一種明挖電纜隧道三(四)通結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

一種明挖電纜隧道三(四)通結(jié)構(gòu)的簡化計(jì)算方法

李兵兵，武淑敏，李占嶺

(河北省電力勘測設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050031)

結(jié)合某電纜隧道工程的實(shí)際情況，分析三(四)通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型和二維計(jì)算模型受力特性，提出一種簡化三(四)通結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，經(jīng)過計(jì)算和對比分析，說明該方法可應(yīng)用于三通結(jié)構(gòu)電纜隧道可研或者初步設(shè)計(jì)的工程量估算，以及四通結(jié)構(gòu)電纜隧道的施工圖設(shè)計(jì)。

電纜隧道;三(四)通結(jié)構(gòu);三維計(jì)算模型;簡化算法

為了滿足城市規(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。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及城市化水平的提高，大量人口不斷涌向城市，對電力的需求也逐年上升。為了滿足電力供應(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［1-3］。通過分析某工程電纜隧道中三(四)通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型和二維計(jì)算模型受力特性，探討一種簡化三(四)通結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法，以期簡化今后電纜隧道三四通復(fù)雜地段結(jié)構(gòu)的計(jì)算工作。

1 工程概況

1.1 工程背景

擬建邯鄲東—欣甸π入市中220 kV線路工程，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)，全長約2.65 km，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。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。附近有城市道路及公路相連，交通便利。

1.2 工程地質(zhì)情況

1.2.1 地形地貌

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

1.2.2 沿線工程地質(zhì)特征

根據(jù)沿線地形地貌及巖性特征，沿線20m深度范圍內(nèi)的地層主要為第四系沖洪積地層，地層巖性主要以粉土、黏性土為主，局部砂類土和雜填土，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，全線地層巖性特征描述如下:雜填土，本層厚度一般在0.50～2.90 m;素填土，本層厚度一般在0.50～1.90m;細(xì)砂，本層厚度一般在0.90～4.30 m;粉土，本層厚度為2.40～7.00 m;粉土，本層厚度為1.00～5.00 m;粉質(zhì)黏土，本層厚度為0.50～1.00 m;黏土，本層厚度為1.00～5.20 m;淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，一般厚度為0.5 m左右;粉土，本層厚度為1.10～4.30m;質(zhì)黏土，本層厚度為1.20～5.70 m;粉土，本層厚度為3.00～5.00m。

1.2.3 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，受地勢影響，高速公路附近地下水埋藏較淺，地下水補(bǔ)給來源主要為大氣降水;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，綜合判定線路地基土對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

1.2.4 場地與地基的地震效應(yīng)

按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，考慮到場地地形地貌和地層的特點(diǎn)，綜合判定擬建場地屬于對建筑抗震的不利地段。結(jié)合附近工程地質(zhì)資料，判定線路沿線場地土類型為中軟土，建筑場地類別為Ⅲ類。

根據(jù)GB 18306—2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(圖A1)和GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，線路50年超越概率10%的地震動峰值加速度值為0.15 g，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算模式

采用結(jié)構(gòu)—荷載計(jì)算模式，概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算［4-6］。土豎向荷載取結(jié)構(gòu)最大埋深為4 m。以下利用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行建模計(jì)算分析。

為選擇合適的二維簡化模型，擬采用轉(zhuǎn)角45°處斷面進(jìn)行計(jì)算分析，見圖1。該處斷面尺寸適中，小于轉(zhuǎn)角90°處斷面尺寸，但大于正常隧道斷面尺寸，可在一定程度上考慮三維受力對結(jié)構(gòu)的有利影響，使計(jì)算模型更加接近實(shí)際情況。隧道壁厚400 mm，隧道凈寬為3.95 m，隧道凈高為2.75 m。計(jì)算模型中，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性平面梁單元模擬，隧道周邊彈性抗力以及隧底地基反力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。

三維計(jì)算模型中，計(jì)算范圍取交叉部位全部擴(kuò)大洞室結(jié)構(gòu)并向標(biāo)準(zhǔn)斷面各延長5 m，模型邊界端面節(jié)點(diǎn)自由度采用沿隧道方向的水平約束。支護(hù)結(jié)構(gòu)采用彈性平面殼單元模擬，隧道周邊彈性抗力以及隧底地基反力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。隧道壁厚400 mm，主隧道凈寬2.4 m，凈高2.75 m。

圖1 四通結(jié)構(gòu)示意(1－1剖面為轉(zhuǎn)角45°處斷面)

2.2 地層參數(shù)

結(jié)構(gòu)計(jì)算斷面處地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 地層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

2.3 材料參數(shù)

概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法的結(jié)構(gòu)材料的主要物理力學(xué)指標(biāo)見表2－3。

表2 混凝土的主要物理力學(xué)指標(biāo)

