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浅谈城市电力管廊土建结构设计

发表时间：2021/5/27 来源：《基层建设》2021年第2期作者：刘洁

[导读] 摘要：随着国内城市化进程的深化和小城镇建设的提速，管线建设越来越被重视。

        宁夏回族自治区电力设计院有限公司宁夏回族自治区银川市 750004
        摘要：随着国内城市化进程的深化和小城镇建设的提速，管线建设越来越被重视。目前国务院办公厅已下发《关于加强城市地下管线建设管理的指导意见》，大力发展地下管线的建设。电力管线入地是城市发展中需要面对的问题，目前城市内10000V的电力线路采用地下管线较多，但对于高压线路采用地下线路比较少，究其原因是因为高压地下管线工程技术复杂、造价高、运营管理难度大。随着城市化发展，原有城市边缘的高压变电所已经成为纳入城区范围，变电所架空线路对周边环境、地块的开发造成了不利的影响。本文工程即在这样的背景下提出，通过精细的设计、施工，比较完美的完成了地下高压电力管廊的建设。本文以某电力管廊的土建结构的设计为例，介绍设计中的难点，并对关键结构进行详细计算分析。
        关键词：城市电力管廊；土建结构设计；分析
        1将综合管廊内部电缆的选择以及安装
        1.1保证电缆具备绝缘性能
        因为地下管廊内部交通不便，同时操作较为复杂，因此在各种消防设施的供电电缆选择时，需要使用绝缘电缆，同时根据消防所需要使用到的电气设备，需要保证其中的电缆具备有一定的防火以及阻燃性能，进一步保证电缆具有绝缘性能。而在综合管道内部所使用到的电缆，其绝缘性能以及阻燃性能需要完全符合如今国家规定的标准以及公安部门的要求。
        1.2进行电缆铺设时注意事项
        在综合管廊内部进行电缆铺设时，进行天然气管道敷设时，要保证其内部的电器线路符合国家规定的要求，要保证电气不具有爆破风险，不威胁到整个管廊内部的正常运行。同时，在进行管道的敷设时，不应当将其敷设于同一个电源电缆上。除此之外，在地下管网内部所建立的电缆时，需要使用防火墙，确保电缆时具有一定的防火性能。同时在管道当中每隔200米，在电缆管道以及耐火等级穿透防火墙时，需要使用消防规定的方法，将该墙壁进行封堵，确保有一定防火性能的电缆的铺设符合建筑设计防火规范当中的规定。
        2研究背景
        某电力管廊工程为了配合某市政路段道路南北两侧地块内部的现状220kV电力架空线入地敷设。全线共采用顶管敷设方式新建D2400mm电力管廊569m，D3000mm电力管廊1622m；采用开挖敷设方式新建2孔3m×3m电力管廊208m；共新建直径9m圆形电力顶管工作井2座，接收井1座；16.5m×9m矩形电力顶管工作井1座，15m×15m矩形电力顶管接收井1座。管廊典型断面图如图1。本文主要叙述电力管廊土建设计中的难点内容，主要有以下几点：
        （1）大直径顶管管节的设计；
        （2）大尺寸方形顶推工作井的设计；
        （3）管廊顶推施工期间地面沉降的模拟分析。

        图1管廊典型横断面图
        3大直径顶管管节的设计
        （1）顶管管节的构造
        顶管管节有3种P1：内径3m，壁厚0.3m，管节长度2.5m；P2：内径3m，壁厚0.3m，管节长度1.5m；P3：内径2.4m，壁厚0.24m，管节长度2.5m。顶管管节节段间的防水如图2。

        图2管节防水构造图
        管节节段连接采用插接式，主要防水措施是插接头钢环与管节侧壁间填充楔形橡胶圈和2道遇水膨胀胶条，再在管节内外侧填充聚硫密封胶。在施工完成后，在管节内壁焊接接口钢环，起到了进一步止水的效果。
        （2）顶管计算条件
        采用有限元分析软件建立1m长的管节模型。有限元模型如图3所示。边界条件：在120°方向设置一般支撑，约束顶管的3个方向的移动，下部120°的范围内采用节点弹性支撑模拟土层支撑作用，刚度按“m”法计算。荷载：考虑自重、竖向土压力、侧土压力、静水压力、地面堆载、整体升降温及梯度温度作用。计算顶管顶进过程中的顶力，计算条件如下：（1）顶管施工采用泥水平衡式顶管机；（2）管壁采用触变泥浆减阻，顶管壁与土体的平均摩阻力按7kN/m2计算；（3）顶管顶进长度按150m计算，长度超过120m应考虑设置中继间。

