明挖电缆隧道结构设计方法

李兵兵，武淑敏，李占岭

(河北省电力勘测设计研究院，河北 石家庄 050031)

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。随着我国经济的快速发展，以及城市化水平的提高，大量的人口不断涌向城市，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。

本文依托某工程，分析不同规范结构设计方法，建立明挖隧道结构模型进行计算，采用不同的结构设计方法分析其异同，考虑电缆隧道的自身特点，提出电缆隧道结构设计方法。

1 工程概况

1.1 工程背景

拟建邯郸东—欣甸π入市中变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。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。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。附近有城市道路及公路相连，交通便利。

1.2 工程地质概况

(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。

(2)沿线工程地质特征

根据沿线地形地貌及岩性特征，沿线20.00m深度范围内的地层主要为第四系冲洪积地层，地层岩性主要为粉土、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：①杂填土 ②素填土③细砂 ④粉土⑤粉土⑥粉质黏土⑦黏土⑧淤泥质粉质黏土⑨粉土 ⑩粉质黏土(11)粉土。

(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。

(4)场地与地基的地震效应

按照《建筑抗震设计规范》(GB 50011－2010)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《中国地震动参数区划图》(GB18306－2001图A1)及《建筑抗震设计规范》(GB50011－2010)，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，设计地震分组为第一组，地震动反应谱特征周期为0.45 s。

2 结构设计方法

目前，各行业隧道普遍采用的设计规范主要有《混凝土结构设计规范》、《地铁设计规范》、《铁路隧道设计规范》、《公路隧道设计规范》。《地铁设计规范》规定地下结构的设计，应根据施工方法、结构或构件类型、使用条件及荷载特性等，选用与其特性相近的结构设计规范和设计方法，条文说明中解释，受力明确并具备条件的，宜按极状态法设计；荷载不甚明确或不具备条件的可按破损阶段或容许应力法设计，在2009版《地铁设计规范》(征求意见稿)中规定未作更改。地铁行业明挖隧道设计一般采用以概率法为基础的极限状态法，荷载计算依据《建筑结构荷载规范》GB 50009。《铁路隧道设计规范》规定隧道结构计算分为“概率极限状态法设计”和“破损阶段法或容许应力法设计”两种形式，由于统计样本的问题“概率极限状态法设计”只适用于单线铁路隧道且与地面建筑采用的“概率极限状态法设计”在可靠度、分项系数等方面都不相同，《公路隧道设计规范》规定隧道结构应按破损阶段法验算构件截面的强度。

经过调研，电力行业明挖电缆隧道设计方法主要采用“概率极限状态法设计”。本文依托工程，对目前隧道行业采用的“概率极限状态法设计”和“破损阶段法或容许应力法设计”两种结构设计方法进行对比分析。

2.1 概率极限状态设计法

2.1.1 荷载与工况组合

地下结构上在确定荷载的数值时，应考虑施工期间和使用年限内预期可能发生的变化，根据国家标准GB 50009及相关规范规定进行最不利荷载组合，荷载组合及不同组合工况下的荷载分项系数取值。考虑施工期间和使用年限内预期可能发生的变化，分别按照基本组合、标准组合、偶然组合，进行最不利荷载组合，其中，组合系数执行《建筑结构荷载规范》。偶然荷载中地震作用和人防荷载按照《建筑抗震设计规范》和《人防地下室设计规范》要求考虑。

2.1.2 结构构件设计

以概率理论为基础的极限状态设计方法，采用分项系数的设计表达式按承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求进行计算和验算。验算应按规定的荷载对结构的整体进行荷载效应分析；必要时，尚应对结构中受力状况特殊的部分进行更详细的结构分析。结构计算、验算应符合下列规定：

