高壓電纜隧道綜合井內力計算研究

李 杰

（中國市政工程中南設計研究總院，湖北武漢 430010）

0 前言

隨著我國經濟的發展，伴隨著人口城市化水平的不斷提高，城市開發面積迅速增加。為提高土地的使用價值，中心城區的土地開發容積率也相應提高，以前規劃的電力負荷不能滿足城市發展的需要，而在中心城區地面已經找不到高壓電力架空通道，導致220 kV以上的高壓電力只能敷設在地下。為保證高壓電纜的運行安全、電纜冷卻、線路維修和監控等要求，高壓電纜不能采用直埋方式敷設，必須修建地下隧道，滿足高壓電纜的敷設要求。近幾年來，我國大城市（如上海、北京、廣州、深圳、成都等）開始修建了電纜隧道作為高壓電纜的敷設通道。

目前，高壓電纜隧道的消防、通風、電纜冷卻、運行安全、線路維修和監控等還沒有相應的技術規范可循，在設計時，以上設計內容參照《地鐵設計規范》（ GB 50157-2003）[2]和《電力工程電纜設計規范》（GB 50217－2007）[5]等相關規定，并與當地供電部門協商溝通確定其設計技術參數。

豎井是地下工程的常用結構，如地下商場、長公路隧道、地鐵的通風豎井等，但是，它們的功能單一，尺寸較小。在電纜隧道中，豎井是其重要組成部分，其功能包括施工出渣、消防逃生、通風、投料和電纜出入線等，在電纜隧道設計時將其稱之為綜合井。

1 綜合井結構設計

示例為深圳市某電纜隧道綜合井構造見圖1所示，為了避讓地鐵，整個電纜隧道覆土較深。綜合井平面尺寸為14.5 m×13 m的矩形，高23.5 m，基坑深28 m。綜合井立面分隔為四層，負3層為電纜通道層、負2層為通風設備層、負1層為電力設備層和夾層。

圖1 綜合井構造圖（單位：cm）

2 綜合井計算方法

目前，綜合井設計的計算方法相關設計規范還沒有明確規定。參照《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[1]和《地下結構設計》[3]，對矩形綜合井目前一般按照井壁、內支撐和底板分別單獨建模計算，具體方法敘述如下。

2.1 井壁、內支撐內力計算方法

矩形綜合井計算井壁、內支撐的內力時，可分下述三種情況：

（1）當內支撐橫梁間距大于矩形長邊2.0倍時，可以不考慮橫梁的影響，沿豎向取單位寬度數段，分別按水平矩形閉合框架計算。

（2）當矩形短邊大于內支撐橫梁間距2.0倍時，可水平方向取1 m寬的一段，按連續梁計算，連續梁的支座反力由橫梁與圈梁所構成的豎直框架承擔。

（3）當內支撐橫梁間距小于或等于矩形短邊2.0倍時，則將每一側面的井壁按照內支撐分隔區間，分為多塊雙向板計算。

2.2 底板內力計算方法

計算矩形綜合井底板的內力時，可根據底板兩側井壁和底橫梁上的支撐情況確定，可按單向板或雙向板計算內力并配筋。

3 綜合井計算模型

參考《地下結構設計》[3]，示例綜合井的井壁、內支撐內力計算符合《地下結構設計》[3]第二種情況；底板內力計算符合按雙向板計算規定。以下根據綜合井結構內力計算分別建立六種計算模型進行比較。

3.1 井壁內力計算模型

3.1.1 ①連續梁模型

示例綜合井的井壁水平方向取單位寬度，按照連續梁計算。底板按固結模擬，頂板、內支撐按鉸支點模擬，荷載為梯形線荷載（q1，q2）。計算簡圖見圖2所示。

圖2 ①連續梁模型（單位：cm）

3.1.2 ②連續板模型

取矩形長邊對應的井壁按三邊固結的連續板計算，內支撐橫梁按梁單元固結模擬，荷載為梯形面荷載（q3，q4）。計算簡圖見圖3所示。

3.1.3 ③板單元實體模型

按照綜合井實際結構尺寸建立板單元實體模型，忽略內支撐之間豎向立柱對結構內力的影響，在頂板四個角設置鉸支點，在底板每個側面設置兩個彈簧支點。井壁荷載為梯形面荷載（q3，q4），底板均布面荷載（水壓力q5）。計算簡圖見圖4所示。

圖3 ②連續板模型（單位：cm）

圖4 ③板實體模型

3.1.4 ④空間實體模型

按照綜合井實際結構尺寸建立空間實體模型，忽略內支撐之間豎向立柱對結構內力的影響，在頂板四個角設置鉸支點，在底板每個側面設置兩個彈簧支點。井壁荷載為梯形面荷載（q3，q4），底板均布面荷載（水壓力q5）。計算簡圖見圖5所示。

