镇江南徐变电站电力电缆隧道结构设计.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 2期 ( 总第 1 4 7期 ) 41 镇江南徐变电站电力电缆隧道结构设计 杨 明 ( 南京 市市 政设计 研 究院有 限责 任公 司 ， 江苏 南京2 1 0 0 0 8 ) 【 摘 要 随着城市经济的快速发展和用电负荷的逐年增加， 现有的输电设施已不能满足经济发展需求。大直径电缆隧道 是解决城市 内大容量电力输送的有效形式。结合 工程实 际， 介 绍 了电力 电缆 隧道 结构设计 中的若干 1-3 题 ， 可供设计人 员参 考。 关键词】 地下工程； 电力电缆隧道； 基础； 主体结构； 分析与设计 中图分类 - v 5 5 文献标识码】 B 【 文章 - 1 0 0 5 - 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 2 - 0 0 4 1 - 04 S t r u c t u r a l De s i g n o f P o we r C a b l e T u n n e l o f N a n x u S u b s t a t i o n i n Z h e n j i a n g YANG Mi n g ( N a n j i n g M u n i c i p a l D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ， L t d ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 8 C h i n a ) Ab s t r a c t ： El e c t ri c i t y l o a d i n c r e a s e d y e a r b y y e a r w i t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f c i t y e c o n o my ， S O t h a t t h e e x i s t i n g t r a n s mi s s i o n f a c i l i t i e s c a n n o t me e t t h e n e e d s o f e c o n o mi c d e v e l o p me n t L a r g e - d i a me t e r c a b l e t u n n e l i s a e f - f e c t i v e f o r m t o s o l v e t h e c i t y h i g h - c a p a c i t y p o w e r t r a n s mi s s i o n J o i n i n g w i t h t h e a c t u a l w o r k ， s e v e r a l p r o b l e ms i n s t r u c t u r al d e s i g n o f p o we r c ab l e t u n n e l are d i s c u s s e d S o me s u g g e s t i o n s are g i v e n t o p r o v i d e a r e f e r e n c e for d e s i g n e r s Ke y wo r d s ： t u n n e l e n g i n e e ri n g ； p o w e r c abl e t u n n e l ； f o u n d a t i o n ； ma i n s t r u c t u r e ； a n aly s i s a n d d e s i gn 0引 言 地下 空间 是地球上十分宝贵 的资源 。目前国内外大 中 城市用地 普遍 十分短缺 ，合理开发和综合利用城市地下空 间 ， 可缓解城市发展与土地资源紧张的矛盾 ， 提高土地利用 率 。 对于扩大城市生存发展空间具 有重要 的现实意义 I1 。 电缆隧道建设是 城市地下空 间开发利用 的一 种形式 。 