(1)按承载能力极限状态应进行结构构件的承载力计算和整体稳定性(倾覆、滑移、上浮)验算，并应进行结构构件抗震的承载力验算；

(2)按正常使用极限状态进行结构构件的变形验算、裂缝宽度的验算等。

2.2 破损阶段法或容许应力法

2.2.1 荷载与工况组合

依据《铁路隧道设计规范》按破损阶段验算混凝土构件截面的强度，应根据不同的荷载组合，分别采用不同的安全系数，并不小于表1所示的数值。验算施工阶段的强度时，安全系数可采用表3 “永久荷载+附加荷载”栏内的数值乘以折减系数0.9。

表1 隧道衬砌结构的强度安全系数

2.2.2 结构构件设计

依据《铁路隧道设计规范》，破损阶段或容许应力法主要对构件截面的强度进行验算。破坏阶段法设计原则是：结构构件达到破坏阶段时的设计承载力不低于标准荷载产生的构件内力乘以安全系数K。破坏阶段法的特点是：以截面内力(而不是应力)为考察对象，考虑了材料的塑性性质及其极限强度；内力计算多数仍采用线弹性方法，少数采用弹性方法；仍采用单一的、经验的安全系数。

3 两种方法计算对比分析

隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。根据本工程浅埋及松散地层的特点，结构安全性检算采用“荷载—结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。

3.1 计算模式和计算参数

针对隧道结构型式和受力特点，“荷载—结构”计算模型中，主动荷载由水土荷载、地面附加荷载(汽车荷载)组成；被动荷载取值与结构向地层的变形量和地层弹性抗力系数成正比；在松散地层条件下，最不利荷载发生在埋深最大处。因而，取最大埋深处的设计断面，作为设计计算对象，按平面应变状态进行结构设计计算。计算中采用大型有限元程序ANSYS14.0作为分析手段。计算模型中，支护结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧底地基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。

拟定采用矩形框架结构，混凝土壁厚300 mm，结构净宽2400 mm，净高2750 mm，通过计算，确定结构配筋量。结构计算断面处地层的主要物理力学指标见表2。

表2 地层的主要物理力学指标

概率极限状态设计法和破坏阶段法或容许应力法的结构材料的主要物理力学指标分别执行《混凝土结构设计规范》和《铁路隧道设计规范》。

3.2 荷载计算

计算荷载取主动荷载加被动荷载模式，其中主动荷载包括主要荷载、附加荷载，主要荷载为水、土竖向荷载和水平荷载，附加荷载考虑了地面车辆荷载；被动荷载考虑地层对结构的弹性抗力。

3.2.1 水土荷载

(1)水、土竖向荷载

水、土竖向荷载按最不利情况考虑(最大埋深4 m，地下水位约4 m，年变幅1.5 m，由于本文只是对设计方法进行对比分析，因此只分析地下水位4 m时的情况)，计算中取上覆土全土重，隧道顶板土竖向荷载q=72 kN/m。

(2)水、土水平荷载

水、土水平荷载采用水土分算的计算方法。对于土的水平荷载按朗金主动土压力计算。计算摩擦角取30°，则λ=0.33，计算所得隧道顶板处土压力水平荷载24 kN/m，隧道底板处土压力水平荷载33 kN/m。

对于水的水平荷载按静水压力计算，即隧道顶板水平荷载0 kN/m，隧道底板水平荷载33.5 kN/m。

因此，隧道顶板处水、土压力竖向荷载为q=72 kN/m，隧道顶板水、土压力水平荷载24 kN/m，隧道底板处水、土压力水平荷载66.5 kN/m。

(3)被动荷载

地层对支护结构的被动抗力通过连接于结构与地层间的弹簧单元体现，两侧回填土和隧道底部的地层弹性抗力系数取值见表2。

3.2.2 地面车辆活载

按照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60－2004中公路－Ⅰ级车辆荷载布置和表3取值，选取最不利工况两车并行。

表3 车辆荷载的主要技术指标

计算所得隧道顶板处车辆竖向荷载Poz=7 kN/m，计算所得隧道顶板处车辆水平荷载Pox=3.7 kN/m。

(3)地震荷载

本例工程中地震加速度为0.15 g，依据《铁路工程抗震设计规范》GB 50111－2006，跨度小于8 m的明洞，当动力加速度为0.1 g或0.15 g时，不需要抗震验算。

