城市明挖电缆隧道断面设计及结构计算

蒋媛美， 黄 庆， 汤晓刚， 张恺茹

(1.合肥大科学装置集中区建设有限公司，安徽 合肥 230031；2.安徽华电工程咨询设计有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引 言

随着我国经济社会和电网建设的发展，用电负荷不断增长，尤其在经济发达的沿海城市，年增长率逐年增加；与此同时，城市人口增加，土地资源紧缺[1,2]，城市发展对市容景观的要求也越来越高，传统的架空线路逐渐被电缆所取代，电缆隧道由于其传输容量大、能可靠防止外力破坏供电安全性高、可容纳多电压等级的电缆集中敷设、便于运维检修等优点，被越来越多地应用到城市电力建设中。电缆隧道主体结构设计使用年限为100年，安全等级按隧道重要性划分，重要的电缆隧道结构重要性系数不小于1.1[3]。隧道设计应充分依据用电负荷、外部荷载、水文地质条件、地形地貌、地下管线、远景规划等因素[4]，选择合适的断面形式，满足结构安全性、经济性、适用性的要求。

1 工程概况

本工程电缆隧道位于合肥市蜀山区大科学装置园区，由东西向隧道和南北向单舱隧道组成，全长982.4 m，为明挖隧道。隧道共计敷设72回10 kV电缆和36回35 kV电缆，为园区11栋单体建筑楼供电。隧道沿线主要分布的地层为松散状态的填土、软塑～可塑偏软状态的粉质黏土、可塑～硬塑状态的黏土、硬塑状态的含砾粉质黏土、强～中风化泥质砂岩，详细地质参数见表1。

表1 各地层主要物理力学指标

本工程隧道埋深约3.0 m，基础持力层多位于③～④地层，承载力较高，地质条件较好。

2 隧道断面设计

隧道断面设计应以“经济适用、适当预留”为原则，充分考虑隧道纳入管线安装维护功能的需求，同时考虑地区长远发展对管线的扩容需求，经技术经济研判确定。根据国内外相关工程经验，在采用明挖现浇法[5]施工时，通常采用矩形断面。

2.1 断面高度确定

根据电缆规格，电缆数量，电缆层间距(表2)、上下层支架与顶板和底板的距离等因素[6,7]确定预期高度h，h还应满足规范电缆隧道净高不小于1.9 m，与其他管沟交叉的局部段净高不小于1.4 m的要求。

表2 电缆支架层间最小净距

2.2 断面宽度确定

根据电缆支架的长度和隧道内通道净宽，确定开挖式隧道断面宽度b：b≥l+900 mm(单侧支架，l为支架长度)；b≥2l+1 000 mm(双侧支架，l为支架长度)，如图1所示。本工程双舱电缆隧道共计敷设72回10 kV和24回35 kV电缆，每个单舱敷设36回10 kV和12回35 kV电缆。10 kV电缆支架共计7层，间距250 mm布置，每层敷设3根电缆，最上层为槽盒敷设；35 kV电缆支架共计3层，间距350 mm布置，每层敷设2根电缆。最上层支架净空350 mm，最下层支架净空300 mm，隧道净高h取3 200 mm。隧道双侧支架排列，支架长度为700 mm，通道为1 000 mm，隧道净宽b取2 400 mm。

图1 隧道断面图(单位：mm)

3 荷载计算

电缆隧道荷载包括永久荷载和可变荷载，按承载能力极限状态进行荷载效应最不利组合，主要荷载取值见表3。

4 复杂节点通风口受力分析及配筋设计

隧道通风口位于东西向隧道东侧端部位置，设有3处引接口用于北侧变电站电缆集中出线，引接口设置成弧形且局部加高，满足电缆转弯半径的要求，同时便于与站内电缆沟衔接。通风口中部为二层结构，设置风机房、通风口及逃生口，整体布局紧凑，结构形式复杂。该处通风口位于北侧变电站和南侧工厂房之间，除受常规荷载外，还应考虑厂房重大设备运输的重型车辆荷载的影响。电缆隧道平面如图2所示。

图2 电缆隧道平面图

采用ANSYS建立通风口有限元模型，顶板、底板和侧墙采用Shell 63板壳单元模拟，梁采用Beam 188单元模拟,如图3所示。按最不利荷载工况进行加载，进行受力分析[8，9]，计算结果如图4～图6所示。

图3 通风口有限元模型

图4 位移云图(单位：m)

图5 弯矩图My(单位：N·m)

图6 弯矩图Mx(单位：N·m)

由图4可知整体结构变形较小，最大位移为10.093 mm，发生在第一个引接口侧墙部位。同时该部位也是弯矩最大的部位，x和y方向的弯矩分别为110.08 kN·m和119.96 kN·m。由于该处截面加高，由3.2 m加高到5.2 m，是整个通风口结构薄弱部位，可以针对性地进行加强，例如采取增加构造柱、增大壁厚、钢筋加强等措施。

根据计算所得结构各个部位的弯矩和剪力设计值，分别进行相应部位的配筋设计，下面以侧墙跨中配筋设计[10]为例：

(2)截面验算：V=0.00 kN < 0.7βhftbh0=274.75 kN。

(3)正截面受弯承载力计算：

① 按单筋计算：as下=50 mm，相对受压区高度ξ=x/h0=0.122 <ξb=0.518。

②受力纵筋：As=ξα1fcbh0/fy=1 420 mm2/m,ρmin=0.20%<ρ=0.47% <ρmax=2.40%。

(4)配置钢筋：

受力纵筋：计算As=1 420 mm2/m，

实配E20@150(2 094 mm2/m ρ=0.70%)，配筋满足。

(5)裂缝计算：

①计算参数：Mq=79.79 kN·m(正常使用极限状态)，最大裂缝宽度限值0.200 mm。

②受拉钢筋应力：σsq=Mq/(0.87h0As)=175.16 N/mm2

③裂缝宽度：Wmax=0.172 mm

5 结 论

电缆隧道在城市电力建设中发挥着越来越大的作用，隧道设计应充分依据用电负荷、外部荷载、水文地质条件、地形地貌、地下管线、远景规划等因素，合理规划隧道路由，选择最佳的断面形式。对于结构复杂的关键节点部位，应对其进行受力分析，找到其受力的薄弱部位，有针对性地进行加强，保证隧道结构安全。文章对隧道实例的结构计算过程可为同类型电缆隧道结构设计提供参考。