电力隧道设计概述

北京电力隧道设计概述 北京电力设计院2011年06月 主要内容 北京电缆隧道设计型式 北京电缆隧道建设主要工法根据 首都建设标准 和 北京电网规划设计技术原则 110kV及以上电压等级电缆应该采用隧道敷设方式 隧道建设工法主要包括明开挖 浅埋暗挖法 顶管和盾构 北京电缆隧道设计型式 1 2 0m 2 1m单孔隧道容量 220kV 1 1000mm2电缆2回 110kV电缆4回 10kV电缆18回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 2 2 0m 2 1m双孔容量为单孔的两倍 北京电缆隧道设计型式 3 2 0m 2 3m单孔隧道容量 220kV 1 1000mm2电缆2回110kV电缆4回 10kV电缆18回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 4 2 0m 2 3m双孔容量为相应单孔的两倍 北京电缆隧道设计型式 5 2 6m 2 4m单孔隧道容量 220kV 1 2500mm2电缆2回 110kV电缆4回 10kV电缆8回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 6 2 6m 2 4m单孔隧道容量 220kV 1 2500mm2电缆2回 220kV 1 1000mm2电缆2回 110kV电缆2回 10kV电缆8回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 7 2 6m 2 4m双孔容量为相应单孔的两倍 北京电缆隧道设计型式 8 2 6m 2 9m单孔隧道容量 220kV 1 2500mm2电缆2回 110kV电缆4回 10kV电缆16回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 9 2 6m 2 9m单孔隧道容量 220kV 1 2500mm2电缆2回 220kV 1 1000mm2电缆2回 110kV电缆2回 10kV电缆8回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 10 2 6m 2 9m双孔容量为相应单孔的两倍 北京电缆隧道设计型式 11 直径3 0m隧道隧道容量 110kV电缆6回10kV电缆12回光缆若干条 北京电缆隧道设计型式 12 直径3 5m盾构隧道容量 220kV 1 2500mm2电缆2回 220kV 1 1000mm2电缆2回 110kV电缆2回 10kV电缆6回 具体敷设数量相关部门根据有关规定应适当控制 光缆若干条 明开挖电缆隧道设计 明开挖隧道设计 明开挖隧道主要采用现浇钢筋混凝土平面框架结构 施工工艺流程主要包括基坑 槽 开挖 铺设垫层 浇筑隧道 回填土 由于工艺流程 隧道位置所处环境相对简单 结构设计也相对简单 和一般的明开挖地下工程类似 主要包括平 纵断面设计 荷载统计 结构计算 结构钢筋配置 一 平纵断面设计 1 平面设计 明开挖隧道一般都处于空旷的郊区 地面上建构筑物稀少 或处于市区内 与新规划道路同期 明开挖电缆隧道设计 明开挖隧道设计 修建 因此 进行平面选线时 需要考虑的问题较少 可比较容易的确定线路路由 2 纵断面设计 明开挖隧道所处的场地 地下市政管线和构筑物均较少 因此 进行纵断面设计时高程控制点就较少 一般只需考虑电缆本身敷设需求和电力隧道排水要求进行纵断面设计 相对较简单 二 边坡支护设计1 自然放坡 适用于场地空旷开阔地段 2 锚喷护壁 小放坡 土质较好地段 3 护坡桩 不具备放坡条件及周围有建 构 筑物段 