電力電纜隧道結(jié)構(gòu)常見病害分類及防治

陳孝湘，李廣福，吳勤斌

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

隨著城市化進(jìn)程的加快，越來越多的電力隧道開始被應(yīng)用到電網(wǎng)建設(shè)中。由于電力隧道設(shè)計(jì)使用年限較久，在隧道建成投運(yùn)后，隨時(shí)間推移或周邊環(huán)境條件的變化，會出現(xiàn)影響隧道正常運(yùn)行檢修乃至危及隧道結(jié)構(gòu)安全的各類病害。

張瑛等人通過對上海電力隧道常見病害的調(diào)查，分析了該地區(qū)三種常見的隧道病害，并提出了相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)。而據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，電力隧道投運(yùn)后除了出現(xiàn)滲漏水、襯砌裂損、襯砌腐蝕之外，還會出現(xiàn)其他的病害類型。

結(jié)合現(xiàn)有研究成果，文章分析了福建省內(nèi)已運(yùn)營電力隧道的調(diào)查數(shù)據(jù)，對電力隧道可能出現(xiàn)的病害進(jìn)行分類；并簡要剖析電力隧道病害的預(yù)防與治理思路，為相關(guān)工程的運(yùn)營檢修、病害防治提供依據(jù)。

1 電力隧道常用工法

受敷設(shè)電壓等級及回路數(shù)影響，電力隧道截面幾何形狀和尺寸大小不一，但多以10.0m2凈面積的矩形、直墻拱形和圓形隧道為主，目前常用施工工法主要為明挖法、淺埋暗挖法、頂管法、盾構(gòu)法等。

1.1 明挖隧道

明挖法是電力隧道在電力隧道施工中最基本、最常用的工法。明挖法在開挖深度小于7.0m、施工場地開闊的情況下具有工期短、淺埋時(shí)造價(jià)低的特點(diǎn)；但由于其開挖面積較大，使得其對周邊環(huán)境影響也較大。

為減小基坑開挖周邊土體的變形，需加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度；為減小在城市道路下方修建隧道對路面交通的影響，將明挖法發(fā)展形成了蓋挖法，但無論如何，在埋深較大或周邊環(huán)境較為復(fù)雜的城市內(nèi)逐漸失去優(yōu)勢。

1.2 淺埋暗挖法

淺埋暗挖法是基于新奧法發(fā)展而來的一種工法，采用不同開挖方法及時(shí)支護(hù)封閉成環(huán)，使其與圍巖共同作用形成聯(lián)合支護(hù)體系，并且采用信息化設(shè)計(jì)與施工。

由于淺埋暗挖法相對于明挖法具有對地表擾動小、路徑曲率靈活、斷面利用率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在硬土層、卵石地層的電力隧道建設(shè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，當(dāng)周邊環(huán)境復(fù)雜或地下水位較高時(shí)，由于采取相應(yīng)的輔助開挖工法，會使得隧道建設(shè)難度加大，同時(shí)也使得隧道造價(jià)增高。

1.3 頂管法

頂管技術(shù)是在不開挖地表的情況下，利用液千斤頂將管節(jié)從工作井在地下逐節(jié)頂進(jìn)，直至頂管至接收井的地下管道敷設(shè)施工工藝。由于頂管無需進(jìn)行地面開挖，因此不會阻礙交通，不會產(chǎn)生過大的噪聲和振動，對周邊環(huán)境影響也很小。

頂管法具有開挖面積小、施工便捷、在中小截面隧道建設(shè)中造價(jià)小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于沿海地區(qū)的電力隧道建設(shè)，但在大截面隧道、超小曲率半徑的隧道建設(shè)中還有很多技術(shù)瓶頸亟待突破。

