電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)測分析

馮雷

(上海滬申高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200335)

電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)測分析

馮雷

(上海滬申高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司，上海市 200335)

電力隧道一般修建于城市的主干道及中心區(qū)，周邊開發(fā)強(qiáng)度大，電力隧道在運(yùn)營期容易受到近距離施工擾動(dòng)影響，產(chǎn)生沉降與裂縫，嚴(yán)重危害到電力隧道的運(yùn)營安全。通過對上海市已建的17條電力隧道進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查，對電力隧道病害的現(xiàn)狀及原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出將隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及結(jié)構(gòu)裂縫變化量作為電力隧道運(yùn)營期的監(jiān)測目標(biāo)。針對上海電力隧道現(xiàn)有的三種不同結(jié)構(gòu)類型（盾構(gòu)，頂管，明挖）和電力設(shè)施安全運(yùn)行要求，設(shè)計(jì)了電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和數(shù)據(jù)管理。在楊高中路電力隧道進(jìn)行了系統(tǒng)的安裝并實(shí)施了長期監(jiān)測，并對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)靈敏可靠，能夠幫助管理人員對周邊施工做出及時(shí)反應(yīng)，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。

電力隧道；健康監(jiān)測；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)測分析

0 引言

隨著上海城市建設(shè)的不斷發(fā)展，對電力的需求持續(xù)上升，大量的電力隧道應(yīng)運(yùn)而生，如2010年建成的世博電力隧道，從浦東新區(qū)500 kV三林變電站到靜安區(qū)500 kV世博變電站，隧道全長達(dá)到了15.25 km，最大隧道外徑為6.2 m。規(guī)劃中上海還將建設(shè)200多公里的電力隧道。

與此同時(shí)我們應(yīng)該清楚的認(rèn)識(shí)到電力隧道位于城市繁華主干道，周邊各種建設(shè)活動(dòng)（深基坑開挖、新建隧道交叉穿越）頻繁，同時(shí)隨著隧道服役年限的增加，如不能對電力隧道進(jìn)行針對性的保護(hù)，將會(huì)給城市用電安全帶來嚴(yán)重的威脅，容易造成惡劣的社會(huì)影響。

當(dāng)前，針對地鐵隧道和公路隧道建設(shè)和運(yùn)營期的健康監(jiān)測系統(tǒng)在國內(nèi)外已有很多研究和應(yīng)用[1-3]，而對于電力隧道系統(tǒng)則多是針對電力電纜本體以及附屬電力設(shè)施的保護(hù)研究[4、5]，專門針對各類電力隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行監(jiān)控方面的研究工作還相對滯后，缺乏可靠的保護(hù)指標(biāo)與有效的監(jiān)控手段，因此對電力隧道的監(jiān)測保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行專門研究，在此基礎(chǔ)上建立電力隧道結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)具有重要的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)意義。

1 電力隧道結(jié)構(gòu)特征及常見病害

1.1 電力隧道結(jié)構(gòu)特征

電力隧道與地鐵隧道和公路隧道不同，內(nèi)部運(yùn)行的電力電纜及其附屬電力設(shè)施對水非常敏感。在上海電力隧道的實(shí)際運(yùn)營中，出現(xiàn)過隧道內(nèi)附屬電力設(shè)備被水淹沒損壞的事故，嚴(yán)重影響了城市電網(wǎng)的安全運(yùn)營，因此，電力隧道結(jié)構(gòu)防水要求高。

電力隧道內(nèi)部的高壓電纜通常采用內(nèi)部充油的方式來保證電纜絕緣，若隧道高差過大，或曲率半徑過小，會(huì)導(dǎo)致油壓過大，電纜保護(hù)層爆裂，因此，電力隧道的高差及曲率半徑控制更加嚴(yán)格。

電力隧道距離一般較短，但結(jié)構(gòu)形式多樣。上海市現(xiàn)有的電力隧道，按結(jié)構(gòu)施工方法分為明挖法、頂管法、盾構(gòu)法3種，按截面形式分為矩形和圓形隧道2種。多樣的結(jié)構(gòu)形式給制定統(tǒng)一的電力隧道監(jiān)測保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)帶來困難。