明开挖电缆隧道设计 明开挖隧道设计 三 结构设计1 荷载统计2 结构计算3 结构设计 暗挖电缆隧道设计 浅埋暗挖工法指应用岩体力学理论 以及维护和利用围岩的自身承载能力为基点 采用锚管和喷射混凝土为主要支护手段 及时进行地层支护 控制围岩的变形和松弛 使围岩成为支护体系的组成部分 并通过对围岩和支护的量测 监控来指导隧道工程设计施工的方法 浅埋暗挖隧道设计主要包括 平纵断面设计 结构模型选择 隧道结构设计 竖井结构设计 荷载统计 结构计算 结构防水设计 施工工序设计 地下水处理 地层预加固设计 监控量测设计 评估隧道对邻近建筑物的影响 隧道施工引起的地面沉降和对周围地下管线的影响 暗挖电缆隧道设计 由于浅埋暗挖工艺的特殊性 受工期 造价等因素的制约 竖井间距约100米左右工程造价相对经济 因此其平面设计是工程设计里较为复杂的一项 设计前期 在确定了设计起点和终点之后 就要确定线路走向问题 一般都要初步确定几个方案 然后综合考虑地上建筑 地下管线 交通导改 主要市政设施 包括地铁 铁路 河湖 高速路等 水文地质 施工扰民等经济和技术等各方面因素进行对比分析 最终确定线路走向 平面设计 暗挖电缆隧道设计 由于目前道路上现状市政管线众多 因此 申报规划意见书时 要征求各种建构筑物产权单位的穿越意见 根据咨询意见 反复修改调整线路位置 最终确定出经济 合理可行的方案 纵断面设计 纵断设计主要受周围环境 地下管线 水文地质等条件限制 浅埋暗挖工法对地质条件要求较高 因此要详细分析地形和地质调查和分析 不同工程设计阶段 制定不同的目标 选取不同的内容 采取不同的方法 制定不同的范围 严格根据围岩等级和物理力学参数确定纵断 暗挖电缆隧道设计 浅埋暗挖要求无水条件施工 排列纵断面时 也要综合比较降水和止水的技术 经济方案 最终确定沟道穿越土层 近年来 北京轨道交通飞速发展 地铁线路越来越多 因此 电力隧道修建时不可避免的要与地铁纵向交叉穿越 由于地铁对安全的要求非常高 对沉降要求非常严格 因此 穿越地铁时 电力隧道需根据地铁的要求进行专向设计 另外 目前其它市政管线也在大力的修建 电力隧道穿越其它市政管线时也需要考虑特殊的设计措施 暗挖电缆隧道设计 荷载统计 浅埋暗挖工法要维护和利用围岩的自承载能力 使围岩成为支护体系的组成部分 因此围岩的初始应力场 锚洞的围岩的拉线状态 支护后围岩的应力状态 开挖后围岩的特征曲线均需要详细分析 工程设计中结构荷载和沟道所处的地形 地质水文条件 埋置深度 施工工序 相邻沟道间距以及地面荷载等因素有关 对于地质复杂的隧道 必要时需要通过实地量测确定 暗挖电缆隧道设计 结构设计 浅埋暗挖结构设计主要采用工程类比法 结构采用初衬和二衬结合的复合衬砌 设计要综合考虑地质条件 断面尺寸 支护结构 施工工序等 并充分利用围岩的自承载能力 合理考虑围岩 初衬和二衬的应力分配关系 保证衬砌结构足够的强度和稳定性 1 隧道结构设计隧道结构设计主要包括初期支护设计及二次衬砌结构设计 暗挖电缆隧道设计 结构设计 1 初期支护结构及设计参数需要根据工程前期大量的资料确定初期支护结构的组成 厚度 钢拱架的钢筋组合方式及计算 喷射混凝土的种类 混凝土中外加剂配置参数等相关技术参数及适用范围 2 二次衬砌结构及设计参数需要根据经验及理论计算确定二次衬砌结构的组成 厚度等相关技术参数及适用范围 暗挖电缆隧道设计 结构设计 2 检查室设计需要确定检查室设计的原则 支撑设计参数等 3 竖井结构设计需要确定竖井设计的构造 结构参数等 4 结构计算由于地下工程长期处于 经验设计 因此 针对具体工程进行结构计算时 需要进行类别设计 确定结构计算的原则 然后根据地勘资料 根据工程所处的环境确定计算模型和计算参数 