圖5 ④空間實體模型

3.2 底板內力計算模型

3.2.1 ⑤雙向板模型

底板按雙向板計算，內支撐豎向立柱忽略不計，荷載為均布面荷載（水壓力q5）。計算簡圖見圖6所示。

圖6 ⑤雙向板模型

3.2.2底板內力計算

底板內力計算由“③ 板單元實體模型”和“④空間實體模型”一并計算，具體參見“井壁內力計算模型”。

3.3 圈梁、橫梁內力計算模型

3.3.1 ⑥框架模型

當井壁內力按連續梁模型計算時，中間支點反力由內支撐系統橫梁與圈梁構成的豎直框架承擔。橫梁與圈梁計算簡圖見圖7所示。

圖7 ⑥框架模型（單位：cm）

3.3.2圈粱、橫梁內力計算

圈梁、橫梁內力計算由“② 連續板模型”、“③板單元實體模型”和“④ 空間實體模型”一并計算，具體參見“井壁內力計算模型”。

4 計算結果及分析

本文示例主要考慮水壓力、側向土壓力、頂板土壓力，活載較小，折算為頂板土壓力考慮，其它荷載忽略不計。綜合井內力分析主要取矩形長邊對應的井壁（底板至圈梁1區域）、圈梁1內支撐和底板進行分析。荷載結構分項系數取1.35，結構重要系數為1.1。

各計算模型中的荷載值：線荷載q1=78.7 kN/m，q2=398.9 kN/m。荷載 q3=78.7 kN/m2，q4=398.9 kN/m2,q5=255 kN/m2。頂板壓力荷載F=225 kN/m。

4.1 井壁內力計算結果

四種計算模型中，綜合井井壁的豎直方向（Y軸方向）內力最不利組合值見表1所列；水平方向（X軸方向）內力最不利組合值見表2所列。

表1 豎直方向井壁內力峰值表

4.2 底板內力計算結果

兩種計算模型中，底板內力最不利組合值見表3所列。

4.3 圈梁、橫梁內力計算結果

四種計算模型中，圈梁內力最不利組合值見表4所列，橫梁內力最不利組合值見表5所列。

4.4 計算結果分析

（1）雖然矩形短邊大于內支撐橫梁間距1.5倍，可沿井壁水平方向取單位寬按連續梁計算，而忽視井壁水平方向受力計算。由表1和表2可見：在四種不同計算模型中，連續梁模型計算的井壁底部的負彎矩偏小；從其它計算模型看，井壁水平方向彎矩也較大，甚至水平方向正彎矩值比豎直方向的正彎矩值大。

表2 水平方向井壁內力峰值表

表3 底板內力峰值表

表4 圈梁內力峰值表

表5 橫梁內力峰值

（2）由表3可見：綜合井底板在三種不同計算模型中，彎矩、剪力的計算結果誤差較小（負彎矩最大誤差為29.3%，正彎矩最大誤差為11.9%，剪力最大誤差為12.3%）。但是，底板承擔的壓力，雙向板模型不能計算其值。

（3）由表5可見：綜合井內支撐橫梁在四種不同計算模型中，其內力的計算結果誤差較大。但是，板單元實體模型與空間實體模型的內力計算結果比較接近，而連續板模型不能計算圈梁承擔的壓力。

（4）由表4可見：綜合井內支撐圈梁在四種不同計算模型中，其內力的計算結果誤差較大。但是，板單元實體模型與空間實體模型的內力計算結果比較接近，而連續板模型不能計算圈梁承擔的壓力。若采用連續梁模型支座反力計算圈梁內力，計算結果誤差過大，設計偏保守。

（5）由表5可見：綜合井內支撐橫梁在四種不同計算模型中，其內力的計算結果誤差較大。若采用連續梁模型支座反力計算橫梁內力，計算結果誤差過大，橫梁1設計偏保守，而橫梁2設計偏小，存在安全隱患。

（6）空間實體模型計算的內力值可能最接近結構實際受力情況，但是，其計算建模復雜，內力查詢困難。

對四種不同計算模型進行綜合比較，板單元實體模型與空間實體模型的計算內力比較接近。并且板單元實體模型建模較單復雜，內力查詢方便，各構件內力計算結果均偏安全。

5 結語

（1）目前，矩形綜合井設計一般按照井壁、內支撐、底板分別單獨建立模型計算結構內力，井壁、底板按純彎構件計算配筋。從上面的計算結果分析發現，采用這種計算方法井壁設計存在安全隱患，而內支撐、底板設計又偏保守。

（2）采用板單元實體模型對綜合井進行內力分析，其建模較簡單，并且其內力計算結果與綜合井的實際受力情況最接近，且偏安全。井壁水平方向、底板、圈梁宜按壓彎構件計算配筋。井壁豎直方向是否考慮水浮力產生的壓力，需要根據地下水水位變化最不利情況考慮。

（3）高壓電纜隧道建設隨著城市的發展擴大而產生，希望相關主管部門盡快出臺電纜隧道設計規范，為相關工程技術人員提供設計依據。

[1]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S].

[2]GB 50157-2003，地鐵設計規范[S].

[3]劉增榮，羅少鋒.地下結構設計[M].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[4]李志業，曾艷華.地下結構設計原理與方法[M].成都：西南交通大學出版社，2003.

[5]GB 50217－2007，電力工程電纜設計規范[S].