電力隧道的建設(shè)環(huán)境一般位于城市的主干道及中心區(qū)，周邊地塊開發(fā)強(qiáng)度大，電力隧道在運(yùn)營期易受到近距離施工擾動(dòng)。電力隧道周邊較常見的近距離施工包括基坑開挖工程、近距離穿越工程、上方打樁工程、上方大面積堆載等。因此，減少和控制周邊環(huán)境變化及近距離施工對已建電力隧道結(jié)構(gòu)的影響，是保障電力隧道安全的重點(diǎn)。

1.2 電力隧道主要病害形式

電力隧道內(nèi)部滲漏水和積水，是上海電力隧道運(yùn)營期最常見的病害形式。各種結(jié)構(gòu)類型的電力隧道，其滲漏水和積水位置不盡相同。

常見的滲漏水位置有：（1）工作井或檢修井；（2）工作井與區(qū)間隧道接頭；（3）混凝土接縫、管片或管段接頭；（4）混凝土、管片或管段裂縫；（5）注漿孔；（6）螺栓孔。

常見的積水位置有：（1）工作井或檢修井、接頭區(qū)；（2）工作井與區(qū)間隧道接頭附近；（3）區(qū)間隧道。典型電力隧道內(nèi)部滲漏水和積水情況如圖1所示。

圖1 電力隧道內(nèi)部滲漏水和積水情況

同時(shí)，由于隧道內(nèi)部出現(xiàn)滲漏水和積水情況，很容易使隧道襯砌外的腐蝕性物質(zhì)如氯離子、硫酸鹽從滲漏水位置流入，從而導(dǎo)致隧道襯砌材料產(chǎn)生劣化。隧道結(jié)構(gòu)若經(jīng)常處于潮濕、滲漏水、積水狀態(tài)，也必然會(huì)導(dǎo)致電力隧道內(nèi)的附屬鋼構(gòu)件銹蝕、電纜侵蝕現(xiàn)象，給電力隧道的維護(hù)管理帶來困難，也給電力隧道正常運(yùn)營埋下了極大的隱患。電力隧道內(nèi)部腐蝕情況如圖2所示。

圖 2電力隧道內(nèi)部腐蝕情況

對上海電網(wǎng)17條電力隧道內(nèi)部的滲漏水、積水、結(jié)構(gòu)腐蝕以及附屬設(shè)施腐蝕等病害現(xiàn)象進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，17條隧道中有15條隧道存在滲漏水、積水現(xiàn)象，其比例達(dá)到了88.2%；有11隧道出現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件、設(shè)備的腐蝕現(xiàn)象，其比例達(dá)到了64.7%。電力隧道內(nèi)部病害詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 上海電網(wǎng)電力隧道病害統(tǒng)計(jì)

2 電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)組成

結(jié)合當(dāng)前上海電力隧道調(diào)研和統(tǒng)計(jì)以及其他運(yùn)營資料分析，配合電力隧道日常管理要求，提出隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及混凝土裂縫變化量為上海電力隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全管理的主要監(jiān)測指標(biāo)。

電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)和運(yùn)營管理等三個(gè)部分，整體構(gòu)成框架如圖3所示。自動(dòng)實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下6個(gè)子系統(tǒng)組成：

（1）不均勻沉降監(jiān)測系統(tǒng)（由靜力水準(zhǔn)儀組成）；

（2）管片接頭張開量監(jiān)測系統(tǒng)（由裂縫計(jì)組成）；

（3）結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測系統(tǒng)（由裂縫計(jì)組成）；

（4）自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（由數(shù)據(jù)采集儀組成）；

（5）無線通信系統(tǒng)（由無線通信模塊組成）；

（6）遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測信息及數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)圖形分析系統(tǒng)（由相關(guān)軟件組成）。