1.4 盾構(gòu)法

盾構(gòu)是在軟巖和土體中進(jìn)行隧道施工的專門機(jī)具，使用盾構(gòu)機(jī)開挖的施工方法簡稱盾構(gòu)法。現(xiàn)代盾構(gòu)集機(jī)、電、液、信息技術(shù)與一體，具有開挖切削土體、輸送土渣、拼裝隧道襯砌、測量導(dǎo)向糾偏等功能。盾構(gòu)隧道已廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道等工程，也逐步開始在電力隧道中推廣應(yīng)用。

盾構(gòu)施工主要由穩(wěn)定開挖面、掘進(jìn)及排土、管片襯砌及壁后注漿三大要素。盾構(gòu)法適用性廣，安全性高，適應(yīng)性強(qiáng)，但單體造價(jià)較高，在中小截面隧道中應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)效益較差。

2 電力隧道病害分類及其危害

電力隧道病害的出現(xiàn)可能是由于勘測設(shè)計(jì)誤差或施工質(zhì)量欠缺等隧道建設(shè)自身問題的存在，也可能是受隧道所在地層條件變化等外在因素的影響，這些不利因素使得隧道結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了各種影響隧道正常運(yùn)營的病害。由于大規(guī)模建設(shè)時(shí)間較早，投運(yùn)數(shù)量較多，公路、鐵路及市政部門已針對現(xiàn)有的隧道常見病害開展大量的研究，關(guān)寶樹 針對隧道中出現(xiàn)的各類病害，出版了隧道工程檢修的專著；陳志強(qiáng)等人利用相關(guān)原理對老營盤隧道的病害進(jìn)行了調(diào)查研究，將現(xiàn)有的隧道病害診治技術(shù)應(yīng)用到工程實(shí)踐中，取得了良好的效果。

但不同于公路、鐵路等以鉆爆法為主要施工工藝的巖石隧道，電力隧道多處于城區(qū)軟弱土層中，施工工藝復(fù)雜、周邊環(huán)境多變，從而使得投產(chǎn)后的隧道病害類型也可能與巖石隧道大相徑庭。隨著建設(shè)進(jìn)程不斷加快、投運(yùn)數(shù)量不斷增多，電力隧道的運(yùn)營檢修也必須面對不斷增多的各類病害。

根據(jù)福州市和廈門市已建電力隧道的調(diào)查，并參考現(xiàn)有研究成果，電力隧道常見災(zāi)害類型可分為：滲漏水(水害)、襯砌裂損、隧道凍害、襯砌腐蝕、地震災(zāi)害和隧道火災(zāi)等六類。

2.1 結(jié)構(gòu)滲漏水

由于城市多沿江或?yàn)I海而建，地下水位較高，電力隧道修筑在地下水位以下，故而結(jié)構(gòu)滲漏水就成為了電力隧道的通病。

發(fā)生在電力隧道內(nèi)的水害類型主要是滲漏水和涌水。隧道滲漏，按其發(fā)生的部位和流量可分為：隧道側(cè)壁或頂部有滲水、滴水、漏水成線和成股射水四種，頂管隧道管節(jié)接縫滲漏水見圖1。

圖1 頂管隧道管節(jié)接縫滲漏水

隧道滲漏按水源補(bǔ)給情況，又分為地下水補(bǔ)給和地表水補(bǔ)給兩種。地下水補(bǔ)給具有穩(wěn)定的地下水源，其流量四季變化不大；地表水補(bǔ)給，其流量隨地表水季節(jié)變化而變化。由于城市電力電纜隧道多處滲透地下水位以下，且周邊地層的滲透性較強(qiáng)，故多為穩(wěn)定地下水水源補(bǔ)給。

隧道水害對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、洞內(nèi)電力設(shè)施、運(yùn)營檢修安全、地面建筑及周邊水環(huán)境產(chǎn)生諸多不良影響，甚至可能會危及隧道功能的實(shí)現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)裂損

