电缆隧道结构分析与设计方法

杨光明，罗正帮，梁东跃，牛忠荣，李　聪

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；

2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽 合肥 230022)



电缆隧道结构分析与设计方法

杨光明1，罗正帮2，梁东跃2，牛忠荣1，李聪1

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；

2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽 合肥 230022)

摘要：本文以某电缆隧道工程背景，研究电缆隧道的截面优化选型和设计方法。对不同的隧道截面形状和壁厚在三种工况下分别进行对比，并建立隧道结构合理的力学分析模型，采用有限元法分析隧道结构的应力场和变形场，对比分析结构的变形与强度工作状态评价电缆隧道的安全性能。同时，分析不同断面形状的特征，按照造价最低的原则，选择隧道结构较为合适的断面形式和设计方案。

关键词：电缆隧道；衬砌；围岩；稳定性；设计

0引言

近年来，随着国民经济的飞速发展，一方面，城市用电负荷和用电量屡创新高，特别在经济较发达的东部城市，年增长率均高达10%以上；另一方面，城市中心城区人口高度密集、土地资源(地上及0～5m表层地下空间资源)稀缺，可谓“寸土寸金”，这直接导致了电力负荷高速增长和城市变电站站址、电力通道资源相对稀缺之间的矛盾。采用超高电压、大截面电缆可以满足大输送容量的要求，但传统的电力排管、电缆沟及直埋等敷设方式无法满足其外径粗、重量重、发热量大等特性。把超高压、大截面电缆敷设在电缆隧道[1]内，一方面，电力电缆隧道较灵活的地下埋设深度可以有效解决城市电力通道资源稀缺的问题；另一方面，电缆隧道内独立、安全可控的运行环境可以保障电力电缆设施的本体安全，满足电力电缆的设计输送容量要求。

电力电缆隧道属城市重要生命线工程，安全等级相当高，应尽量避免建筑工程(如深基坑工程等)和市政交通工程(如地铁等)对其影响。随着城市建设水平的不断提高，其它工程对已有以及今后新建电缆隧道的影响必将越来越大，在确定合理开发深度时，必须综合考虑浅层地下空间已有的开发情况和城市水文、地质条件，以及工程的重要性、造价、通风、防灾(防火、防洪、防恐)等因素。当前世界各国工程实际中，城市电缆隧道主要埋设于第III(15～30m)、IV(30～50m)两级地下空间[2]。目前我国主要利用第III级地下空间建造电力电缆隧道，隧道的位置选定以后，周围介质和初始应力场等条件不能改变，设计中只能不断地调整隧洞断面的几何形态以改善围岩的应力分布和稳定性。因此隧道断面形式[3-5]的优劣与否，对隧道工程的安全性及造价控制具有显著影响，选择合理的开挖断面具有重要的经济意义和工程应用价值。

1工程概述

某城市电缆隧道，主要敷设110kV及10kV高压输电电缆，担负市区三分之二面积的生产生活电力供应。主隧道全长4.5km，最大埋深7.6m，主隧道在其长度方向岩土工程条件变化较大，分为四段：在0～1.5km段为浅埋岩石类；1.5～2.7km段为浅埋土类；2.7～3.5km段为深埋岩石类且有地下水；3.5～4.5km段为深埋土类且有地下水。沿途建设有送变电站、施工措施井、出线井和安全出口。本文取3.5～4.5km段为研究对象，隧道埋深7.6m，在地下10m处有地下水，地下水类型为第四系松散残积物孔隙潜水和基岩裂隙水，基岩裂隙水主要为构造裂隙水和风化裂隙水。隧道通过地层从上到下以V级围岩[6]为主，为一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的碎石土，卵石土、圆砾、角砾土及黄土(Q3、Q4)，非粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构。隧道具体地质土层参数勘测值见表1。