圖3 實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)總體構(gòu)成框架

2.2 監(jiān)測內(nèi)容與儀器布置

電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測的監(jiān)測內(nèi)容包括：不均勻沉降、接頭張開量、結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測。根據(jù)盾構(gòu)、頂管、明挖三種不同施工方法電力隧道的結(jié)構(gòu)形式特點(diǎn)分別設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的沉降和變形，確保隧道健康運(yùn)營。

縱向不均勻沉降是是判斷電力隧道結(jié)構(gòu)和周圍地層穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其監(jiān)測結(jié)果能反映電力隧道在運(yùn)營過程中產(chǎn)生的累積不均勻沉降，因此，不均勻沉降監(jiān)測是電力隧道健康監(jiān)測的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于管段接頭剛度遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)本身的剛度，周邊地層發(fā)生不均勻沉降時(shí)，接頭的錯(cuò)位變形會(huì)遠(yuǎn)大于隧道管段的變形，因此，盾構(gòu)法和頂管法電力隧道不均勻沉降的監(jiān)測點(diǎn)主要布置在電力隧道結(jié)構(gòu)接頭附近。而明挖法電力隧道的不均勻沉降的監(jiān)測點(diǎn)則布置在結(jié)構(gòu)沉降縫附近。所有縱向不均勻沉降監(jiān)測點(diǎn)均布置于隧道同一側(cè)，監(jiān)測點(diǎn)間距為25 m，高程相差較大處設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)。

盾構(gòu)法和頂管法電力隧道管段接頭是隧道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，是電力隧道內(nèi)部滲漏水的高發(fā)部位，接頭張開量變化是反映接頭壽命和電力隧道結(jié)構(gòu)防水性能的重要指標(biāo)。對接頭張開量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測才能把握當(dāng)前管片接頭是否存在安全隱患，提前對接頭防水安全進(jìn)行預(yù)警，及時(shí)采取處理措施，防止引發(fā)大型災(zāi)害事故。電力隧道接頭水平張開量監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置于管片接頭處，每個(gè)斷面在隧道拱頂及兩側(cè)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，全面監(jiān)測結(jié)構(gòu)接頭張開量變化情況。監(jiān)測斷面間距為25 m。

相比預(yù)制管段，明挖法電力隧道的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)現(xiàn)場施工質(zhì)量相對較差，因此，除了結(jié)構(gòu)沉降縫位置需監(jiān)測張開量變化外，結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的裂縫易成為滲水路徑，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全，也需布置監(jiān)測點(diǎn)，嚴(yán)密監(jiān)測。監(jiān)測斷面根據(jù)現(xiàn)場人工調(diào)查確定，每個(gè)斷面在隧道頂部及兩側(cè)布置監(jiān)測點(diǎn)。

電力隧道監(jiān)測斷面儀器布置如圖4和圖5所示。

圖4 盾構(gòu)法和頂管法電力隧道監(jiān)測斷面布置，圖中A、B、C為裂縫計(jì)；F為靜力水準(zhǔn)儀

圖5 明挖法電力隧道監(jiān)測斷面布置，圖中A、B、C為裂縫計(jì)；F為靜力水準(zhǔn)儀

3 電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測儀器設(shè)備

3.1 縱向不均勻沉降監(jiān)測

電力隧道縱向不均勻沉降采用靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)連通器原理，參照點(diǎn)容器安裝在一個(gè)穩(wěn)定的位置，其它測點(diǎn)容器位于同參照點(diǎn)容器大致相同標(biāo)高的不同位置，任何一個(gè)測點(diǎn)容器與參照容器間的高程變化都將引起相應(yīng)容器內(nèi)的液面變化，從而獲取測點(diǎn)相對于參照點(diǎn)高程的變化，最小可監(jiān)測到0.03 mm的高程變化。本系統(tǒng)采用的靜力水準(zhǔn)儀如圖6（a）所示。

