明挖電纜隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

為了滿(mǎn)足城市規(guī)劃精細(xì)化、城市容貌美觀化以及節(jié)約土地資源的要求，在城區(qū)及城市近郊一般都采用電纜進(jìn)行電力傳輸。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及城市化水平的提高，大量的人口不斷涌向城市，對(duì)電力的需求也逐年上升。為了滿(mǎn)足電力供應(yīng)，電力通道需要更多數(shù)量和更大容量的電纜。因此，傳統(tǒng)的直埋、排管、溝道、電纜溝等敷設(shè)方式難以滿(mǎn)足電力發(fā)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(shè)方式。

本文依托某工程，分析不同規(guī)范結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，建立明挖隧道結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法分析其異同，考慮電纜隧道的自身特點(diǎn)，提出電纜隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xiàn)路工程位于邯鄲市東環(huán)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(cè)，全長(zhǎng)約2.65 km。該隧道工程穿越人民路與東環(huán)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(zhì)概況

(1)地形地貌

線(xiàn)路位于邯鄲市人民路北側(cè)，沿線(xiàn)位于太行山山前沖洪積平原區(qū)，地勢(shì)平緩，穿越已建的人民路－東環(huán)路立交橋和京深高速公路，高速公路附近地勢(shì)較低。

(2)沿線(xiàn)工程地質(zhì)特征

根據(jù)沿線(xiàn)地形地貌及巖性特征，沿線(xiàn)20.00m深度范圍內(nèi)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(lèi)土和雜填土，屬同一地貌單元，水平方向巖土物理力學(xué)性質(zhì)變化不大，因此不再進(jìn)行工程地質(zhì)分段，全線(xiàn)地層巖性特征描述如下：①雜填土 ②素填土③細(xì)砂 ④粉土⑤粉土⑥粉質(zhì)黏土⑦黏土⑧淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土⑨粉土 ⑩粉質(zhì)黏土(11)粉土。

(3)地下水

根據(jù)附近已有工程地質(zhì)資料，地下水屬潛水，局部略具微承壓水性質(zhì)，穩(wěn)定水位埋深1.40～4.40 m，受地勢(shì)影響，高速公路附近地下水埋藏較淺，地下水補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水；根據(jù)多年的觀察資料及調(diào)查，地下水位年變化幅度為1.00 ～1.50 m。

結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ?jīng)驗(yàn)和附近已有工程資料，綜合判定線(xiàn)路地基土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

(4)場(chǎng)地與地基的地震效應(yīng)

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011－2010)要求，考慮到場(chǎng)地地形地貌和地層的特點(diǎn)，綜合判定擬建場(chǎng)地屬于對(duì)建筑抗震的不利地段。結(jié)合附近工程地質(zhì)資料，判定線(xiàn)路沿線(xiàn)場(chǎng)地土類(lèi)型為中軟土，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306－2001圖A1)及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011－2010)，線(xiàn)路50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度值為0.15 g，對(duì)應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

目前，各行業(yè)隧道普遍采用的設(shè)計(jì)規(guī)范主要有《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》、《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》?！兜罔F設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定地下結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)施工方法、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件類(lèi)型、使用條件及荷載特性等，選用與其特性相近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)方法，條文說(shuō)明中解釋?zhuān)芰γ鞔_并具備條件的，宜按極狀態(tài)法設(shè)計(jì)；荷載不甚明確或不具備條件的可按破損階段或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)，在2009版《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》(征求意見(jiàn)稿)中規(guī)定未作更改。地鐵行業(yè)明挖隧道設(shè)計(jì)一般采用以概率法為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法，荷載計(jì)算依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009。《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算分為“概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)”和“破損階段法或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)”兩種形式，由于統(tǒng)計(jì)樣本的問(wèn)題“概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)”只適用于單線(xiàn)鐵路隧道且與地面建筑采用的“概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)”在可靠度、分項(xiàng)系數(shù)等方面都不相同，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)按破損階段法驗(yàn)算構(gòu)件截面的強(qiáng)度。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，電力行業(yè)明挖電纜隧道設(shè)計(jì)方法主要采用“概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)”。本文依托工程，對(duì)目前隧道行業(yè)采用的“概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)”和“破損階段法或容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)”兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