        图3管节模型图
        （3）顶管计算结果
        承载能力组合下顶管弯矩计算结果如图4所示。以D300顶管为例，顶管内径3m，外径3.6m，中心直径3.3m，顶管总顶力标准值为：

顶管的最大允许顶力为：

        图4顶管弯矩计算结果（单位：kN•m）
        顶管顶力小于允许顶力，满足规范要求。
        4顶推工作井的设计
        （1）工作井构造
        以4#工作井为例，4#井为9m×16.5m的方形工作井，采用沉井施工。井壁上层厚80cm，下层厚110cm，下层西侧井壁预留2个直径3.8m的顶管出洞口，北侧井壁预留1个直径3.8m的顶管出洞口，上层东侧井壁预留1个3m（宽）×2.2m（高）的预留孔。井底设置刃角，刃角长140cm，踏面底宽20cm，刃角斜面与水平面的夹角54°。底板厚80cm，底板下设置60cm的混凝土垫层和40cm的MU30浆砌块石。
        （2）沉井计算条件
        按照《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS137：2002）的规定对沉井进行结构计算。计算条件如下：
        （1）沉井施工采用井外排水下沉法，施工过程中不考虑水压力和浮力，计算结构在自重、土压力、土抗力和顶管顶力作用下的受力。
        （2）混凝土容重按25kN/m3计算，素混凝土容重按23kN/m3计算，土容重按19kN/m3计算，内摩擦角按30°计算。
        （3）井壁与土体的摩擦力按照规程的规定，并结合各层土体的力学参数确定。
        （4）顶管机后座的垫板按3m×3m计算。
        考虑到4#工作井有2个方向上的顶力，且3#井和4#井之间有2孔3m顶管，施工时可能会同时顶进施工，为了更加准确的计算结构在施工中的受力，利用有限元计算软件采用板单元建立4#沉井的三维有限元模型，分析结构在自重、土侧压力、土抗力和顶力作用下的受力。计算分2个工况：工况1：4#井向5#井一孔顶管施工；工况2：4#井向3#井两孔顶管施工。有限元模型如图5所示。

图54#工作井有限元模型
承载能力组合下沉井侧壁计算结果如图6所示。

图6侧壁最大弯矩图（单位：kN•m）
承载能力组合下沉井底板计算结果如图7所示。

        图7底板最大弯矩图（单位：kN•m）
        5顶管施工地面沉降模拟分析
        电力管廊在2#电力工作井和3#电力接收井之间与两铁塔距离较近，在3#电力接收井和4#电力工作井之间穿过天朗桥，下面对这两处顶管施工过程中地面沉降进行计算，计算采用专业的岩土工程分析软件建立平面模型模拟顶管的过程。
        （1）铁塔处地面沉降
        管道顶标高约-5.1m，位于粉土层，管道外径2.88m，壁厚0.24m。经模拟分析，地面沉降计算结果如图8所示。从计算结果可知：顶管过程中，管道顶地面向上隆起约3mm，周边地面略有下沉。

        图8铁塔处顶管施工地面沉降计算结果（单位：cm）
        （2）天朗桥处地面沉降
        管道顶标高约-5.9m，位于粉土层，管道外径3.6m，壁厚0.3m计算地面沉降结果如图9所示。从计算结果可知：顶管施工过程中，管道顶地面向上隆起约6mm，周边地面略有下沉。通过有效施工控制，顶管施工对附近的铁塔和桥梁建筑物等影响可控。管道顶地面向上略微隆起，位移量都较小，在可接受的范围。

        图9天朗桥处顶管施工地面沉降计算结果（单位：cm）
        6结语
        目前，大直径顶管管廊工程实例还较少，通过本项目的顺利实施，积累的相关经验。本文通过对大直径顶管管节的设计、顶推工作井的设计、施工期间地面沉降的模拟3个难点进行叙述，介绍了设计中采用的结构构造、有效的计算参数和方法，为同类管廊的建设提供了参考。
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