表1　隧道终勘实测地质资料

2隧道结构设计方案及荷载

2.1隧道结构初步设计方案

电缆隧道的结构设计主要包括隧道的断面形状以及隧道净空的高度和宽度。

目前国内外己有的电缆隧道断面形状有拱形、圆形、矩形和椭圆形，每一种隧道断面有其独特受力变形特点。圆形断面形式，结构稳定，受力易于分析，故在隧道断面形式设计中，圆形断面常作为隧道力学分析的基本模型，以此进一步研究其他断面形式。圆形断面关键点的位移、沉降量都很小，隧道开挖后，周围围岩不会出现塑性区，围岩应力比另外三个断面都小，也不会出现应力集中现象，支护结构受到的轴力虽稍大，但是分布均匀，故其为稳定性最好的断面形状。拱形断面形式分为三心圆和单心圆两种断面形式。目前由于车道数的增加，宽度的加大，而高度变化不大，使建筑限界变得扁平，因此，拱形横断面形式在我国公路隧道的建设中被普遍采用。拱形断面各部位沉降量、塑性区范围比矩形断面略小，围岩应力和衬砌结构的内力值也较大，而且在侧墙和底板的相交部位也有应力集中现象；椭圆形断面形式的椭圆曲线线形连续，从而保证了隧道横断面的光滑、美观和受力连续变化，因此在理论上，椭圆曲线断面是公路隧道首选的断面形式，然而在实际上，其施工难度较其它断面形式大，故椭圆曲线断面很少用于工程实际；矩形断面各部位沉降量、塑性区范围都很大，围岩应力和支护结构的内力值也偏大，而且容易在四个角点处产生应力集中，但其施工方便，且在净空间一样的条件下，造价低于其它断面形式。

电缆隧道断面形状的确定要综合对比各断面形状的优缺点：1) 圆形断面衬砌[7]适应不同围岩压力分布的能力最强，拱形断面衬砌次之，矩形断面衬砌更次之；2) 矩形断面面积利用率最高，拱形次之，圆形更次之。隧道断面形状也取决于施工方法：圆形断面多用盾构法；矩形断面主要用沉埋法和顶进法；拱形断面则用矿山法和新奥法以及明挖法。通过对几种断面形状的分析，并综合考虑本工程特点，初步设计采用矩形断面和三心拱直墙断面，用有限元法对两种断面的受力进行分析对比，进而确定最适合本工程的断面形状。

电缆隧道高度的确定是根据电缆属性、电缆数量、电缆最下层支架(或桥架)离地的最小允许距离(h1)、电缆层间距离(p)、电缆最上层支架(或桥架)离构筑物顶板(梁底)或其他设备装置的允许最小距离(p)确定电缆通道的预期高度(h)，h≥1900，受限段局部h≥1400：h=hl+N×p+p，式中N：电缆层数；该电缆隧道要求敷设8回路110kV及以下单芯电缆以及36根10、35kV三芯电缆，根据设计规范要求，设计隧道净空高度为2.7m。

电缆隧道宽度的确定是根据电缆支架(或桥架)横担长度(L)和通道净宽允许最小值确定的，电缆通道的宽度(B):电缆双侧布置，B≥2L+1000；电缆单侧布置，B≥2L+900。由敷设电缆要求，该电缆隧道须按电缆双侧布置，根据设计规范要求，设计隧道净空宽度为2.4m。

根据电网规划及电缆布置的工艺要求，综合分析隧道的施工、运行、管理各方面的便利性后，该电缆隧道的截面尺寸初步设计如图1、图2所示。该截面尺寸只是初步设计，不是最终设计，如有限元计算结果偏安全或危险，将对该截面尺寸进行修改，设计出优化的截面尺寸。

图1矩形断面(mm)

图2三心拱直墙断面(mm)

2.2隧道结构荷载计算

首先判断深浅埋

(1)

式(1)中Hp：隧道分界的深度；hq：等效荷载高度值，系数2～2.5在松软的围岩中取高限，而在较坚硬的围岩中取底限。当隧道覆盖层厚度h≥Hp时为深埋，hq

经计算该隧道埋深h大于等效高度hq(即h>hq)，垂直压力的计算适用于我国《铁路隧道设计规范》推荐的围岩的垂直均布松动压力[8-9]q的计算公式如式(2)

