复杂场地条件下电力隧道的抗震设计

2020-06-23张喜

特种结构 2020年3期

张喜

(上海市政工程设计研究总院(集团）有限公司 200092）

引言

电力隧道是将电缆敷设在事先建好的地下隧道内的一种电缆安装方式，用于电缆线路较多和电缆线路沿线不易开挖的场所。相比架空线路，电力隧道可以提高运行安全性，避免外部环境等因素的影响，减少受外力破坏可能性，同时可减少对城市景观的影响。上海市已建或在建的电力隧道工程也有很多，主要包括静安世博电力隧道、半淞园路电力隧道、杨高中路(源深站-罗山路开关站）电力隧道、于田路曹安路电力隧道等。

目前我国尚未出台专门针对电力隧道等地下结构的抗震设计规范，对其抗震设计主要参照《地下结构抗震设计标准》 (GB/T 51336 -2018）[1]和《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》(GB 50032 -2003）[2]，顶管隧道横向抗震计算可参照文献[1]，顶管隧道纵向计算可参照文献[2]。国家和地方分别发布《市政公用设施抗震设防专项论证技术要点(地下工程篇）》和《上海市市政(公路）公用设施抗震设防专项论证管理办法》的通知，要求对地下工程进行抗震设防专项论证。本文依据具体工程采用反应位移法对电力隧道进行计算分析。

1 工程概况

上海浦东新区前程路电力隧道总长约2.6km，沿线共设6 座顶管井(兼做电缆工井），为了加快施工工期，其中5 座为工作井， 1 座为接收井，电力隧道采用顶管施工工艺。结构安全等级为一级，结构构件设计使用年限为100 年。顶管管节 DN3500，管节长度2.5m，管节厚度320mm，混凝土等级强度为 C50， F 型钢套环的承插式接口。

拟建隧道场地地形较为平坦，隧道沿线主要为正常沉积地层，地基土主要由饱和粘性土、粉土以及砂性土组成，分布较为稳定。本工程构筑物抗震设防类别为乙类，拟建场地第四系覆盖层厚度均大于80m。建设场地20m 深度范围内土层以软弱土为主，场区抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.9s，拟建工程地震作用应按7 度烈度考虑，抗震措施按8 度设防。工程土层参数见表1。

表1 土层力学参数Tab.1 Dynamic parameters of soil layer

2 计算方法

2.1 隧道横向抗震计算

目前隧道结构横向抗震计算主要采用反应位移法[3-5]，本工程横向抗震计算采用反应位移法Ⅱ进行计算，土体基床系数采用静力有限元法进行计算。

首先，用Midas GTS 软件进行一维土层地震反应分析。本工程中土层相关动力参数如表1 所示，隧道中心埋深按24.0m。土层模型按剪切层法，土层本构关系如图1 所示。计算采用50 年超越概率10%的工程场地代表性基岩地震动时程，如图 2 所示。

图1 模量、阻尼比与剪应变关系Fig.1 Relationship between modulus，damping ratio and shear strain

图2 工程场地代表性基岩水平向地震动时程Fig.2 Horizontal ground motion time history of representative bedrock in the project site

其次，用Midas GTS 软件建立结构和土层有限元模型，计算地基弹簧刚度。土体采用平面应变单元，隧道结构采用梁单元建模，土层左、右侧边界距隧道中心均为15m，土层底部边界取至⑧层土顶，土层侧向和底部边界为固定边界。在隧道结构上分别施加单位法向力和单位切向力，进行静力有限元分析，得到单位力作用下的土层位移。地基弹簧刚度按[1]:

式中:k为圆形结构侧壁压缩或剪切地基弹簧刚度(kN/m）；q为结构单元上作用的单位力；δ为单位力作用下土层最大变形。

然后，用Midas GTS 软件建立荷载-结构计算模型。将周围土体作为支撑结构的地基弹簧，地基弹簧只考虑受压，结构采用梁单元进行建模。分别考虑永久荷载: 结构自重、隧道结构顶部覆土荷载、隧道结构侧向水土荷载，水浮力(抗浮水位按地面以下0.5m 考虑）；可变荷载:电力设备荷载 8kN/m2，地面超载 20kN/m2；地震作用(7 度设防地震）: 土层相对位移，结构惯性力，结构周围剪力。隧道结构各种地震荷载计算说明见文献[1]。