2.1.1 荷載與工況組合

地下結(jié)構(gòu)上在確定荷載的數(shù)值時(shí)，應(yīng)考慮施工期間和使用年限內(nèi)預(yù)期可能發(fā)生的變化，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 50009及相關(guān)規(guī)范規(guī)定進(jìn)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(xiàng)系數(shù)取值?？紤]施工期間和使用年限內(nèi)預(yù)期可能發(fā)生的變化，分別按照基本組合、標(biāo)準(zhǔn)組合、偶然組合，進(jìn)行最不利荷載組合，其中，組合系數(shù)執(zhí)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》。偶然荷載中地震作用和人防荷載按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《人防地下室設(shè)計(jì)規(guī)范》要求考慮。

2.1.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，采用分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。驗(yàn)算應(yīng)按規(guī)定的荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行荷載效應(yīng)分析；必要時(shí)，尚應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)中受力狀況特殊的部分進(jìn)行更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)計(jì)算、驗(yàn)算應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)按承載能力極限狀態(tài)應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力計(jì)算和整體穩(wěn)定性(傾覆、滑移、上浮)驗(yàn)算，并應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震的承載力驗(yàn)算；

(2)按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形驗(yàn)算、裂縫寬度的驗(yàn)算等。

2.2 破損階段法或容許應(yīng)力法

2.2.1 荷載與工況組合

依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》按破損階段驗(yàn)算混凝土構(gòu)件截面的強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)不同的荷載組合，分別采用不同的安全系數(shù)，并不小于表1所示的數(shù)值。驗(yàn)算施工階段的強(qiáng)度時(shí)，安全系數(shù)可采用表3 “永久荷載+附加荷載”欄內(nèi)的數(shù)值乘以折減系數(shù)0.9。

表1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

2.2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，破損階段或容許應(yīng)力法主要對(duì)構(gòu)件截面的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。破壞階段法設(shè)計(jì)原則是：結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到破壞階段時(shí)的設(shè)計(jì)承載力不低于標(biāo)準(zhǔn)荷載產(chǎn)生的構(gòu)件內(nèi)力乘以安全系數(shù)K。破壞階段法的特點(diǎn)是：以截面內(nèi)力(而不是應(yīng)力)為考察對(duì)象，考慮了材料的塑性性質(zhì)及其極限強(qiáng)度；內(nèi)力計(jì)算多數(shù)仍采用線(xiàn)彈性方法，少數(shù)采用彈性方法；仍采用單一的、經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)。

3 兩種方法計(jì)算對(duì)比分析

隧道工程建筑物是埋置于地層中的結(jié)構(gòu)物，它的受力和變形與圍巖密切相關(guān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖作為一個(gè)統(tǒng)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(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別。根據(jù)本工程淺埋及松散地層的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)安全性檢算采用“荷載—結(jié)構(gòu)”模式，即將支護(hù)和圍巖分開(kāi)考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，圍巖作為荷載的來(lái)源和支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性支承。支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖的相互作用是通過(guò)彈性支承對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加約束來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

3.1 計(jì)算模式和計(jì)算參數(shù)

針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)型式和受力特點(diǎn)，“荷載—結(jié)構(gòu)”計(jì)算模型中，主動(dòng)荷載由水土荷載、地面附加荷載(汽車(chē)荷載)組成；被動(dòng)荷載取值與結(jié)構(gòu)向地層的變形量和地層彈性抗力系數(shù)成正比；在松散地層條件下，最不利荷載發(fā)生在埋深最大處。因而，取最大埋深處的設(shè)計(jì)斷面，作為設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)象，按平面應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算中采用大型有限元程序ANSYS14.0作為分析手段。計(jì)算模型中，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性平面梁?jiǎn)卧M，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(jù)不同作用方向分別轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)的單元結(jié)點(diǎn)上。

擬定采用矩形框架結(jié)構(gòu)，混凝土壁厚300 mm，結(jié)構(gòu)凈寬2400 mm，凈高2750 mm，通過(guò)計(jì)算，確定結(jié)構(gòu)配筋量。結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面處地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和破壞階段法或容許應(yīng)力法的結(jié)構(gòu)材料的主要物理力學(xué)指標(biāo)分別執(zhí)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.2 荷載計(jì)算

計(jì)算荷載取主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載模式，其中主動(dòng)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(chē)輛荷載；被動(dòng)荷載考慮地層對(duì)結(jié)構(gòu)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(duì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比分析，因此只分析地下水位4 m時(shí)的情況)，計(jì)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(jì)算方法。對(duì)于土的水平荷載按朗金主動(dòng)土壓力計(jì)算。計(jì)算摩擦角取30°，則λ=0.33，計(jì)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(duì)于水的水平荷載按靜水壓力計(jì)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(dòng)荷載

