明挖電纜隧道結構設計方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

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。隨著我國經濟的快速發展，以及城市化水平的提高，大量的人口不斷涌向城市，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。

本文依托某工程，分析不同規范結構設計方法，建立明挖隧道結構模型進行計算，采用不同的結構設計方法分析其異同，考慮電纜隧道的自身特點，提出電纜隧道結構設計方法。

1 工程概況

1.1 工程背景

擬建邯鄲東—欣甸π入市中變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。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。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。附近有城市道路及公路相連，交通便利。

1.2 工程地質概況

(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。

(2)沿線工程地質特征

根據沿線地形地貌及巖性特征，沿線20.00m深度范圍內的地層主要為第四系沖洪積地層，地層巖性主要為粉土、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：①雜填土 ②素填土③細砂 ④粉土⑤粉土⑥粉質黏土⑦黏土⑧淤泥質粉質黏土⑨粉土 ⑩粉質黏土(11)粉土。

(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。

(4)場地與地基的地震效應

按照《建筑抗震設計規范》(GB 50011－2010)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《中國地震動參數區劃圖》(GB18306－2001圖A1)及《建筑抗震設計規范》(GB50011－2010)，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，設計地震分組為第一組，地震動反應譜特征周期為0.45 s。

2 結構設計方法

目前，各行業隧道普遍采用的設計規范主要有《混凝土結構設計規范》、《地鐵設計規范》、《鐵路隧道設計規范》、《公路隧道設計規范》。《地鐵設計規范》規定地下結構的設計，應根據施工方法、結構或構件類型、使用條件及荷載特性等，選用與其特性相近的結構設計規范和設計方法，條文說明中解釋，受力明確并具備條件的，宜按極狀態法設計；荷載不甚明確或不具備條件的可按破損階段或容許應力法設計，在2009版《地鐵設計規范》(征求意見稿)中規定未作更改。地鐵行業明挖隧道設計一般采用以概率法為基礎的極限狀態法，荷載計算依據《建筑結構荷載規范》GB 50009。《鐵路隧道設計規范》規定隧道結構計算分為“概率極限狀態法設計”和“破損階段法或容許應力法設計”兩種形式，由于統計樣本的問題“概率極限狀態法設計”只適用于單線鐵路隧道且與地面建筑采用的“概率極限狀態法設計”在可靠度、分項系數等方面都不相同，《公路隧道設計規范》規定隧道結構應按破損階段法驗算構件截面的強度。

經過調研，電力行業明挖電纜隧道設計方法主要采用“概率極限狀態法設計”。本文依托工程，對目前隧道行業采用的“概率極限狀態法設計”和“破損階段法或容許應力法設計”兩種結構設計方法進行對比分析。

2.1 概率極限狀態設計法

2.1.1 荷載與工況組合

地下結構上在確定荷載的數值時，應考慮施工期間和使用年限內預期可能發生的變化，根據國家標準GB 50009及相關規范規定進行最不利荷載組合，荷載組合及不同組合工況下的荷載分項系數取值。考慮施工期間和使用年限內預期可能發生的變化，分別按照基本組合、標準組合、偶然組合，進行最不利荷載組合，其中，組合系數執行《建筑結構荷載規范》。偶然荷載中地震作用和人防荷載按照《建筑抗震設計規范》和《人防地下室設計規范》要求考慮。

2.1.2 結構構件設計

以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，采用分項系數的設計表達式按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求進行計算和驗算。驗算應按規定的荷載對結構的整體進行荷載效應分析；必要時，尚應對結構中受力狀況特殊的部分進行更詳細的結構分析。結構計算、驗算應符合下列規定：

(1)按承載能力極限狀態應進行結構構件的承載力計算和整體穩定性(傾覆、滑移、上浮)驗算，并應進行結構構件抗震的承載力驗算；

(2)按正常使用極限狀態進行結構構件的變形驗算、裂縫寬度的驗算等。

2.2 破損階段法或容許應力法

2.2.1 荷載與工況組合

依據《鐵路隧道設計規范》按破損階段驗算混凝土構件截面的強度，應根據不同的荷載組合，分別采用不同的安全系數，并不小于表1所示的數值。驗算施工階段的強度時，安全系數可采用表3 “永久荷載+附加荷載”欄內的數值乘以折減系數0.9。