目前电缆 敷设 采取 的形式主要有直埋 、 排管 、 电缆沟 以及 电 力隧道。相对 于直埋 、 排管与电缆 沟 ， 电缆隧道敷设 电缆具 有较大的优势。 一方 面， 电缆隧道较灵 活的地下埋设深度可 以有效解决城市电力通道资 源稀缺 的问题 ； 另一方 面 ， 电缆 隧道内独立、安全 可控 的运行环境可 以保障 电力 电缆设施 的本体安全 ， 满足电力电缆的设计 输送 容量要求闭 。 1 工 程 概 况 镇 江南徐 变电站 电力 电缆隧道工程 起于镇江市七里 甸镇南徐 大道 以北 的镇 江南徐 2 2 0 k V变 电站 止于南徐大 道 以南 、 长 山灌渠 以东的 电缆终端塔 全长 1 1 1 5 7 1 8 m0 其 中穿越南徐大道部分采用顶管施 工 ， 顶管埋 深约 8 m。 其他 部分采用电缆隧道 ， 明挖顺做法施工 ， 隧道埋深约 2 I l l 。 2 工 程 地 质 概 况 根据 镇 江南徐变 电站 电力 电缆隧道岩土工程勘察报 告 ， 隧道沿 线地区地势 略有起 伏 ， 地 面高程一般 为 6 3 0 m 1 1 8 0 f f l ， 地 形由于人类活动的影响 已遭破坏 ， 地貌单元在 1 S 9至 1 S 1 6号孔 的区域为丘 陵 其他 区域 为冲积平原 。土 层分布 、 土性特征 、 埋藏情况和地 质特征如表 1 所示 。 沿线地下水类 型主要有孔 隙潜水 、上层滞水和基 岩裂 隙水 。 地下水对混凝 土结 构无腐蚀性 ， 对钢筋混凝土结构中 钢筋在长期浸水条件下无腐 蚀性 。在 干湿交替条件下具 弱 腐蚀性 。 对钢结构具弱腐蚀性 。 地下水位以上的场地土对混 凝土结构及钢筋混凝土结构中钢 筋无腐蚀性 。对钢结构具 强腐蚀性 。 本工程在冲积平原区域分布有淤泥层 。地基承载力 特征值仅为 4 0 k P a ， 工程性状 较差 ， 对地基基础设计和施工 造成一定 的不 良影响。 3 结 构 设 计 3 1 设计原则 ( 1 ) 结构设计遵循 有关的设计规 范和规程 ， 根据构筑 物 使用要求和受力特点 ， 选择合理 的结构形式和计算方法。 ( 2 ) 结构设计应满 足电缆设计要 求 ， 并 根据构筑 物所处 位置 的工程地质 、水文条件 、周边环境条件及 构筑物的大 小 、 埋 深 。 本着安全 、 经济 、 方便施工的原则 选择 适当的结构 形式和施工方法 。 收稿日 2 0 1 2 - 0 2 1 0 作者简介】 杨 明 ， ( 19 8 0 一 ) ， 南 京 市 市 政 设 计 研 究 院 有 限 责 任 公 司 ， 工 程 师 ， 主 要 从 事 结 构 设 计 工 作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 2 江苏建筑 2 0 1 2年第 2 期 ( 总第 1 4 7期 ) 表 1 工程地质分布情况 ( 3 ) 电力电缆隧道 的设 计使用年 限为 1 0 0年 ， 结构安全 等级为二 级 ， 重要 性系数 1 0 ， 混凝 土结构的耐久 性满足二 类环境类别要求 ， 地下工程 防水等级为二级。 ( 4 ) 本工 程所处 的建 筑场地为 I 类 和 类 ， 构筑物抗震 设 防烈度为 7度 ， 设计基本地震加速度值 为 0 1 5 g ， 设计地 震 分组为第一组 ， 抗震设防类别为标准设防类。 ( 5 ) 沉井及电缆隧道箱涵不计侧 壁摩 阻力 的抗 浮安全系 数1 0 5 。 ( 6 ) 钢筋混凝土构筑物的最大裂缝宽度限值 0 2 mm。 3 2基础设计 电缆隧道基 础一般为 “ 超补偿式 基础” ， 多采 用筏板基 础 ，地 基承载力 一般均能满足要求 。地下结构 因为 防水要 求 ， 对沉降值和不均匀沉降差要求 比较严。 当路 面有埋设管 道要求 时 ， 顶板埋 深大 ， 覆土荷载大 ， 或基础 下部存在淤泥 质粉质 粘土等深 厚软土时 ， 回弹再压缩沉降值 比较可观。 根据本 工程 构筑 物的特 点 以及 地基 土组 成和工 程性 状 ， 构筑物在丘陵 区域采用天然地基设计方案。 在 冲积平原 区域， 当基础底面以下淤泥层的厚度较薄时， 采用换填垫 层的浅层处理方案，当基础底面以下淤泥层的厚度较大 时， 采用复合地基方案。鉴于淤泥层的有机质含量较高， 局部富含腐 植物接近泥炭质土 进行地基处理时不采用水 泥土搅 拌法 ， 而采用预制短桩进行加 固的复合桩基方案。 