隧道結(jié)構(gòu)是承受周邊地層壓力、防止土體變形坍塌的工程主體建筑物。地層壓力的大小，主要取決于工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，同時(shí)也和結(jié)構(gòu)施工方法及工程質(zhì)量的好壞等因素有關(guān)。作用在隧道結(jié)構(gòu)上的壓力主要為土壓力和水壓力，特殊性巖土地區(qū)的隧道還存在膨脹壓力和凍脹壓力。

結(jié)構(gòu)裂損的原因可能是由于勘察階段對巖土體物理、力學(xué)參數(shù)取值有誤，造成襯砌承受大于設(shè)計(jì)承載能力的荷載而破壞；也可能是由于設(shè)計(jì)襯砌選型不當(dāng)，抑或是施工質(zhì)量出現(xiàn)問題導(dǎo)致的。明挖隧道頂板裂縫見圖2。

結(jié)構(gòu)裂損可以分為橫向裂紋、縱向裂紋和斜向裂紋，三種裂紋成因各異，但隧道結(jié)構(gòu)裂損均破壞了隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低了結(jié)構(gòu)的安全可靠性，其主要危害在于：

(1) 降低了襯砌結(jié)構(gòu)的承載力；

(2) 使隧道凈空減小，危及電纜使用空間；

圖2 明挖隧道頂板裂縫

(3) 裂縫一般都伴生滲漏水，造成洞內(nèi)設(shè)施銹蝕，在嚴(yán)寒地區(qū)還可能產(chǎn)生凍害；

(4) 影響電力隧道的正常運(yùn)行，在運(yùn)營條件下對裂損襯砌進(jìn)行大修整治，施工與運(yùn)營相互干擾，不僅施工效率低，而且施工風(fēng)險(xiǎn)也較大。

2.3 隧道凍害

隧道凍害是寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的隧道內(nèi)水流和圍巖積水凍結(jié)，引起隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)掛冰、隧道內(nèi)網(wǎng)線設(shè)備掛冰、圍巖凍脹、襯砌脹裂、水溝冰塞、線路凍起等，這些病害不僅影響到構(gòu)筑物的安全，也可能會影響到電纜的正常運(yùn)行。

隧道凍害與所在地區(qū)氣溫(低于0℃或正負(fù)交替)直接相關(guān)，氣溫變化凍融交替是主因。隧道凍害會導(dǎo)致襯砌凍脹開裂，甚至疏松剝落，造成隧道結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，降低結(jié)構(gòu)的安全可靠性。

2.4 襯砌腐蝕

由于電力隧道需埋置于土層中，土層的地質(zhì)條件千變?nèi)f化，在腐蝕性環(huán)境中，地下水會沿著隧道結(jié)構(gòu)的毛細(xì)孔、各類投料孔、變形縫及其他孔洞滲流到隧道內(nèi)側(cè)，成為隧道滲漏水，對混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生物理性或化學(xué)性的侵蝕作用，造成襯砌腐蝕。

隧道結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素有：混凝土質(zhì)量和水泥的品種，滲流到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的環(huán)境水含侵蝕性介質(zhì)的種類和濃度，環(huán)境的溫度和濕度等自然條件。

隧道襯砌腐蝕會使得混凝土變酥松，強(qiáng)度下降，降低隧道襯砌的承載能力，更會危及電纜支架等隧道附屬結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全。

2.5 地震災(zāi)害

地震是常見的自然災(zāi)害之一，對建筑結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生毀滅性的作用，但是由于隧道及其他地下建筑物得震害遠(yuǎn)不如地面建筑嚴(yán)重，因而人們對隧道抗震問題的重視程度也低于地面建筑物。

在2008年的汶川地震中，雖未有電力電纜隧道遭受地震災(zāi)害影響的直接報(bào)道，但一些公路、鐵路隧道在地震中遭受了嚴(yán)重的破壞，出現(xiàn)了諸如則洞口被滑坡埋沒、洞門裂縫變形、襯砌裂損和剝落，而且一旦被震壞，修復(fù)相當(dāng)困難。