表1 隧道襯砌結構的強度安全系數

2.2.2 結構構件設計

依據《鐵路隧道設計規范》，破損階段或容許應力法主要對構件截面的強度進行驗算。破壞階段法設計原則是：結構構件達到破壞階段時的設計承載力不低于標準荷載產生的構件內力乘以安全系數K。破壞階段法的特點是：以截面內力(而不是應力)為考察對象，考慮了材料的塑性性質及其極限強度；內力計算多數仍采用線彈性方法，少數采用彈性方法；仍采用單一的、經驗的安全系數。

3 兩種方法計算對比分析

隧道工程建筑物是埋置于地層中的結構物，它的受力和變形與圍巖密切相關，支護結構與圍巖作為一個統一的受力體系相互約束，共同工作。這種共同作用正是地下結構與地面結構的主要區別。根據本工程淺埋及松散地層的特點，結構安全性檢算采用“荷載—結構”模式，即將支護和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為荷載的來源和支護結構的彈性支承。支護結構與圍巖的相互作用是通過彈性支承對支護結構施加約束來實現的。

3.1 計算模式和計算參數

針對隧道結構型式和受力特點，“荷載—結構”計算模型中，主動荷載由水土荷載、地面附加荷載(汽車荷載)組成；被動荷載取值與結構向地層的變形量和地層彈性抗力系數成正比；在松散地層條件下，最不利荷載發生在埋深最大處。因而，取最大埋深處的設計斷面，作為設計計算對象，按平面應變狀態進行結構設計計算。計算中采用大型有限元程序ANSYS14.0作為分析手段。計算模型中，支護結構采用彈性平面梁單元模擬，彈性抗力以及隧底地基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。

擬定采用矩形框架結構，混凝土壁厚300 mm，結構凈寬2400 mm，凈高2750 mm，通過計算，確定結構配筋量。結構計算斷面處地層的主要物理力學指標見表2。

表2 地層的主要物理力學指標

概率極限狀態設計法和破壞階段法或容許應力法的結構材料的主要物理力學指標分別執行《混凝土結構設計規范》和《鐵路隧道設計規范》。

3.2 荷載計算

計算荷載取主動荷載加被動荷載模式，其中主動荷載包括主要荷載、附加荷載，主要荷載為水、土豎向荷載和水平荷載，附加荷載考慮了地面車輛荷載；被動荷載考慮地層對結構的彈性抗力。

3.2.1 水土荷載

(1)水、土豎向荷載

水、土豎向荷載按最不利情況考慮(最大埋深4 m，地下水位約4 m，年變幅1.5 m，由于本文只是對設計方法進行對比分析，因此只分析地下水位4 m時的情況)，計算中取上覆土全土重，隧道頂板土豎向荷載q=72 kN/m。

(2)水、土水平荷載

水、土水平荷載采用水土分算的計算方法。對于土的水平荷載按朗金主動土壓力計算。計算摩擦角取30°，則λ=0.33，計算所得隧道頂板處土壓力水平荷載24 kN/m，隧道底板處土壓力水平荷載33 kN/m。

對于水的水平荷載按靜水壓力計算，即隧道頂板水平荷載0 kN/m，隧道底板水平荷載33.5 kN/m。

因此，隧道頂板處水、土壓力豎向荷載為q=72 kN/m，隧道頂板水、土壓力水平荷載24 kN/m，隧道底板處水、土壓力水平荷載66.5 kN/m。

(3)被動荷載

地層對支護結構的被動抗力通過連接于結構與地層間的彈簧單元體現，兩側回填土和隧道底部的地層彈性抗力系數取值見表2。

3.2.2 地面車輛活載

按照《公路橋涵設計通用規范》JTG D60－2004中公路－Ⅰ級車輛荷載布置和表3取值，選取最不利工況兩車并行。

表3 車輛荷載的主要技術指標

計算所得隧道頂板處車輛豎向荷載Poz=7 kN/m，計算所得隧道頂板處車輛水平荷載Pox=3.7 kN/m。

(3)地震荷載

本例工程中地震加速度為0.15 g，依據《鐵路工程抗震設計規范》GB 50111－2006，跨度小于8 m的明洞，當動力加速度為0.1 g或0.15 g時，不需要抗震驗算。