结构构件的地震作用和其他荷载作用基本组合效应按线性关系考虑，作用效应设计值可按[1]:

式中:γG为重力荷载分项系数，一般情况下取1.2，对构件承载能力有利时取 1.0；SGE为重力荷载代表值效应；γEh为水平地震作用分项系数，取1.3；SEhk为水平地震作用标准值的效应。

2.2 隧道纵向抗震计算

本隧道属于地下直埋承插式圆形管道，根据文献[2]10.1.2 条，应在采取8 度抗震措施的基础上，计算在水平地震作用下，剪切波所引起的变形。隧道在地震作用下的纵向变形与反应位移法Ⅲ类似，都是先求出地震作用下的地层变形，然后根据地层和隧道结构的关系，计算出隧道结构的变形。

隧道纵向剪切波所引起的变形按[2]:

式中:为在剪切波作用下，管道沿管线方向半个视波长范围内的位移标准值(mm）；ζt为沿管道方向的位移传递系数；为在剪切波作用下，沿管线方向半个视波长范围内自由土体的位移标准值(mm）；U0k为剪切波行进时管道埋深处的土体最大位移标准值(mm）；KH为地震加速度系数；g为地震加速度；Tg为管道埋设场地的特征周期(s）；L为剪切波波长(m）；E为管道材质的弹性模量；A为管道的横截面；K1为沿管道方向单位长度的土体弹性抗力(N/mm2）；Vsp为管道埋设深度处土层的剪切波速(mm/s），应取实测剪切波速的2/3 值采用；Tg为场地特征周期(s）；up为管道单位长度的外缘表面积(mm2/mm）；k1为沿管道方向土体的单位面积弹性抗力(N/mm3）。

半个剪切波速视波长范围内的管道接头数量n:

式中:lp为顶管管节长度(m）。

根据文献[2]附录C.1.6，单个接头的轴向位移允许值ua取10mm。半个剪切波长范围内的管道轴线位移允许值为:n×10mm。

按照文献[2]公式5.5.2 条关于承插式接头的埋地管道在地震作用下应满足变位规定:

式中:γEHP为顶管水平向地震作用分项系数，取值1.20；λc为半个视波长范围内顶管接头协同工作系数，取值0.64； [ua]为单个接头设计允许位移量。

3 计算结果分析

3.1 横向抗震计算结果

一维土层地震反应分析，得到隧道所在位置的地层相对位移、结构周围剪力、峰值加速度，见表2。

表2 一维土层地震反应分析结果Tab.2 Seismic response analysis of one-dimensional soil layer

从表2 中可以看出，隧道顶点相对于底点的相对位移只有0.0021m，相对位移很小，加速度峰值取结构顶点相对底点位移最大值时刻的值，用此加速值计算隧道结构惯性力。

结构和土层有限元模型及土层位移如图3 所示，单位法向和单位切向力作用下最大变形分别为0.0414mm 和0.0560mm。按式(1）求出圆形结构侧壁压缩地基弹簧刚度24154kN/m，圆形结构侧壁剪切地基弹簧刚度17857kN/m。

隧道结构计算模型及地震作用下隧道结构内力如图4 所示，静力组合和地震组合下的内力见表3。

图3 土层隧道结构模型及位移Fig.3 Soil layer-tunnel structure model and displacement

图4 隧道结构模型及计算结果Fig.4 Tunnel structure model and calculation results

表3 结构地震反应计算结果Tab.3 Calculation results of structural seismic response

从图4 和表3 中可以看出，本工程地震工况下产生的轴力和剪力在地震组合中的比例均较小，而地震工况下产生的弯矩在地震组合中占50%以上，占比很大，设计中有必要考虑。从表3 中还可以看出，静力组合内力大于基本地震组合内力，地震工况不起控制作用，结构配筋由静力组合控制或裂缝控制。由于本工程电力隧道直径较小，且隧道整个位于同一土层内，故隧道顶、底的相对位移较小，由相对位移产生的内力也较小，故地震组合下的内力均小于静力组合下的内力。