3 3主体结构设计 3 3 1 内力计算 电缆隧道采用壁 式框架结构 ，隧道净高 2 5 5 i n 净宽 3 5 i n ， 顶板 、 侧 壁厚 O 3 m， 底板厚 O 3 5 i n 底板外延 0 2 m。 电缆隧道标 准断面见图 1 。 图 1 电缆 隧 道 标 准 断 面 图 本工程计算 分析采用结构分 析通用程序 S A P 8 4进行 取单位宽度 的结构按底板支撑在弹性地基上的平面结构计 算 。壁板 和顶、底板 均采用三维框架单 元 F R A ME进行模 拟 。S A P 8 4计算软件框架单元 的理论模型是 T i mo s h e n k o梁 与拉 、 压杆 的组合 ， 它允许有轴 向拉压变形 、 轴 向扭转 变形 和具有剪切作用的弯曲变形 。 每个端点可以有六个 自由度3 】。 图 1 断面的计算结果见图 2 。 图 2电缆隧道标准断面弯矩设 计值 k N i n 3 - 3 2 裂缝 计算 根据 地下工程 防水技术规范 ， 地下工 程迎水面钢筋 保护层厚度不应小于 5 0 m m 且裂缝宽度不得大于 O 2 mm。 这 就会导 致大 多数情况 下截 面配筋 由裂缝 宽度验 算所 控 制 因此裂缝宽度的验算公式对工程配筋 的影响 比较大 。 对于钢筋混凝土构件的裂缝 有各种不 同的裂缝计算 理论及包含各种不 同变量的 、各种不同形式 的裂缝计算公 式 实质上可以概括 为 3 种裂缝计算理论 ： 粘结一 滑移理论 、 无滑移理论和综合裂缝理论 。 混凝土结构设计规范 的裂缝计算公式是依 据综合 裂缝理论建立 的 按荷载效应的准永久组合并考虑长期作 用影 响的最大裂缝宽度可按下列公式( 1 ) 计算 ： d ( 1 9 c + 0 0 8 ) ( 1 ) B 规范条文说 明中同时指出 。当混凝 土保 护层厚度较大 时 虽然裂缝宽度计算值也较 大 ， 但较大的混凝土保护层厚 度 对防止钢筋锈蚀是有利 的。 因此 ， 对混凝土保护层厚度较 大的构件 当在外观 的要求上允许 时 ， 可根 据实践经验 ， 对 规 范规定 的裂缝宽度允许值做适 当放大 。 。， L 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 2 期 ( 总第 1 4 7期 ) 4 3 公 路钢筋混凝土及预应力混凝 土桥 涵设 计规范 6 按 照数理统计 的方法 ， 分析影 响裂缝宽度 的各种 因素 ， 找出主 要 的因素 舍弃次要的因素 ， 给出了简单适用而又有一定可 靠度 的裂缝计算公式 ( 2 ) 。 尽管保护层厚度对裂缝间距和表 面裂缝宽度均有一定影响 但容许裂缝宽度为设计使用年 限内钢筋不致锈蚀 的开展宽度 ， 与保护层厚度密切有关 ， 保 护层愈厚 ， 钢筋锈 蚀的可能性愈小 。因此 ， 保护层 厚度对计 算裂缝 宽度 和容许裂缝宽度 的影响可大致取消 ，实际设计 中 ， 同类构件保护层厚度变化不大 ， 故在裂缝计算公式 中未 显含保护层厚度 的影响 。 W ,= I C 2 C ， ( ) ( 2 ) 地铁设计规范 和 混凝土结构耐久性设计规范 嗍 也 同样 注意到了保护层厚度 、裂缝开展宽度和钢筋锈蚀之 间 的相 互关 系 规定 当设计采用 的最大裂缝宽度的计算式 中 保 护层的实际厚度超过 3 0 m m 时 。 可将保护层厚 度的计算 值 取 为 3 0 mm。 3 3 3 抗 浮 电缆隧道 工程 开挖较深 。 挖土卸载 量大 ， 结构荷载 小 ， 当地下水位较高时 ， 抗浮就成了重要问题。 目前地下结构工程常采取 的永久抗浮措施有顶板压载 法 、 底板压载法 、 抗浮墙 趾法 、 抗 拔桩法 、 锚杆加 固法 ； 抗拔 桩主要采用钻孔灌注桩 。 桩顶与隧道结构底板连接 ， 利用桩 周土体的摩阻： 匀来抵抗 隧道结构受 到的水浮力 。抗拔桩 的 适应性强 ， 但造价高 ， 且在基岩 中成孔难度大 。顶板压载法 适用于 暗埋段 结构 ， 操作简单 ， 成本低 ， 但受 到隧道上方地 面规划标高和周围环境的限制。底板压载法是在满足线路 标高和结构内净空的前提下 在结构底板 以上线路标高 以 下加载。其优点是操作 简单 缺点是需要加大结构净空 从 而加大了结构底板 埋深 ， 适用于所需抗浮力较小的情况。 