結構;三維計算模型;簡化算法

為了滿足城市規劃精細化、城市容貌美觀化，以及節約土地資源的要求，在城區及城市近郊一般都采用電纜進行電力傳輸。隨著我國國民經濟的快速發展，以及城市化水平的提高，大量人口不斷涌向城市，對電力的需求也逐年上升。為了滿足電力供應，電力通道需要更多數量和更大容量的電纜。因此，傳統的直埋、排管、溝道、電纜溝等敷設方式難以滿足電力發展的需求，電纜隧道必然成為高電壓、多回路電纜的主要敷設方式［1-3］。通過分析某工程電纜隧道中三(四)通結構三維計算模型和二維計算模型受力特性，探討一種簡化三(四)通結構的計算方法，以期簡化今后電纜隧道三四通復雜地段結構的計算工作。

1 工程概況

1.1 工程背景

擬建邯鄲東—欣甸π入市中220 kV線路工程，位于邯鄲市東環路和人民路交叉口附近，路徑由市中變電站至京深高速路東側，全長約2.65 km，其中明挖隧道1.55 km，暗挖隧道0.75 km;電纜溝道共350 m，其中隧道出口至北破口180 m，隧道出口至南破口170 m;拉管70 m;架空2 km。該隧道工程穿越人民路與東環路交叉口處的立交橋和京港澳高速，不存在穿越河流情況。附近有城市道路及公路相連，交通便利。

1.2 工程地質情況

1.2.1 地形地貌

線路位于邯鄲市人民路北側，沿線位于太行山山前沖洪積平原區，地勢平緩，穿越已建的人民路—東環路立交橋和京深高速公路，高速公路附近地勢較低。

1.2.2 沿線工程地質特征

根據沿線地形地貌及巖性特征，沿線20m深度范圍內的地層主要為第四系沖洪積地層，地層巖性主要以粉土、黏性土為主，局部砂類土和雜填土，屬同一地貌單元，水平方向巖土物理力學性質變化不大，因此不再進行工程地質分段，全線地層巖性特征描述如下:雜填土，本層厚度一般在0.50～2.90 m;素填土，本層厚度一般在0.50～1.90m;細砂，本層厚度一般在0.90～4.30 m;粉土，本層厚度為2.40～7.00 m;粉土，本層厚度為1.00～5.00 m;粉質黏土，本層厚度為0.50～1.00 m;黏土，本層厚度為1.00～5.20 m;淤泥質粉質黏土，一般厚度為0.5 m左右;粉土，本層厚度為1.10～4.30m;質黏土，本層厚度為1.20～5.70 m;粉土，本層厚度為3.00～5.00m。

1.2.3 地下水

根據附近已有工程地質資料，地下水屬潛水，局部略具微承壓水性質，穩定水位埋深1.40～4.40 m，受地勢影響，高速公路附近地下水埋藏較淺，地下水補給來源主要為大氣降水;根據多年的觀察資料及調查，地下水位年變化幅度為1.00～1.50 m。

結合當地建筑經驗和附近已有工程資料，綜合判定線路地基土對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

1.2.4 場地與地基的地震效應

按照GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》的要求，考慮到場地地形地貌和地層的特點，綜合判定擬建場地屬于對建筑抗震的不利地段。結合附近工程地質資料，判定線路沿線場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類。

根據GB 18306—2001《中國地震動參數區劃圖》(圖A1)和GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》，線路50年超越概率10%的地震動峰值加速度值為0.15 g，對應的抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第1組，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

2 計算方法

2.1 計算模式

采用結構—荷載計算模式，概率極限狀態設計法進行結構計算［4-6］。土豎向荷載取結構最大埋深為4 m。以下利用大型有限元軟件ANSYS進行建模計算分析。

為選擇合適的二維簡化模型，擬采用轉角45°處斷面進行計算分析，見圖1。該處斷面尺寸適中，小于轉角90°處斷面尺寸，但大于正常隧道斷面尺寸，可在一定程度上考慮三維受力對結構的有利影響，使計算模型更加接近實際情況。隧道壁厚400 mm，隧道凈寬為3.95 m，隧道凈高為2.75 m。計算模型中，支護結構采用彈性平面梁單元模擬，隧道周邊彈性抗力以及隧底地基反力均采用彈簧單元模擬。組合荷載根據不同作用方向分別轉換成等效節點力施加在相應的單元結點上。

三維計算模型中，計算范圍取交叉部位全部擴大洞室結構并向標準斷面各延長5 m，模型邊界端面節點自由度采用沿隧道方向的水平約束。支護結構采用彈性平面殼單元模擬，隧道周邊彈性抗力以及隧底地基反力均采用彈簧單元模擬。組合荷載根據不同作用方向分別轉換成等效節點力施加在相應的單元結點上。隧道壁厚400 mm，主隧道凈寬2.4 m，凈高2.75 m。