表3 鋼筋的主要物理力學(xué)指標(biāo)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

由于篇幅限制，以下只給出彎矩計(jì)算結(jié)果。

3.1.1 三通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果

三通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型的彎矩見圖2－3。

圖2 三通X向彎矩云

圖3 三通Y向彎矩云

通過圖2—3可知，X向彎矩值在三通頂板中心最大;Y向彎矩值在三通頂板和45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處最大。

3.1.2 四通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果

四通結(jié)構(gòu)三維計(jì)算模型的彎矩見圖4－5。

圖4 四通X向彎矩云

圖5 四通Y向彎矩云

通過圖4—5可知，X向彎矩值在四通頂板中心和45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處最大;Y向彎矩值在45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處最大。

3.1.3 二維簡化計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果

二維簡化計(jì)算模型的彎矩見圖6。

通過圖6可知，隧道彎矩值在隧道頂板中心處最大。

3.2 結(jié)果分析

a.三通三維計(jì)算模型與二維簡化計(jì)算模型相比，受到的最大彎矩值減小約50%，受到的最大軸力值增加約200%，最大變形值減小約50%。四通三維計(jì)算模型與二維簡化計(jì)算模型相比受到的最大彎矩值減小約 5%，受到的最大軸力值增加約150%，最大變形值減小約50%。3種計(jì)算模型相關(guān)數(shù)據(jù)對比見表4。

圖6 二維平面結(jié)構(gòu)彎矩云

表4 3種計(jì)算模型相關(guān)數(shù)據(jù)對比

b.由于隧道結(jié)構(gòu)一般在最大彎矩值處為控制點(diǎn)，因此重點(diǎn)分析該處詳細(xì)受力。三通結(jié)構(gòu)最大彎矩值位于三通結(jié)構(gòu)頂板中心45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處。在該處，三通三維計(jì)算模型與二維簡化模型相比，受到的彎矩值減小約50%，受到的最大軸力值增加約200%;四通結(jié)構(gòu)最大彎矩值位于頂板中心45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處。在該處，四通三維計(jì)算模型與二維簡化模型相比，受到的彎矩值減小約5%，受到的最大軸力值增加約25%。

c.對于具體工程中復(fù)雜的三通、四通結(jié)構(gòu)采用三維模型計(jì)算時，進(jìn)行建模分析需要耗費(fèi)大量人力和時間，而地質(zhì)模型和參數(shù)選取與實(shí)際情況又有一定的差異，導(dǎo)致最終的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況不完全相同。因此，簡化計(jì)算方法對于計(jì)算結(jié)果差距較大的三通結(jié)構(gòu)可應(yīng)用與可研或者初步設(shè)計(jì)的工程量估算，對于計(jì)算結(jié)果相差較小的四通結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

a.三通、四通結(jié)構(gòu)在45°轉(zhuǎn)角頂板與直墻連接處和頂板中心受力較大，在設(shè)計(jì)中應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

b.采用轉(zhuǎn)角45°處斷面簡化二維計(jì)算模型比三維三通、四通計(jì)算模型的計(jì)算結(jié)果偏于保守。該簡化計(jì)算方法對于計(jì)算結(jié)果差距較大的三通結(jié)構(gòu)可應(yīng)用與可研或者初步設(shè)計(jì)的工程量估算，對于計(jì)算結(jié)果相差較小的四通結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)。

c.由于實(shí)際工程情況不同，三通、四通結(jié)構(gòu)形式與以上表述的可能不完全相同，其受力規(guī)律可能存在差異，簡化計(jì)算方法還需要在實(shí)際工程中進(jìn)一步論證。

［1］葛榮良.從電纜隧道建設(shè)看城市地下空間的利用［J］.上海電力，2006，3(3):243-245.

［2］薛麗偉，潘國慶，王 樺，等.新江灣城市電力電纜隧道設(shè)計(jì)［J］.上海電力，2006，18(3):232-237.

［3］楊 明.鎮(zhèn)江南徐變電站電力電纜隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.江蘇建筑，2012，2(4):41-44.

［4］GB 50009—2012，建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［5］GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［6］GB/T 50476—2008，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

本文責(zé)任編輯:齊勝濤

A Simplified Calculation Method of Three(Four)-way of Open Cut Cable Tunnel

Combined with the actual situation of a cable tunnel project，this paper analyzes of mechanical properties of three (four)-way structure 3D calculation model and 2D calculation model，A simplified calculation method of three(four)-way structure.The calculation and comparative analysis，illustrates the three-way structure of cable tunnel and the method can be applied to the feasibility study or the preliminary design of the project estimation，for the foure-way structure of cable tunnel and themethod can be applied to the construction drawing design.Key words:cable tunnel;three(four)-way structure;3D calculation model;simplified calculation method

1001-9898(2014)06-0016-04

2014-04-23

李兵兵(1983－)，男，工程師，主要從事輸電線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TM247

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