(2)

(3)

底部荷载计算方法如式(4)

(4)

式中 ∑p：结构的顶板以下，地板以上两边墙及中间柱等重量； L:结构横断面宽度。

图3隧道荷载示意图

隧道荷载示意图[10-11]如图3所示。结合本隧道的工程概况及荷载计算原理，计算出本隧道的荷载值如表2所示。

表2　荷载计算结果(kN/m2)

3 隧道结构的有限元分析

岩土结构的有限元法模拟，一般使用如下单元类型，分别为：实体单元、平面应变单元、平面应力单元和接触单元(interface element)。在隧道数值分析中，通常将围岩和隧道衬砌结构用实体单元模拟。本文隧道截面和土均采用六面体8结点三维实体单元模拟，土的本构采用莫尔-库伦模型，该破坏准则简单、实用，对于岩土材料使用最广。

本文采用有限元法软件MIDAS对电缆隧道的三种工况进行了力学分析。三种工况分别为：工况1：绿化地带；工况2：隧道上为非机动车道，依据公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)，荷载取值为3.5 kN/m2；工况3：隧道上为4～6车道马路，依据公路桥涵设计通用规范(JTGD60-2004)，车辆荷载取7.875kN/m2，车辆为长13m，宽2.5m的大货车。对有限元计算结果采用特殊点对比法分析，确定最适合本次工程的断面形式，矩形截面隧道的特殊点位置如图4所示，三心拱直墙截面隧道的特殊点位置如图5所示。

3.1隧道断面形式的优化

根据工程概况，建立的矩形截面和三心拱直墙截面隧道的力学模型分别如图4、图5所示，有限元模型分别如图6、图7所示。

图4矩形截面力学模型

图5三心拱直墙截面力学模型

图6矩形截面有限元模型

图7三心拱直墙截面有限元模型

通过有限元计算分析，得到在三种工况下，矩形截面隧道、三心拱直墙截面隧道特殊点应力值如表3、表4所示，特殊点位移值如表5、表6所示。

表3　矩形截面隧道特殊点应力(MPa)

表4　三心拱直墙截面隧道特殊点应力(MPa)

表5　矩形截面隧道特殊点位移(mm)

表6　三心拱直墙截面隧道特殊点位移(mm)

三种工况中，工况3荷载最大，隧道衬砌应力最大，对工况3荷载下衬砌应力进行对比，矩形截面隧道最大、最小主应力云图如图8、图9所示，三心拱直墙截面隧道最大、最小主应力云图如图10、图11所示。工况3荷载下矩形截面和三心拱直墙截面衬砌特殊点σxx、σyy、σzz对比图如图12所示。

图8矩形截面隧道工况3最大主应力(MPa)

图9矩形截面隧道工况3最小主应力(MPa)

图10三心拱直墙截面隧道工况3最大主应力(MPa)

图11三心拱直墙截面隧道工况3最小主应力(MPa)

图12衬砌特殊点应力对比图

通过对比表3～表6的数据及图12，可以得出以下结论：1)三心拱直墙断面隧道和矩形断面隧道的应力远小于C30混凝土的容许拉应力和容许压应力，因此在3种工况下两种断面形式的隧道是安全的，均可应用于工程实际；2)三心拱直墙断面隧道在四周角点处的应力小于矩形断面隧道四周角点处的应力，但均小于混凝土的容许应力，且三心拱直墙断面可以显著改善混凝土的受拉状态；3)三心拱直墙断面隧道和矩形截面隧道在荷载作用下的最大最小主应力出现在拱脚处，说明此处为隧道的薄弱部位，设计时需进行加固；4)在外部荷载作用下，三心拱直墙断面隧道围岩的位移小于矩形断面隧道的位移，偏安全；5)参照我国《公路隧道施工技术规范》(JTG F60-2009)，围岩位移在2～4cm之内且没有突变，属安全阶段，三心拱直墙断面隧道给围岩造成的影响略小于矩形断面给围岩造成的影响，且均在安全范围内。