由于震害后果較為嚴(yán)重，基于對城市生命線的電力隧道結(jié)構(gòu)安全的考慮，必須重視并采取積極措施預(yù)防地震災(zāi)害。

2.6 隧道火災(zāi)

電力電纜隧道發(fā)生火災(zāi)的主要原因多為電纜頭過熱燒穿絕緣或者長期負(fù)荷運(yùn)行、受熱、受潮等原因使得絕緣層破壞引起火災(zāi)，也可能由于接地故障電流引起火災(zāi)。目前暫時(shí)未查詢到關(guān)于電纜燒壞引起的隧道火災(zāi)事故。

電纜隧道的火災(zāi)除了會造成電纜受損導(dǎo)致停電的施工外，還可能導(dǎo)致巡檢人員遇險(xiǎn)、隧道結(jié)構(gòu)受損等災(zāi)害。

3 電力隧道病害防治

電力隧道的各種病害給電力線路的正常運(yùn)營和安全都帶來了影響，有時(shí)影響十分嚴(yán)重。而且，病害整治和電纜保持送電之間的矛盾突出，病害整治干擾正常運(yùn)營，而病害整治在空間、時(shí)間和施工條件都局限的條件下進(jìn)行，困難重重。因此，對隧道病害在認(rèn)識的基礎(chǔ)上，應(yīng)以預(yù)防為主，必須在設(shè)計(jì)階段就要采取措施，防治病害發(fā)生；另一方面，對出現(xiàn)的病害須查清病害原因，采取合理的措施進(jìn)行整治，提高隧道病害整治的工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，還應(yīng)反饋信息，改進(jìn)和優(yōu)化新建電力電纜隧道的設(shè)計(jì)方法和施工工藝。

3.1 隧道病害的防治原則

隨著工程技術(shù)人員對隧道病害產(chǎn)生后果、病害機(jī)理認(rèn)識的不斷深化以及對環(huán)保和運(yùn)營檢修要求的不斷提高，對隧道病害防治原則的認(rèn)識也不斷深化，趨于科學(xué)合理。隧道病害防治應(yīng)堅(jiān)持以“預(yù)防為主、重視監(jiān)測、及時(shí)治理”原則，將病害治理的難度和成本降至最低。

以隧道防水為例，國家標(biāo)準(zhǔn)《地下工程防水技術(shù)規(guī)程》GB50108提出：地下工程防水的設(shè)計(jì)和施工應(yīng)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)嵯酀?jì)，因地制宜，綜合治理”的原則，還提出地下工程的防水設(shè)計(jì)和施工必須符合環(huán)境保護(hù)的要求，并采取相應(yīng)措施。

3.2 隧道病害的防治技術(shù)

較之20世紀(jì)國內(nèi)各行業(yè)隧道建設(shè)和檢修的無序，現(xiàn)有的隧道病害防治技術(shù)進(jìn)步顯著，特別表現(xiàn)在病害防治設(shè)計(jì)和施工趨于規(guī)范化，新材料和新技術(shù)不斷出現(xiàn)，使得隧道病害防治的技術(shù)手段也越來越豐富，但對于電力隧道病害的預(yù)防及其治理，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面的內(nèi)容。

3.2.1 提高工程勘察深度

結(jié)構(gòu)滲漏水、襯砌裂損、隧道凍害、襯砌腐蝕、地震災(zāi)害等，每一種病害的出現(xiàn)，均與隧道所在的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件息息相關(guān)。隧道周邊的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件的準(zhǔn)確與否，決定了隧道設(shè)計(jì)方案是否科學(xué)合理，也在某種程度上決定了各類隧道病害出現(xiàn)的幾率。

工程地質(zhì)勘察過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范要求對工程地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并對每一個(gè)水文和土體的物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格試驗(yàn)和分析，同時(shí)還必須將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行縱、橫向的對比，了解周邊地下環(huán)境的使用歷史和規(guī)劃情況，為工程設(shè)計(jì)提供準(zhǔn)確無誤的輸入?yún)?shù)。