抗 浮墙趾法是在结构两侧 底板 向外延伸而形成翼板 ，由翼板 承托覆土 以抵抗上浮力 。抗 浮墙趾法适用 于所需抗浮力较 小 ， 规模较小 的地下结构工程 。电缆隧道 由于体积较小 ， 一 般采用增加壁厚或者底板延伸 即可满足抗浮要求 。 3 3 4防水 本工程 防水设计 的原则 是“ 以防为主 、 刚柔结合 、 多 道 防线 、 综合治理 ” ， 防水等级为二级 。 采用结构 自防水与柔性 图 3防水 做 法 大 样 图 外防水相结合的防水 方案 ， 分别如下 ： f l 1 外包防水 ： 地下工程外包 防水可选用防水卷材 、 防水 涂料或塑料防水板防水层。本工程顶 板和侧墙涂抹 厚度为 2 5 m m厚 的单 组分聚氨酯涂膜防水层 ， 底板采用水 泥基渗 透结晶型防水涂料。 ( 2 ) 结构 自防水 ： 主体 结构采 用防水混 凝土 ， 抗渗 等级 为 P 8 ， 混凝土 中加掺 聚丙烯抗裂纤维 ， 增 强防水抗裂能力 ， 增加耐久性 。 掺量按 0 9 k g m3 确定 。 ( 3 ) 特殊部位 的加 强措施 ： 变形缝在 现浇混凝土 中埋人 橡胶止水带 。 同时在缝 内侧采用双组份聚硫橡胶嵌缝密 封 ， 水平施工缝全 部采用钢板止水带 ，外侧增设 1 5厚 聚氨酯 加聚酯布防水层。 3 4顶管 本工 程 在 K1 + 0 0 6 0 8 4 K 1 + 0 9 6 4 7 7段需 穿 越南 徐 大 道 。若采用明挖法施工 。 不仅影 响南徐大道车辆 的行驶 ， 而 且会造成极大 的安全隐患 ，因此在保证南徐大道正常运营 的条件下 ，只能采用非开挖法施工。非开挖法施工包括盾 构 、 顶管及水平定 向钻进等。 盾构施工需要较大尺寸 的工作 井和接收井 ， 现场施工条件 不能满足 ， 水平定向钻进只能敷 设较小直径的管材 ， 不 能满 足大截 面电缆 的使用要求 。 顶管 法是一种成熟 的施工方法 对周围环境影响小 ，施工速度 快 ， 质量好 。本 工程采用 顶管法施 工 ， 采用 内径 2 4 0 0 mm 钢 筋混凝 土管 节 ， 壁厚 2 4 0 mm， 分 多段施 工 ， 标 准管 节长 2 5 n l 。混凝土强度等级为 C 5 0， 抗渗等级为 P 1 0 。顶管采用 F B型钢套 环橡胶 圈防水接 口， 内设楔型橡胶止水 圈 ， 其材 质为氯丁橡胶 。 当接 I： 1 插入时 。 采用高强粘接剂粘于无钢套 环管节端头基 面上 的橡胶止水 阀受到钢套环的挤压 。与钢 套环 紧密相贴 ， 起到防水 、 止水的作用 。 确定顶管埋深时 ， 需结合覆 盖层厚度 、 地下障碍物和土 层 分布等 因素 综合进 行 。本 工程工 作井处 顶管 中心 标高 为_ 0 7 9 m， 接受 井处顶管 中心标 高为一 1 2 9 i n ， 既可 以避开 地下障碍物 满足管顶至路面 2 D的覆 土厚度 同时还可 以 保证顶管在层粉质粘土和粉土层中进行，避免在顶管过 程中遇到层淤泥。因为淤泥土的强度低。 且为流塑状态。 有震 陷的可能性 ， 不利 于顶管施 工。 顶管 的管径 和埋深确定 后就 可以根据经验确定工作井 、 接受井的沉井 尺寸。 工作井 的平 面和剖 面图见 图 4 、 图 5 。 竺 图 4工 作 井 平 面 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 2期( 总第 1 4 7期) 图 5工 作 井 剖面 图 考虑到钢套环节与管节混凝 土温差 收缩不一致 ，两者 之 间可能存在渗水通道 。在与混凝土相 接触 的钢套环 面上 设置一遇水膨胀橡胶条或注射膨胀型单组份聚氨脂 密封胶 于钢套环基面 ， 并在钢套环管节端头预 留一道沟槽 ， 灌 注低 模量聚氨脂密封胶 ，通过上述两条措施 达到钢套 环与混凝 土间防水 目的9 1 。 3 5沉 井 3 5 1 选 型 顶管井结构方案包括沉井结构 、 地下连续墙 、 逆作竖井 及排桩支护等 。其 中地下连续墙造价高 ， 适用 于埋深深 、 结 构 尺寸 大的地下结构 。逆作法需先采取可靠的土体加 固和 止水措施后才能进行竖井施工 ， 造价相对较高 。 排桩支护需 要施工围护桩 ， 施工周期较长。沉井结构具有 占地 面积小 ， 不需要 围护 、 操作简便 、 无需特殊 的专用设备等优点在地下 工程中被大量使用 。