然后进行结构计算 暗挖电缆隧道设计 结构设计 1 结构强度检算主要包括结构内力计算等 2 结构配筋计算根据结构计算内力如何进行配筋等 3 裂缝宽度验算结构裂缝允许宽度 结构裂缝验算等 暗挖电缆隧道设计 防水设计 需要确定结构防水设计的原则 方法等 1 混凝土结构自防水主要包括混凝土结构自防水的要求 材料 组成等 2 附加防水层主要包括附加防水层的规格 要求等 3 细部构造防水主要包括变形缝 施工缝的防水要求 措施等 暗挖电缆隧道设计 施工设计 1 竖井施工设计包括竖井施工设计的原则 方法和相关注意事项 2 马头门施工设计包括马头门施工设计的原则 方法和相关注意事项 3 隧道施工设计包括隧道施工设计的原则 方法和隧道施工工序设计及相关注意事项 其中 施工工序设计是施工设计的一个重要环节 需要根据隧道断面的大小 地质 水文情况确定安全合理的施工工序 暗挖电缆隧道设计 施工设计 4 监控量测设计包括监控量测设计的原则 方法和相关注意事项 监控量测是目前新奥法隧道信息化设计的重要环节 高质量的监控量测设计 可以及时准确的获得施工现场的土质参数 进而反馈修改设计 5 环境风险源专项设计包括环境风险源专项设计的原则 方法和专项要求等 暗挖电缆隧道设计 地层预加固设计 1 地下水处治包括地下水处理的原则 方法及适用范围 地下水处理是地下工程施工的难点所在 地下水处理的好坏直接关系到工程质量和施工安全 地下水处理要根据水层的性质 地下水所处土层的土质等多方面因素综合考虑 2 地层注浆包括地层注浆加固的原则 方法 主要技术参数及应用范围 暗挖电缆隧道设计 地层预加固设计 3 超前小导管及管棚包括超前小导管及管棚加固的原则 方法 主要技术参数及应用范围 4 旋喷加固包括旋喷加固的原则 方法 主要技术参数及应用范围 5 地层冻结包括地层冻结加固的原则 方法 主要技术参数及应用范围 暗挖电缆隧道设计 对建筑物和市政管线影响 需要建立场地工程地质及周围环境的三维模型 采用有限元计算和数值模拟方法互相对比验证 评估隧道对建筑物的影响 隧道施工安全分析以及隧道施工引起的地面沉降和对周围地下管线的影响 盾构法电缆隧道设计 盾构指用盾构机械一边防止围岩坍塌 一边进行土层开挖 推进 并在盾构机械尾部进行隧道衬砌拼装的修建隧道方法 盾构工法源起欧洲 发展于日本 由于其机械化程度高 施工速度快 对地层扰动小以及安全性高 现广泛应用于城市 过江跨海隧道的施工 领域遍布公路 铁路 地铁以及各种地下管线 其中地下管线所占的比例最高 国内最初采用盾构工法的是地铁隧道的施工 后逐步应用于大直径的过江跨海隧道工程中 但小直径的地下管线施工目前国内应用较少 相关设计经验不足 难度大 盾构法电缆隧道设计 正常盾构的转弯能力有限 曲率半径一般在200m以上 坡度也有限制 一般控制在3 以内 在平纵断的设计时没有暗挖和明开灵活 特别是涉及到需要躲避管线 地铁 危险地质的情况 需要在整条线路上进行规划调整 如果无法满足则需要设计并定制特殊盾构 平纵段设计 盾构选型 目前应用最多的为泥水平衡式盾构和土压平衡式盾构 设计中需要根据地质条件 场地因素 工期 造价 辅助工法等因素来确定盾构类型 盾构法电缆隧道设计 1 管片拼装方式管片的拼装方式有通缝拼装和错缝拼装 设计中需要根据受力形式 防水要求 支架布置要求来确定 2 管片类型常用管片类型有标准环 左转弯环 右转弯环 通用楔形环 通过不同类型的管片组合来实现线路要求 设计中需要根据线路情况 拼装方式 模具利用率 施工要求 工期造价等来确定采用何种组合 有特殊要求时还需要设计柔性管片 管片设计 盾构法电缆隧道设计 楔形管片的楔形量需要根据线路曲率半径 管片尺寸 盾构机内部空间 