使用有限元法分析不同埋深电缆隧道的受力

埋地隧道如何保障供电

现代城市依赖隐蔽的电力通道：充满高压电缆的长型地下隧道。这些通道既能为拥挤的街道释放空间，又能保护关键基础设施——但要在安全与成本之间取得平衡并不容易。本研究考察了隧道的埋深与断面形状如何影响其强度与长期稳定性，帮助工程师判断何时简单的矩形断面足够，何时更昂贵的拱形设计值得额外投入。

城市下方的隐蔽电力通道

研究聚焦于一条长15.6公里的电缆隧道，设计用于敷设110 kV和10 kV电力线路，为居民和商业用电供电。沿线穿过四种迥异的地层条件：浅层岩石（ZK1）、浅层土体（ZK2）、含地下水的深层岩石（ZK3）以及含地下水的深层土体（ZK4）。每个区段具有不同的自重、强度和含水性，都会影响周围地层对隧道衬砌的作用力。对这些作用力估计不准确可能导致开裂、渗漏或高昂的维修开支；相反，过于保守又会浪费材料与资金。

两种简单断面，截然不同的力学表现

工程师比较了隧道衬砌的两种横断面形状。一种是直接的矩形——本质上是混凝土箱体；另一种是所谓的三心拱，看起来像置于短立墙之上的圆拱。拱形断面在承受来自周围地层的压缩载荷（即“挤压”力）方面通常更高效，但施工更复杂且成本通常更高。本研究的核心问题是：在不同地层类型和不同埋深下，哪种断面在保证安全的同时总成本最低？

在虚拟实验室中测试隧道强度

作者没有仅依赖经验法则，而是建立了隧道及周围土、岩体的详细三维计算模型。他们采用土木工程中常用的有限元方法，将隧道及其环境划分为许多小单元，计算每个单元的变形与受力。地层本身采用广泛接受的土岩体失稳理论进行描述，使模型能够估算应力（材料承受推拉的强度）和位移（材料的移动量）。研究团队考察了隧道上方的三种典型地表情形：无交通的绿地、轻型非机动车道以及四到六车道的繁忙道路——后者为最苛刻的工况。

裂缝可能起始的位置及其规避方法

对于每个地层区段和隧道断面，研究者重点分析了衬砌周围的关键位置，尤其是拐角和拱脚等应力易集中的部位。所有工况下，混凝土的总体压应力均远低于允许强度，表明两种断面均不存在被碾压破坏的风险。关键差异在于拉应力——混凝土对拉力耐受性较差，易导致开裂。在浅埋条件（ZK1 和 ZK2）下，两种断面均能满足安全要求，且较为简单的矩形隧道在施工上更经济。在较深且含水的地层（ZK3 和 ZK4）中，箱形断面在衬砌的部分区域产生了显著拉应力，而拱形设计则能将这些拉应力转化为较温和的压应力。要在这些深埋条件下保证矩形隧道安全，工程师必须增加钢筋配筋，从而提高成本与施工复杂性。

兼顾安全与成本的设计抉择

通过将真实的地层数据与详细的数值模拟相结合，研究表明不存在放之四海而皆准的隧道断面。对于电缆隧道的浅埋段，矩形箱体能以更低的造价安全承载荷载；而对于受更高地压和地下水影响的深埋段，拱形隧道是更明智的选择，因为它能天然降低衬砌混凝土裂缝的风险。对非专业读者而言，结论清晰：理解地层如何作用于地下结构，使工程师能够根据局部条件调整隧道断面，从而在不浪费资源的前提下，可靠地为我们脚下输送电力。

引用: Li, C., Yan, M. Strength analysis of cable tunnels with different embedding depths by using finite element method. Sci Rep 16, 5578 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35672-6

关键词: 电缆隧道设计, 地下输电线路, 隧道形状, 有限元建模, 城市基础设施