3.3 荷载组合

采用概率极限状态法，依据《建筑结构荷载规范》，永久荷载分项系数取1.35，可变荷载分项系数取1.4。采用基本组合，隧道顶板竖向荷载为107 kN/m，隧道顶板水平荷载为38 kN/m，隧道底板水平荷载为95 kN/m。采用标准组合，隧道顶板竖向荷载为79 kN/m，隧道顶板水平荷载为28 kN/m，隧道底板水平荷载为70 kN/m。

采用破损阶段或容许应力法，依据《铁路隧道设计规范》，采用标准组合，隧道顶板竖向荷载为79 kN/m，隧道顶板水平荷载为28 kN/m，隧道底板水平荷载为70 kN/m。

3.4 内力计算结果和构件强度检算

3.4.1 概率极限状态法内力计算结果

(1)结构弯矩和结构轴力等，具体结果见图1、图2。

(2)承载能力极限状态计算

表4 配筋计算

(3)正常使用极限状态验算

表5 裂缝宽度验算

(4)抗浮验算

地下水位为4 m，浮力计算采用阿基米德原理。

计算得每延米隧道F浮=80.4 kN/m。

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

抗浮安全系数K=2＞1.05，满足北京地区抗浮安全系数经验值的要求。

3.4.2 破损阶段法或容许应力法计算结果

(1)结构变形，结构弯矩和结构轴力等，具体结果见图3、图4。

图3 弯矩(标准组合)

图4 轴力(标准组合)

(2)构件配筋计算

表6 配筋计算(满足最下安全系数大于2.0)

3.5 两种设计方法计算对比

(1)概率极限状态设计法中的材料参数采用设计强度值，破坏阶段法中的材料参数采用极限强度值，各材料的极限强度值大约是设计强度值1.2～1.4倍。另外，概率极限状态设计法采用混凝土轴心抗压强度，而破坏阶段法采用弯曲抗压极限强度。

(2)概率极限状态设计法中的荷载组合主要采用基本组合，永久荷载分项系数采用1.35，可变荷载分项系数采用1.4。破坏阶段法荷载组合主要采用标准组合。

(3)概率极限状态设计法进行承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算，而破坏阶段法进行衬砌强度计算。

(4)对于大、小偏心判别，概率极限状态设计法采用通过相对受压区高度与相对界限受压区高度比较进行判别，而破坏阶段法则直接简化为通过相对受压区高度与0.55 h0比较进行判别。

(5)对于小偏心受压构件计算，概率极限状态设计法中，受拉侧钢筋应力计算公式是以混凝土达到极限应变作为构件达到承载能力极限状态标志给出的，受压混凝土面积为计算混凝土受压面积。破坏阶段法中，受拉侧钢筋应力计算公式采用钢筋抗拉强度计算值，受压混凝土面积为半截面面积。

(6)采用概率极限状态设计法承载能力计算中的弯矩和轴力值是破坏阶段法中承载能力计算中的的弯矩和轴力值的约1.3倍。采用破坏阶段法中标准荷载组合计算得到的配筋量是概率极限状态设计法基本荷载组合计算得到的配筋量的约1.1倍。

4 结论

通过依托工程对比计算和理论分析，同等条件下，破坏阶段法在配筋计算方法、安全余度、材料强度指标方面相比概率极限状态法更加保守，破坏阶段法在材料强度指标方面相比概率极限状态法更加保守，采用概率极限状态法设计相比破坏阶段法设计经济指标更优。因此，结合调研情况，在外部荷载明确且已有大量应用概率极限状态法的明挖电缆隧道工程中，建议采用概率极限状态法。

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

[2]薛丽伟，等.新江湾城市电力电缆隧道设计[J].上海：上海电力，2006.

[3]杨明.镇江南徐变电站电力电缆隧道结构设计[J].南京：江苏建筑，2012.

[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].