组合方式等来确定 3 管片的形状 尺寸 1 管片内径 隧道净空 需要根据电缆设计要求确定 2 管片厚度 需要根据管片内径 受力分析 盾构机械情况来确定 3 管片宽度 需要根据支架预埋件布置 千斤顶行程 工期等来确定 管片设计 盾构法电缆隧道设计 4 管片分块 相对较为复杂 需要综合考虑管片类型 拼装方式 受力分析 螺栓布置 管片输送和拼装设备 施工要求 支架预埋件布置等因素 5 接头角度和插入角度 封顶块管片的接头角度和插入角度分别针对径向插入型管片和轴向插入型管片 角度参数的确定必须根据截面内力传递 组装作业 施工条件和管片生产条件确定 管片设计 盾构法电缆隧道设计 4 管片结构计算因管片为圆形结构 在块与块之间 环与环之间需要接头连接 和暗挖法 明挖法相比 模型假定复杂 参数确定困难 计算工况和内容较多 1 模型基本假定复杂建立模型时需要选取合理的荷载假定 主要是地基抗力 管片接头假定以及错拼装效应的考虑 管片接头假定有 a 接头和管片为等刚度的均质圆环 用接头效应系数折减 b 接头转动刚度为零 铰接 c 用弹簧模拟接头部分 含环向和径向接头 管片设计 盾构法电缆隧道设计 2 参数确定困难管片刚度折减系数 弯矩增大系数 剪切和旋转弹簧刚度等参数目前没有统一而有效的确定方法 只能根据经验和有限的实验结果进行反复的试算 3 计算工况a 必须对应于施工过程中的每个阶段和正常使用阶段的荷载计算 b 并从施工性和经济性对隧道线路分区段设计 c 选用不同的模型进行计算比较 管片设计 盾构法电缆隧道设计 4 计算内容和其它工法相比 除需要进行主截面内力计算 配筋计算 抗震抗浮验算外 还需要进行螺栓抗剪强度验算 管片张开角度验算 千斤顶压力验算 5 管片细节设计 1 配筋设计由于管片结构复杂 对手孔 螺栓孔 端部都需要配置特殊的加强筋 管片主钢筋的水平 竖直 间距 钢筋的弯曲形状 接头的设置与锚固均需要根据不同的管片类型和分块情况来设计 管片设计 盾构法电缆隧道设计 2 接头结构接头类型主要有 螺栓接头结构 直螺栓 弯螺栓 斜螺栓 铰接头结构 销插入型接头结构 楔接头结构 榫接头结构 设计需要根据不同的类型确定管片环向和纵向上的配置位置和长度 接头类型 数量和角度分配需要根据结构的强度 刚度 管片的分块和错缝拼装角度 防水设计 制作和施工的方便性等因素确定 3 注浆孔 起吊环 设计时需考虑二次注浆设备 注浆方式以及搬运和施工时的荷载 管片设计 盾构法电缆隧道设计 4 预埋件支架预埋件需要根据受力分析 支架的布置形式 管片情况 拼装方式和焊接要求来确定 另外还有盾构进出口管片的预埋件设计 5 防水设计管片结构与其它工法衬砌相比连续性差 块与块之间 环与环之间存在大量的接头缝隙 且无二衬结构 因此管片的防水设计要复杂得多 主体结构 嵌缝 接缝处 螺栓孔 注浆孔等均需要采取不同的防水堵漏设计 管片设计 盾构法电缆隧道设计 6 其他设计细节 管片接缝传力垫设计 接头部位螺栓的防蚀 防锈处理 焊接作业和防止缺损的端部设计 6 精度要求由于管片是分块预制的 且细部构造多而复杂 为保证拼装组合后的管片质量 其预制精度要求多在1mm以内 因此对设计提出了更高的要求 长度和角度分别需要精确到0 01mm和0 0001 管片设计 盾构法电缆隧道设计 目前盾构工法多采用圆形断面 圆形断面整体受力合理 施工便捷 但针对电力隧道而言却不利于支架的布置 设计过程中如何布置支架 使隧道净空的利用率达到最大 从而确定合理的界限一直是一个难题 电缆支架布置 盾构法电缆隧道设计 1 土体加固电力隧道盾构竖井按其功能可分为始发井 接收井和检查井 盾构始发和接收是盾构法隧道施工中的一道关键工序 由于盾构进出洞过程中周围土体受到盾构掘进动荷载的作用 