河北南网城市电力隧道设计研究

【摘要】本文介绍了河北南网地区电力隧道设计理论、对现有暗挖电力隧道的设计方法进行了优化分析、为河北南部地区开展电力隧道设计提供了可靠的技术经验和理论基础。

一、河北南网城市电力隧道设计概述

随着城市建设的不断发展，城市用地日益紧张，电力架空线路转入地下已成为必然趋势。北京、上海、成都、河北等地已经先后开始电缆入地工程。近年来，电力隧道发展迅速，但电力隧道设计和施工相关标准却严重滞后，阻碍了城市电力隧道的健康发展，为确保电力隧道结构安全、节省投资、规范电力隧道建设行为，亟需在河北南部电网开展城市暗挖电力隧道设计方法优化研究。

二、城市电力隧道设计计算理论的发展阶段

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，所以如何恰当地反映支护结构与围岩相互作用的力学特征，正是支护结构设计计算理论需要解决的重要课题。隧道工程从开挖、支护，直到形成稳定的地下结构体系所经历的力学过程中，围岩的地质因素、施工过程等因素对围岩-结构体系终极状态的安全性影响极大。准确地将其反映到计算模型中，是十分困难的。

由此可见，地下结构的力学模型必须符合下述条件：

①与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态;

②荷载假定应与在修建洞室过程（各作业阶段）中荷载发生的情况一致;

③算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致;

④材料性质和数学表达要等价。

只要符合上述条件，任何计算方法都会获得合理的结果。

显然，洞室支护体系的力学模型是与所采用的支护结构的构造及其材料性质、岩体内发生的力学过程和现象以及支护结构与围岩相互作用的规律等有关。

地下工程支护结构理论的发展至今已有百余年的历史，它与岩土力学的发展有着密切关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，也带动着地下工程支护结构理论的进一步飞跃。随着新奥法施工技术的出现以及岩土力学、测试仪器、计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程支护结构理论正在逐渐成为一门完善的科学。

地下工程支护结构理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构的荷载以及如何考虑围岩的承载能力。从这方面讲，支护结构计算理论的发展大概可分为3个阶段，即刚性结构阶段、弹性结构阶段和连续介质阶段。应该指出，地下结构计算理论的上述几个发展阶段在时间上并没有截然的先后之分，后期提出的计算方法一般也并不否定前期的研究成果，鉴于岩土介质的复杂多变，这些计算方法都有其比较适用的一面，但又各自带有一定的局限性。但是，各种新方法的不断出现，意味着地下结构的计算理论将日益趋于完善。

三、河北南网地区电力隧道结构形式

开挖后的隧道，为了保持围岩的稳定性，一般需要进行支护和衬砌。支护的主要方式有：锚杆、钢架、钢筋网、喷射混凝土及其它的组合。隧道结构的主要形式有：整体式混凝土衬砌、拼装式衬砌、喷射混凝土衬砌和复合式衬砌等。

根据河北南网以往隧道工程的修建经验，网喷混凝土施工速度快、工艺成熟、施工过程中无需架设模板，比较适合空间狭小的地下工程，同时也能满足开挖后及时施作的要求，但网喷混凝土受工艺影响，其耐腐蚀性和抗渗性能相对较差;整体式混凝土衬砌有较好的地质适应性和抗渗性能，但施工时需架设模板，存在施作不及时的缺点，不适合在松散地层单独使用;装配式衬砌具有施作及时，承载快等特点，但需要有配套的加工工厂和架设设备，并且抗渗性能不好，比较适合盾构法施工的隧道工程;复合式衬砌经过多年的发展，施工技术已非常成熟，适用于各种类型的隧道。根据河北南网地区地层条件以及河北省电力隧道的多年修建经验，从结构安全和耐久性角度出发，研究推荐河北南网电力隧道采用复合式衬砌形式。考虑工程造价和电力隧道运行环境要求，在无水段可采用网喷衬砌作为单独的结构形式，但建议施工中应适当预留补强空间。

