一种明挖电缆隧道三(四)通结构的简化计算方法

李兵兵，武淑敏，李占岭

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

一种明挖电缆隧道三(四)通结构的简化计算方法

李兵兵，武淑敏，李占岭

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄 050031)

结合某电缆隧道工程的实际情况，分析三(四)通结构三维计算模型和二维计算模型受力特性，提出一种简化三(四)通结构的计算方法，经过计算和对比分析，说明该方法可应用于三通结构电缆隧道可研或者初步设计的工程量估算，以及四通结构电缆隧道的施工图设计。

电缆隧道;三(四)通结构;三维计算模型;简化算法

为了满足城市规划精细化、城市容貌美观化，以及节约土地资源的要求，在城区及城市近郊一般都采用电缆进行电力传输。随着我国国民经济的快速发展，以及城市化水平的提高，大量人口不断涌向城市，对电力的需求也逐年上升。为了满足电力供应，电力通道需要更多数量和更大容量的电缆。因此，传统的直埋、排管、沟道、电缆沟等敷设方式难以满足电力发展的需求，电缆隧道必然成为高电压、多回路电缆的主要敷设方式［1-3］。通过分析某工程电缆隧道中三(四)通结构三维计算模型和二维计算模型受力特性，探讨一种简化三(四)通结构的计算方法，以期简化今后电缆隧道三四通复杂地段结构的计算工作。

1 工程概况

1.1 工程背景

拟建邯郸东—欣甸π入市中220 kV线路工程，位于邯郸市东环路和人民路交叉口附近，路径由市中变电站至京深高速路东侧，全长约2.65 km，其中明挖隧道1.55 km，暗挖隧道0.75 km;电缆沟道共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。该隧道工程穿越人民路与东环路交叉口处的立交桥和京港澳高速，不存在穿越河流情况。附近有城市道路及公路相连，交通便利。

1.2 工程地质情况

1.2.1 地形地貌

线路位于邯郸市人民路北侧，沿线位于太行山山前冲洪积平原区，地势平缓，穿越已建的人民路—东环路立交桥和京深高速公路，高速公路附近地势较低。

1.2.2 沿线工程地质特征

根据沿线地形地貌及岩性特征，沿线20m深度范围内的地层主要为第四系冲洪积地层，地层岩性主要以粉土、黏性土为主，局部砂类土和杂填土，属同一地貌单元，水平方向岩土物理力学性质变化不大，因此不再进行工程地质分段，全线地层岩性特征描述如下:杂填土，本层厚度一般在0.50～2.90 m;素填土，本层厚度一般在0.50～1.90m;细砂，本层厚度一般在0.90～4.30 m;粉土，本层厚度为2.40～7.00 m;粉土，本层厚度为1.00～5.00 m;粉质黏土，本层厚度为0.50～1.00 m;黏土，本层厚度为1.00～5.20 m;淤泥质粉质黏土，一般厚度为0.5 m左右;粉土，本层厚度为1.10～4.30m;质黏土，本层厚度为1.20～5.70 m;粉土，本层厚度为3.00～5.00m。

1.2.3 地下水

根据附近已有工程地质资料，地下水属潜水，局部略具微承压水性质，稳定水位埋深1.40～4.40 m，受地势影响，高速公路附近地下水埋藏较浅，地下水补给来源主要为大气降水;根据多年的观察资料及调查，地下水位年变化幅度为1.00～1.50 m。

结合当地建筑经验和附近已有工程资料，综合判定线路地基土对混凝土结构具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。

1.2.4 场地与地基的地震效应

按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求，考虑到场地地形地貌和地层的特点，综合判定拟建场地属于对建筑抗震的不利地段。结合附近工程地质资料，判定线路沿线场地土类型为中软土，建筑场地类别为Ⅲ类。

根据GB 18306—2001《中国地震动参数区划图》(图A1)和GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》，线路50年超越概率10%的地震动峰值加速度值为0.15 g，对应的抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第1组，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

2 计算方法

2.1 计算模式

采用结构—荷载计算模式，概率极限状态设计法进行结构计算［4-6］。土竖向荷载取结构最大埋深为4 m。以下利用大型有限元软件ANSYS进行建模计算分析。

为选择合适的二维简化模型，拟采用转角45°处断面进行计算分析，见图1。该处断面尺寸适中，小于转角90°处断面尺寸，但大于正常隧道断面尺寸，可在一定程度上考虑三维受力对结构的有利影响，使计算模型更加接近实际情况。隧道壁厚400 mm，隧道净宽为3.95 m，隧道净高为2.75 m。计算模型中，支护结构采用弹性平面梁单元模拟，隧道周边弹性抗力以及隧底地基反力均采用弹簧单元模拟。组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。