并伴随着大量水土流入竖井内 易造成地表沉降过大甚至坍塌 必须对周围土体进行加固 但加固措施 加固区域以及加固后的强度目前尚无有效的计算方法 确定难度大 加固后的土体会造成盾构掘进时扭矩和推力过大 加之千斤顶编组影响 造成后靠受力不均匀 不对称 产生应力集中 易造成支撑体系 反力架 基座 发生局部变形和位移 盾构竖井设计 盾构法电缆隧道设计 2 竖井尺寸始发井和接收井由于涉及到盾构机械的吊装 施工空间 渣土运输等 尺寸远大于暗挖工法的竖井 检查井可以在盾构够到达前或者盾构通过后开挖 两种情况对竖井结构有着不同的要求 因此在竖井结构设计中需要综合考虑地质条件 盾构掘进要求 施工步序 工期 环境等因素 盾构竖井设计 盾构法电缆隧道设计 3 结构计算竖井主要由维护结构 二衬 竖井内部结构构成 在维护结构计算中 需要根据地质条件 场地 竖井尺寸 后续施工要求等因素通过多次试算比较来确定维护方法和具体的结构参数 其中维护结构入土深度目前实测数据较少 又不能定量把握其大小 只能通过不同的土压力理论来修正试算 最后还需要进行整体稳定性验算和抗隆起验算 盾构竖井设计 盾构法电缆隧道设计 由于竖井结构尺寸差异性大 需要设置特殊的环框梁 这样在二衬结构建模过程中 对维护结构 环框梁和二衬之间的相互作用的假设是一个难点 加之二衬结构厚度也难以根据经验确定 需要进行反复试算来确定 4 空间利用电力竖井不像地铁可以和车站结合 这样巨大的地下空间在利用上也需要详加考虑 内部结构的设计和二衬 环框梁的设计应该作为一个整体 不然就会造成局部的不合理和不必要的浪费 盾构竖井设计 盾构法在电缆隧道中的运用 北京电力隧道应用盾构情况 盾构法在电缆隧道中的运用 太阳宫热电厂接入孙河工程 1 工程概况 太阳宫热电厂接入孙河工程为北京市2007年电网建设重点工程 工程实施有效减少了北京电网的外受电比例 增加了220kV系统的大电源支撑 同时向奥林匹克场馆提供冬季采暖和夏季制冷所需要的热负荷 有利于2008年绿色环保奥运的成功举办 太阳宫热电厂接入孙河工程沿线电力隧道根据工程特点 分别采用明开 暗挖工法 并在地下水丰富区域及穿越铁路 河流 高等级公路等特殊路段采用盾构工法 盾构法在电缆隧道中的运用 太阳宫热电厂接入孙河工程 1 工程概况 盾构段电力隧道位于北京市朝阳区 整体呈南北走向 线路起点位于京包铁路北侧新建电缆小间 沿京承高速东侧向南下穿京包铁路 规划的朝科开发区1号路 来广营中街 北五环东路 东湖路 北小河公园 北小河后 到达北小河南岸 电力隧道全长约3800m 沿线穿越地带基本为京承高速公路东侧的现况绿地 盾构法在电缆隧道中的运用 盾构法在电缆隧道中的运用 太阳宫热电厂接入孙河工程 2 管片结构设计 本工程盾构隧道为单层钢筋混凝土管片衬砌 衬砌圆环内直径3m 管片厚度250mm 宽度1000mm 隧道外径3 5m 管片采用通缝拼装 每环管片分为5块 分别为封顶块 1块 临接块 2块 标准块 2块 管片为榫式接头 并在防水胶条处留有构造槽 管片间采用弯螺栓连接 环向10个M24螺栓 纵向9个M24螺栓 盾构法在电缆隧道中的运用 盾构法在电缆隧道中的运用 太阳宫热电厂接入孙河工程 3 竖井结构设计 新建隧道全线共设1个盾构始发井 2个盾构接收井 9个检查井 均采用明挖法施工 始发井净空尺寸为19 0 x7 5m 接收净空尺寸为10 x4 5m 检查井净空尺寸为4 2x5 1m 竖井外围护结构采用 800钻孔灌注桩 内支撑采用 600钢管撑 工字钢斜撑构成 主体结构采用C30模筑混凝土 抗渗等级P8 围护结构与主体结构之间设柔性防水层 盾构法在电缆隧道中的运用 太阳宫热电厂接入孙河工程 4 隧道防水设