3.3 荷載組合

采用概率極限狀態法，依據《建筑結構荷載規范》，永久荷載分項系數取1.35，可變荷載分項系數取1.4。采用基本組合，隧道頂板豎向荷載為107 kN/m，隧道頂板水平荷載為38 kN/m，隧道底板水平荷載為95 kN/m。采用標準組合，隧道頂板豎向荷載為79 kN/m，隧道頂板水平荷載為28 kN/m，隧道底板水平荷載為70 kN/m。

采用破損階段或容許應力法，依據《鐵路隧道設計規范》，采用標準組合，隧道頂板豎向荷載為79 kN/m，隧道頂板水平荷載為28 kN/m，隧道底板水平荷載為70 kN/m。

3.4 內力計算結果和構件強度檢算

3.4.1 概率極限狀態法內力計算結果

(1)結構彎矩和結構軸力等，具體結果見圖1、圖2。

(2)承載能力極限狀態計算

表4 配筋計算

(3)正常使用極限狀態驗算

表5 裂縫寬度驗算

(4)抗浮驗算

地下水位為4 m，浮力計算采用阿基米德原理。

計算得每延米隧道F浮=80.4 kN/m。

抗浮力為上覆土重度和混凝土自重之和。計算得每延米隧道F抗浮=158.25 kN。

抗浮安全系數K=2＞1.05，滿足北京地區抗浮安全系數經驗值的要求。

3.4.2 破損階段法或容許應力法計算結果

(1)結構變形，結構彎矩和結構軸力等，具體結果見圖3、圖4。

圖3 彎矩(標準組合)

圖4 軸力(標準組合)

(2)構件配筋計算

表6 配筋計算(滿足最下安全系數大于2.0)

3.5 兩種設計方法計算對比

(1)概率極限狀態設計法中的材料參數采用設計強度值，破壞階段法中的材料參數采用極限強度值，各材料的極限強度值大約是設計強度值1.2～1.4倍。另外，概率極限狀態設計法采用混凝土軸心抗壓強度，而破壞階段法采用彎曲抗壓極限強度。

(2)概率極限狀態設計法中的荷載組合主要采用基本組合，永久荷載分項系數采用1.35，可變荷載分項系數采用1.4。破壞階段法荷載組合主要采用標準組合。

(3)概率極限狀態設計法進行承載能力極限狀態計算和正常使用極限狀態驗算，而破壞階段法進行襯砌強度計算。

(4)對于大、小偏心判別，概率極限狀態設計法采用通過相對受壓區高度與相對界限受壓區高度比較進行判別，而破壞階段法則直接簡化為通過相對受壓區高度與0.55 h0比較進行判別。

(5)對于小偏心受壓構件計算，概率極限狀態設計法中，受拉側鋼筋應力計算公式是以混凝土達到極限應變作為構件達到承載能力極限狀態標志給出的，受壓混凝土面積為計算混凝土受壓面積。破壞階段法中，受拉側鋼筋應力計算公式采用鋼筋抗拉強度計算值，受壓混凝土面積為半截面面積。

(6)采用概率極限狀態設計法承載能力計算中的彎矩和軸力值是破壞階段法中承載能力計算中的的彎矩和軸力值的約1.3倍。采用破壞階段法中標準荷載組合計算得到的配筋量是概率極限狀態設計法基本荷載組合計算得到的配筋量的約1.1倍。

4 結論

通過依托工程對比計算和理論分析，同等條件下，破壞階段法在配筋計算方法、安全余度、材料強度指標方面相比概率極限狀態法更加保守，破壞階段法在材料強度指標方面相比概率極限狀態法更加保守，采用概率極限狀態法設計相比破壞階段法設計經濟指標更優。因此，結合調研情況，在外部荷載明確且已有大量應用概率極限狀態法的明挖電纜隧道工程中，建議采用概率極限狀態法。

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

[2]薛麗偉，等.新江灣城市電力電纜隧道設計[J].上海：上海電力，2006.

[3]楊明.鎮江南徐變電站電力電纜隧道結構設計[J].南京：江蘇建筑，2012.

[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].