四、河北南网地区电力隧道设计优化思路和方法

由于河北南网地区基本为土质地层，参考围岩压力确定方法，可知隧道的水平与竖向荷载大致呈比例，即可用侧压力系数来表示，而隧道断面的受力规律在水平荷载与竖向荷载一定的情况下是相同的，因此隧道的受力分布只与侧压力系数有关。基于此，本研究采用竖向荷载100kN，水平荷载随侧压力系数的不同取值而定，可优化出不同侧压力系数下合理的隧道受力截面。

优化隧道设计中，喷混凝土厚度为20cm，建模的内轮廓线为混凝土内轮廓线。建立隧道断面模型时，需要优化的参数有仰拱高度，仰拱倒角半径，拱顶倒角半径，拱顶高度，由此利用几何关系即可确定给定高宽隧道的具体断面尺寸形式。

在隧道修建中拱顶高度变化比较大，所以优化重点应放在拱顶高度上。本研究的思路是通过部分验算结果，分析并统计其规律，确定隧道的拱顶倒角，仰拱倒角以及仰拱高度，在此基础上再对拱顶优化。最终按照不同的侧向系数优化出不同受力合理的断面。

（1）仰拱高度

断面设计中初步拟定设置中心排水沟，考虑到水沟高度影响，所以仰拱高度不能太小，可按大于0.40m设定。由于仰拱开挖耗费大量人力，参考铁路隧道和公路隧道仰拱设计，仰拱也不能太高，为方便设计可设置小于0.45m，对于宽为3.1m的大截面仰拱矢高应小于0.65m。

（2）仰拱倒角半径

为方便施工，仰拱倒角不宜太小，研究中倒角半径按不小于0.25m考虑。而由于仰拱高度范围确定，所以倒角半径不可太大，参考公路隧道铁路隧道仰拱倒角半径与仰拱半径比例一般在1：15，可初步设定倒角半径不大于0.3m。对于宽为3.1m的大断面倒角半径为0.3m～0.35m。

（3）拱顶倒角半径

最小值确定与仰拱倒角半径相同，最大值确定方面，由于拱顶高度可能比仰拱高一些，再参考公路隧道与铁路隧道在倒角半径方面的取值，初步设定不大于0.40m。对于宽为3.1m的大截面倒角半径为0.3m～0.35m。

（4）拱顶高度

由于隧道的高度和宽度变化比较大，所以对于具体断面隧道高度对截面优化影响比较大，因此拱部最小高度确定为0.45m;对于宽为3.1m的大断面拱顶高度最小值确定为0.65m，对于最大值，根据隧道具体截面要求确定。

采用ansys软件进行模拟，建模时用梁单元模拟二次衬砌。初步依据梁单元结构所受的最大弯矩值最小进行来优化。优化的过程为，不断改变上述其中的参数值，然后取弯矩值，截面最大弯矩值最小的初步定为最优截面。

截面所受的最大弯矩值与拱顶高、仰拱以及侧压力系数有关。不同的地质条件即侧压力系数不同，需要对隧道断面进行不同的优化。通过优化计算，可以得出在给定的侧压力系数条件下，拱顶高与最大弯矩值的关系，也可以得出给定拱顶高的条件下，侧压力系数与最大弯矩值的关系。通过这些关系寻找断面优化的规律。另外，拱顶倒角和仰拱倒角也对优化结果有影响，但是两者的优化范围较小，对优化值的影响较小，所以优化过程省略，直接给出优化值，在此基础上再对下面的参数进行优化。

五、结束语

本文介绍了河北南网地区电力隧道设计优化思路和方法，阐述了部分已取得相关研究成果：在地层统计分析的基础上提出了围岩压力计算方法、推荐了衬砌类型和结构设计计算方法、对现有暗挖电力隧道的断面参数进行了优化分析、为河北南部地区开展电力隧道设计提供了可靠的技术经验和理论基础。