综合分析以上结论可知三心拱直墙断面和矩形断面均适用于该工程，且三心拱直墙断面较矩形断面更优。因埋深较深，开挖难度大，造价高，因而综合考虑安全因素和经济因素，该隧道截面采用三心拱直墙断面。

3.2隧道断面厚度的优选

对初步设计的隧道结构进行有限元计算的数据显示，3种工况下混凝土的拉应力、压应力远小于其容许拉应力和压应力，说明隧道截面厚度取350mm偏安全。考虑工程的经济性，把截面厚度改为300mm、250mm，并分别进行有限元分析计算，根据计算结果，选择最优截面厚度。

对有限元计算结果采用特殊点对比法分析，确定最适合本次工程的断面厚度。有限元计算结果如表7、表8所示。不同截面厚度在工况3下衬砌特殊点应力对比如图13所示。

表7　壁厚0.30m衬砌特殊点应力及位移

表8　壁厚0.25m衬砌特殊点应力及位移

图13不同截面厚度在工况3下衬砌特殊点应力对比图

分析对比表7、表8和图13的数据可以得出：1)在3种工况中，截面厚度为0.30m的应力稍小于截面厚度为0.25m的应力，但均小于C30混凝土的容许拉应力和压应力，考虑到工程经济的因素，0.25m的截面厚度更适应于本工程；2)三种截面厚度的隧道在3种工况下的位移均较小，且均在安全范围内；3)隧道在荷载作用下的最大最小主应力均出现在拱脚处，说明此处为隧道的薄弱部位，设计时需进行加固；4)在外部荷载作用下，隧道的截面厚度越大，隧道围岩的位移越小，偏安全。

综合分析以上结论可知三种断面厚度均适用于该工程，因而综合考虑安全因素和经济因素，0.25m的隧道截面厚度更适用于本隧道工程。

4结论

随着III、IV级地下空间的重点开发利用，电缆隧道将得到越来越广泛的应用。本文对电缆隧道进行了结构设计及计算，并通过特殊点对比的方法，对电缆隧道的断面形式进行了优化选型。结论如下：

(1)三心拱直墙断面隧道和矩形截面隧道在荷载作用下的最大最小主应力都出现在拱脚处，拱脚为隧道的薄弱部位，设计时需进行加固。

(2)在相同的荷载作用下，三心拱直墙断面隧道比矩形截面隧道受力更加均匀，各部位沉降量、塑性区范围都比矩形断面隧道略小，对隧道围岩的应力、变形的影响也比矩形断面隧道小。此时要综合考虑工程安全因素和经济因素，选取合适的断面形状。

(3)在相同的荷载作用下，隧道截面厚度越厚，隧道的应力以及变形越小，对围岩的应力、变形影响也越小。此时要综合考虑工程安全因素和经济因素，选取合适的截面厚度。

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Structural Analysis and Design Method of Cable Tunnel

YANG Guangming1， LUO Zhengbang2， LIANG Dongyue2， NIU Zhongrong1， LI Cong1

(1.School of Civil Engineering，Hefei University of Technology, Hefei 230009, China；

2. AnhuiHuadian Engineering Consultation & Design Co., LTD, Hefei 230022, China)

Abstract:In this paper, the optimum selection and design method of cable tunnel section is studied by the background of a cable tunnel project. The shape and wall thickness of different tunnel sections were compared in three different conditions, and the mechanical analysis model of tunnel structure was established, and the finite element method is used to analyze the stress field and the deformation field of the tunnel structure, and the safety performance of the cable tunnel is evaluated by comparing the deformation and strength of the structure. Meanwhile, in accordance with the properties of different sections, based on minimum cost principle, one more suitable section form and design size of the tunnels are proposed.

Key words:cable tunnel； lining； surrounding rock； stability； design

作者简介：杨光明(1992-)，男，硕士生，主要研究方向为土木工程。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150607

中图分类号：TU 923

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-031-07