三维计算模型中，计算范围取交叉部位全部扩大洞室结构并向标准断面各延长5 m，模型边界端面节点自由度采用沿隧道方向的水平约束。支护结构采用弹性平面壳单元模拟，隧道周边弹性抗力以及隧底地基反力均采用弹簧单元模拟。组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。隧道壁厚400 mm，主隧道净宽2.4 m，净高2.75 m。

图1 四通结构示意(1－1剖面为转角45°处断面)

2.2 地层参数

结构计算断面处地层的主要物理力学指标见表1。

表1 地层的主要物理力学指标

2.3 材料参数

概率极限状态设计法的结构材料的主要物理力学指标见表2－3。

表2 混凝土的主要物理力学指标

表3 钢筋的主要物理力学指标

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

由于篇幅限制，以下只给出弯矩计算结果。

3.1.1 三通结构三维计算模型计算结果

三通结构三维计算模型的弯矩见图2－3。

图2 三通X向弯矩云

图3 三通Y向弯矩云

通过图2—3可知，X向弯矩值在三通顶板中心最大;Y向弯矩值在三通顶板和45°转角顶板与直墙连接处最大。

3.1.2 四通结构三维计算模型计算结果

四通结构三维计算模型的弯矩见图4－5。

图4 四通X向弯矩云

图5 四通Y向弯矩云

通过图4—5可知，X向弯矩值在四通顶板中心和45°转角顶板与直墙连接处最大;Y向弯矩值在45°转角顶板与直墙连接处最大。

3.1.3 二维简化计算模型计算结果

二维简化计算模型的弯矩见图6。

通过图6可知，隧道弯矩值在隧道顶板中心处最大。

3.2 结果分析

a.三通三维计算模型与二维简化计算模型相比，受到的最大弯矩值减小约50%，受到的最大轴力值增加约200%，最大变形值减小约50%。四通三维计算模型与二维简化计算模型相比受到的最大弯矩值减小约 5%，受到的最大轴力值增加约150%，最大变形值减小约50%。3种计算模型相关数据对比见表4。

图6 二维平面结构弯矩云

表4 3种计算模型相关数据对比

b.由于隧道结构一般在最大弯矩值处为控制点，因此重点分析该处详细受力。三通结构最大弯矩值位于三通结构顶板中心45°转角顶板与直墙连接处。在该处，三通三维计算模型与二维简化模型相比，受到的弯矩值减小约50%，受到的最大轴力值增加约200%;四通结构最大弯矩值位于顶板中心45°转角顶板与直墙连接处。在该处，四通三维计算模型与二维简化模型相比，受到的弯矩值减小约5%，受到的最大轴力值增加约25%。

c.对于具体工程中复杂的三通、四通结构采用三维模型计算时，进行建模分析需要耗费大量人力和时间，而地质模型和参数选取与实际情况又有一定的差异，导致最终的计算结果与实际结构受力情况不完全相同。因此，简化计算方法对于计算结果差距较大的三通结构可应用与可研或者初步设计的工程量估算，对于计算结果相差较小的四通结构可应用于施工图设计。

4 结论

a.三通、四通结构在45°转角顶板与直墙连接处和顶板中心受力较大，在设计中应采取加强措施。

b.采用转角45°处断面简化二维计算模型比三维三通、四通计算模型的计算结果偏于保守。该简化计算方法对于计算结果差距较大的三通结构可应用与可研或者初步设计的工程量估算，对于计算结果相差较小的四通结构可应用于施工图设计。

c.由于实际工程情况不同，三通、四通结构形式与以上表述的可能不完全相同，其受力规律可能存在差异，简化计算方法还需要在实际工程中进一步论证。

［1］葛荣良.从电缆隧道建设看城市地下空间的利用［J］.上海电力，2006，3(3):243-245.

［2］薛丽伟，潘国庆，王 桦，等.新江湾城市电力电缆隧道设计［J］.上海电力，2006，18(3):232-237.

［3］杨 明.镇江南徐变电站电力电缆隧道结构设计［J］.江苏建筑，2012，2(4):41-44.

［4］GB 50009—2012，建筑结构荷载规范［S］.

［5］GB 50010—2010，混凝土结构设计规范［S］.

［6］GB/T 50476—2008，混凝土结构耐久性设计规范［S］.

本文责任编辑:齐胜涛

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，工程师，主要从事输电线路结构设计工作。

TM247

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