本工程顶管井采用沉井法施工 。 3 5 2 沉井计算 沉井下 沉采用不排水法施工 ， 但施工期 间应进 行降水 ， 保证工作井处水位不高于地表下 2 5 0 m，接受井处地下水 位不高于地表下 3 5 0 m。 在沉井设计过程中 对沉井在施工及正常使用状 态下 的稳定性 、 下沉可行性 、 下沉稳定性 等内容进 行了计算 和验 算 。主要计算结果见表 2 。 表 2 工作井和接受井计算结果 3 5 - 3 耐久性设计 指导混凝土耐久性设计 的规 范主要有 2本 ， 根据 混凝 土结构耐久性设计规范 嗍 ，混凝土结构 的耐久性应根 据结 构 的设计使用年限 、结构所处的环境类 别及作用 等级 进行 设计 ， 比 混凝土结构设计规范 嘲 多了一个设计依 据即环境 作用等级 ， 且两者的环境类别定义不 同。 按照 混凝 土结构耐久性设计规范 阄 ， 本 工程混凝土结 构 的环境类别为一般环境 ( I 类 ) ， 仅有正常 的大气 ( 二氧化 碳 、 氧气等 ) 和温 、 湿度 ( 水分 ) 作用 ， 不存在冻融 、 氯化 物和 其它化学腐蚀物质的影响 。一般环境对混凝 土结 构的腐蚀 主要是碳化 引起 的钢筋锈蚀。 混凝土呈高度 碱性 ， 钢筋在高 度碱性环境 中会在表面生成一层致密的钝化 膜 。使钢 筋具 有 良好 的稳定性 。 当空气中的二氧化碳 扩散 到混凝土 内部 ， 会 通过化学反应 降低 混凝土 的碱度 ( 碳化 ) ， 使钢筋表 面失 去稳定性并在氧气和水分 的作用下发生锈蚀 。 沉 井顶板 、 勘 察 资料提供 的历史最低水位 以上的沉井壁板外侧的环境作 用 等级 为 I C级 ： 勘察资料提供 的历史最低水位 以下的沉 井 壁板外侧混凝土饱水 ， 钢筋不易锈蚀 ， 环境作用等级为 I B级 。 沉井壁板内侧 混凝 土接触空气 ， 容易碳化 ， 又可能有 水分从 临水侧迁移供给 。 环境 作用 等级 为 I C级。 4结 语 采用 电缆 隧道敷设大截面 电缆输送 电力是城市发展 的 趋势。 目前针对 电力 电缆隧道的设计规范和规程 尚不完善 ， 本文总结镇江南 徐变 电站 电力 电缆隧道结构设计 中的若 干 问题 为此类工程设计人员提供参考。 参 考文献 1 】 葛荣 良 从 电缆隧道建设看城 市地 下空 间的利 用 J 】 上 海 电 力 ， 2 0 0 6( 3) ： 2 4 3 2 4 5 2 】 刘益 平， 任 亚群 城 市 电力电缆 隧道建设 前景 分析【 C 】 江苏省电机工程 学会 输配 电及 电力 系统专委 会 2 0 0 9年学 术年会论 文集 南京 ： 2 0 0 l9 3 】 唐玉宏 ， 杨 明 ， 吴渭 ， 等 地下过街道 结构设计初探 J 建 筑 结 构 ， 2 0 o 9， 3 9 ( 增 刊 ) ： 6 0 6 3 4 】 G B 5 0 1 0 8 2 0 0 8地下工程防水技 术规 范 【 s 】 北京： 中国 计 划 出版社 2 0 0 9 5 】 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0混凝土 结构设 计规 范 【 s 】 北京 ： 中国建 筑 工 业 出版 社 2 0 1 0 6 1 J T G D 6 2 2 0 0 4公路钢 筋混凝 土及预应 力混凝 土桥 涵设 计规 范 【 S 】 北京： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 4 ( 7 G B 5 0 1 5 7 2 0 0 3地铁设 计规 范 【 S 】 北京 ： 中国计 划出版 社 2 0 0 3 【 8 】 G B T 5 0 4 7 6 2 0 0 8 混凝 土结构耐久性设计规 范【 S 1 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 8 【 9 】 薛丽伟 ， 潘 国庆 ， 王桦 ， 等 新 江湾城 电 力电缆 隧道设 计 J 上海电力， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 2 3 2 - 2 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m