圖1 四通結構示意(1－1剖面為轉角45°處斷面)

2.2 地層參數

結構計算斷面處地層的主要物理力學指標見表1。

表1 地層的主要物理力學指標

2.3 材料參數

概率極限狀態設計法的結構材料的主要物理力學指標見表2－3。

表2 混凝土的主要物理力學指標

表3 鋼筋的主要物理力學指標

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

由于篇幅限制，以下只給出彎矩計算結果。

3.1.1 三通結構三維計算模型計算結果

三通結構三維計算模型的彎矩見圖2－3。

圖2 三通X向彎矩云

圖3 三通Y向彎矩云

通過圖2—3可知，X向彎矩值在三通頂板中心最大;Y向彎矩值在三通頂板和45°轉角頂板與直墻連接處最大。

3.1.2 四通結構三維計算模型計算結果

四通結構三維計算模型的彎矩見圖4－5。

圖4 四通X向彎矩云

圖5 四通Y向彎矩云

通過圖4—5可知，X向彎矩值在四通頂板中心和45°轉角頂板與直墻連接處最大;Y向彎矩值在45°轉角頂板與直墻連接處最大。

3.1.3 二維簡化計算模型計算結果

二維簡化計算模型的彎矩見圖6。

通過圖6可知，隧道彎矩值在隧道頂板中心處最大。

3.2 結果分析

a.三通三維計算模型與二維簡化計算模型相比，受到的最大彎矩值減小約50%，受到的最大軸力值增加約200%，最大變形值減小約50%。四通三維計算模型與二維簡化計算模型相比受到的最大彎矩值減小約 5%，受到的最大軸力值增加約150%，最大變形值減小約50%。3種計算模型相關數據對比見表4。

圖6 二維平面結構彎矩云

表4 3種計算模型相關數據對比

b.由于隧道結構一般在最大彎矩值處為控制點，因此重點分析該處詳細受力。三通結構最大彎矩值位于三通結構頂板中心45°轉角頂板與直墻連接處。在該處，三通三維計算模型與二維簡化模型相比，受到的彎矩值減小約50%，受到的最大軸力值增加約200%;四通結構最大彎矩值位于頂板中心45°轉角頂板與直墻連接處。在該處，四通三維計算模型與二維簡化模型相比，受到的彎矩值減小約5%，受到的最大軸力值增加約25%。

c.對于具體工程中復雜的三通、四通結構采用三維模型計算時，進行建模分析需要耗費大量人力和時間，而地質模型和參數選取與實際情況又有一定的差異，導致最終的計算結果與實際結構受力情況不完全相同。因此，簡化計算方法對于計算結果差距較大的三通結構可應用與可研或者初步設計的工程量估算，對于計算結果相差較小的四通結構可應用于施工圖設計。

4 結論

a.三通、四通結構在45°轉角頂板與直墻連接處和頂板中心受力較大，在設計中應采取加強措施。

b.采用轉角45°處斷面簡化二維計算模型比三維三通、四通計算模型的計算結果偏于保守。該簡化計算方法對于計算結果差距較大的三通結構可應用與可研或者初步設計的工程量估算，對于計算結果相差較小的四通結構可應用于施工圖設計。

c.由于實際工程情況不同，三通、四通結構形式與以上表述的可能不完全相同，其受力規律可能存在差異，簡化計算方法還需要在實際工程中進一步論證。

［1］葛榮良.從電纜隧道建設看城市地下空間的利用［J］.上海電力，2006，3(3):243-245.

［2］薛麗偉，潘國慶，王 樺，等.新江灣城市電力電纜隧道設計［J］.上海電力，2006，18(3):232-237.

［3］楊 明.鎮江南徐變電站電力電纜隧道結構設計［J］.江蘇建筑，2012，2(4):41-44.

［4］GB 50009—2012，建筑結構荷載規范［S］.

［5］GB 50010—2010，混凝土結構設計規范［S］.

［6］GB/T 50476—2008，混凝土結構耐久性設計規范［S］.

本文責任編輯:齊勝濤

A Simplified Calculation Method of Three(Four)-way of Open Cut Cable Tunnel

Combined with the actual situation of a cable tunnel project，this paper analyzes of mechanical properties of three (four)-way structure 3D calculation model and 2D calculation model，A simplified calculation method of three(four)-way structure.The calculation and comparative analysis，illustrates the three-way structure of cable tunnel and the method can be applied to the feasibility study or the preliminary design of the project estimation，for the foure-way structure of cable tunnel and themethod can be applied to the construction drawing design.Key words:cable tunnel;three(four)-way structure;3D calculation model;simplified calculation method

1001-9898(2014)06-0016-04

2014-04-23

李兵兵(1983－)，男，工程師，主要從事輸電線路結構設計工作。

TM247

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