3.2.2 提高設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量

隧道病害的產(chǎn)生和發(fā)展，究其原因，是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)本體的承載和防護(hù)能力不能夠滿足周邊地質(zhì)或環(huán)境要求而造成的。這一矛盾的產(chǎn)生，除了周邊地質(zhì)環(huán)境或使用條件發(fā)生變化外，多是由于設(shè)計(jì)等級選擇不能與設(shè)計(jì)條件相符或是工法選擇不當(dāng)、施工質(zhì)量無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求等建設(shè)過程因素導(dǎo)致。

為使隧道病害防治的設(shè)計(jì)和施工符合確保質(zhì)量、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的要求，國家和鐵路、公路、市政等各行業(yè)部門都制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，規(guī)范隧道病害的設(shè)計(jì)與施工。電力隧道的設(shè)計(jì)和施工單位，應(yīng)在滿足設(shè)計(jì)規(guī)程要求的范圍內(nèi)合理選擇隧道建設(shè)的工法，從源頭上降低電力隧道各類病害的產(chǎn)生幾率。

3.2.3 重視病害監(jiān)測

隧道病害的產(chǎn)生大多是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。在日常的運(yùn)行檢修過程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)巡檢人員對隧道病害的辨別能力和數(shù)據(jù)采集能力，通過建立病害分類、制定監(jiān)測指標(biāo)等工作，以盡早發(fā)現(xiàn)，及時(shí)治理，可減少隧道病害的治理工作量和工作難度，同時(shí)也可大大節(jié)約治理成本。

3.2.4 重視防治理論及防治技術(shù)研究

由于隧道病害類型較多，成因各異，影響因素十分復(fù)雜，系統(tǒng)理論地研究有一定困難，但是，理論和機(jī)理研究是隧道病害治理的基礎(chǔ)。以隧道襯砌滲漏水為例，不清楚隧道襯砌結(jié)構(gòu)的滲漏成因及受其他條件影響的規(guī)律，設(shè)計(jì)則缺乏可靠性，因此加強(qiáng)對各類型隧道病害的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素及影響規(guī)律的研究就顯得極其重要。

隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，許多新材料、新技術(shù)引入隧道病害防治，病害防治設(shè)計(jì)和施工有更多的選擇。以隧道的防水為例，許多新型的性能優(yōu)異的防水堵漏材料和柔性防水層今年來引入隧道防水。隧道病害的治理應(yīng)積極響應(yīng)并應(yīng)積極開展對新材料和新技術(shù)的研究，豐富治理手段，提高治理技術(shù)。

應(yīng)注意的是，電力電纜隧道的病害成因與市政、公路、鐵路隧道有所不同，病害成因及防治方法的研究應(yīng)具有相應(yīng)的針對性。

4 結(jié)論

本文通過對現(xiàn)有電力隧道運(yùn)營現(xiàn)狀的調(diào)查及公路、鐵路隧道現(xiàn)有病害類型研究成果，以常用電力電纜隧道工法為基礎(chǔ)，分析可能存在的幾種結(jié)構(gòu)病害類型、成因及其危害，同時(shí)也提出了隧道病害防治的一些基本原則，得出以下結(jié)論：

(1) 城市電力隧道結(jié)構(gòu)病害的類型主要包括隧道滲漏水、襯砌裂損、凍脹災(zāi)害、襯砌腐蝕、地震災(zāi)害、隧道火災(zāi)等6種。

(2) 電力隧道的病害治理應(yīng)以預(yù)防為主，通過提高地質(zhì)勘察精準(zhǔn)度，提高設(shè)計(jì)和施工手段，降低病害出現(xiàn)的幾率。

(3) 隧道病害的治理應(yīng)在分析病害成因基礎(chǔ)上，合理利用與隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能及設(shè)防等級相一致的材料和技術(shù)。

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