地層對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的被動(dòng)抗力通過(guò)連接于結(jié)構(gòu)與地層間的彈簧單元體現(xiàn)，兩側(cè)回填土和隧道底部的地層彈性抗力系數(shù)取值見(jiàn)表2。

3.2.2 地面車(chē)輛活載

按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60－2004中公路－Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載布置和表3取值，選取最不利工況兩車(chē)并行。

表3 車(chē)輛荷載的主要技術(shù)指標(biāo)

計(jì)算所得隧道頂板處車(chē)輛豎向荷載Poz=7 kN/m，計(jì)算所得隧道頂板處車(chē)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(jù)《鐵路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50111－2006，跨度小于8 m的明洞，當(dāng)動(dòng)力加速度為0.1 g或0.15 g時(shí)，不需要抗震驗(yàn)算。

3.3 荷載組合

采用概率極限狀態(tài)法，依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.35，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)力法，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)力計(jì)算結(jié)果和構(gòu)件強(qiáng)度檢算

3.4.1 概率極限狀態(tài)法內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)彎矩和結(jié)構(gòu)軸力等，具體結(jié)果見(jiàn)圖1、圖2。

(2)承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

表4 配筋計(jì)算

(3)正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

表5 裂縫寬度驗(yàn)算

(4)抗浮驗(yàn)算

地下水位為4 m，浮力計(jì)算采用阿基米德原理。

計(jì)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(jì)算得每延米隧道F抗浮=158.25 kN。

抗浮安全系數(shù)K=2＞1.05，滿(mǎn)足北京地區(qū)抗浮安全系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值的要求。

3.4.2 破損階段法或容許應(yīng)力法計(jì)算結(jié)果

(1)結(jié)構(gòu)變形，結(jié)構(gòu)彎矩和結(jié)構(gòu)軸力等，具體結(jié)果見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 彎矩(標(biāo)準(zhǔn)組合)

圖4 軸力(標(biāo)準(zhǔn)組合)

(2)構(gòu)件配筋計(jì)算

表6 配筋計(jì)算(滿(mǎn)足最下安全系數(shù)大于2.0)

3.5 兩種設(shè)計(jì)方法計(jì)算對(duì)比

(1)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中的材料參數(shù)采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度值，破壞階段法中的材料參數(shù)采用極限強(qiáng)度值，各材料的極限強(qiáng)度值大約是設(shè)計(jì)強(qiáng)度值1.2～1.4倍。另外，概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法采用混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，而破壞階段法采用彎曲抗壓極限強(qiáng)度。

(2)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中的荷載組合主要采用基本組合，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.35，可變荷載分項(xiàng)系數(shù)采用1.4。破壞階段法荷載組合主要采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

(3)概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，而破壞階段法進(jìn)行襯砌強(qiáng)度計(jì)算。

(4)對(duì)于大、小偏心判別，概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法采用通過(guò)相對(duì)受壓區(qū)高度與相對(duì)界限受壓區(qū)高度比較進(jìn)行判別，而破壞階段法則直接簡(jiǎn)化為通過(guò)相對(duì)受壓區(qū)高度與0.55 h0比較進(jìn)行判別。

(5)對(duì)于小偏心受壓構(gòu)件計(jì)算，概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中，受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式是以混凝土達(dá)到極限應(yīng)變作為構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)標(biāo)志給出的，受壓混凝土面積為計(jì)算混凝土受壓面積。破壞階段法中，受拉側(cè)鋼筋應(yīng)力計(jì)算公式采用鋼筋抗拉強(qiáng)度計(jì)算值，受壓混凝土面積為半截面面積。

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

4 結(jié)論

通過(guò)依托工程對(duì)比計(jì)算和理論分析，同等條件下，破壞階段法在配筋計(jì)算方法、安全余度、材料強(qiáng)度指標(biāo)方面相比概率極限狀態(tài)法更加保守，破壞階段法在材料強(qiáng)度指標(biāo)方面相比概率極限狀態(tài)法更加保守，采用概率極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)相比破壞階段法設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更優(yōu)。因此，結(jié)合調(diào)研情況，在外部荷載明確且已有大量應(yīng)用概率極限狀態(tài)法的明挖電纜隧道工程中，建議采用概率極限狀態(tài)法。

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