3.2 接頭張開量和裂縫監(jiān)測

電力隧道管片接頭張開量和結(jié)構(gòu)裂縫變化量采用振弦式表面裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。振弦式表面裂縫計(jì)適合安裝在結(jié)構(gòu)物表面，可在惡劣環(huán)境下長期監(jiān)測結(jié)構(gòu)裂縫和接縫的開合度。兩端的球形萬向節(jié)允許一定程度的剪切位移，最低可監(jiān)測到0.05 mm的開合變化。本系統(tǒng)采用的裂縫計(jì)如圖6（b）所示。

圖6 電力隧道健康監(jiān)測儀器

3.3 數(shù)據(jù)采集單元

電力隧道現(xiàn)場儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用分布式網(wǎng)絡(luò)測量單元進(jìn)行采集，測量單元內(nèi)置混合式智能測量模塊，可測量振弦式、差阻式、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)、電位計(jì)、電阻應(yīng)變片等各種類型的傳感器。模塊本身具有8個(gè)測量通道，每個(gè)通道均可接入一支完整的傳感器，通過通道擴(kuò)展模塊，最多可實(shí)現(xiàn)40個(gè)通道的測量。各通道均裝有防雷器件，可有效消除或減少因雷擊對設(shè)備造成的損壞。測量單元如圖7所示。

圖7 分布式網(wǎng)絡(luò)測量單元

3.4 無線通信模塊

電力隧道監(jiān)測位置分布在城市不同區(qū)域，距離控制中心較遠(yuǎn)，監(jiān)測儀器采集的數(shù)據(jù)通過無線方式實(shí)時(shí)傳輸回電力隧道運(yùn)營控制中心。監(jiān)測現(xiàn)場的設(shè)備通訊接口端安裝一臺(tái)無線通信模塊，現(xiàn)場的多個(gè)設(shè)備時(shí)可使用有線連接。用戶監(jiān)控主機(jī)只需通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)與中心端連接，即可獲得監(jiān)測現(xiàn)場設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并可以對現(xiàn)場儀器狀態(tài)進(jìn)行查詢，設(shè)置，重啟等操作。無線通信方式如圖8所示。

圖8 無線通信示意圖

4 電力隧道實(shí)時(shí)健康系統(tǒng)實(shí)測分析

4.1 工程背景

楊高中路電力隧道工程是為了解決浦東地區(qū)架空高壓線入地的一項(xiàng)景觀工程，全長3 180 m，共設(shè)10座工井，于2006年投入運(yùn)營。隧道采用Φ3000非開挖頂管技術(shù)建造，管材為Φ3000鋼承口式鋼筋混凝土管，隧道內(nèi)每15節(jié)管節(jié)設(shè)置一條變形縫，每管節(jié)接縫均采用封閉鋼環(huán)焊接。

在隧道巡檢人員的巡查過程中，發(fā)現(xiàn)9#工作井～10#工作井區(qū)間出現(xiàn)明顯塌陷，素混凝土墊層與管節(jié)結(jié)構(gòu)變形脫開，產(chǎn)生較多細(xì)小裂縫，并伴有滲漏現(xiàn)象，需要進(jìn)行注漿加固處理。為了保證電力電纜設(shè)施的安全運(yùn)行，需要在隧道注漿加固過程中嚴(yán)格監(jiān)控隧道變形狀態(tài)，因此，在現(xiàn)場詳細(xì)勘察基礎(chǔ)上，安裝了電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)。

4.2 測點(diǎn)布置

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)位于9#工作井與10#工作井之間，在加固范圍內(nèi)及沉降影響較大區(qū)域，設(shè)置了S0～S12共13個(gè)不均勻沉降監(jiān)測點(diǎn)；同時(shí)在S1、S3、S5、S7、S10斷面的兩側(cè)壁及拱頂，進(jìn)行接頭張開量監(jiān)測，共設(shè)置15個(gè)接頭張開量測量點(diǎn)，如圖9所示。

圖9 9#—10#監(jiān)測斷面布置圖

4.3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

本次監(jiān)測周期共計(jì)177 d。斷面1、斷面10的不均勻沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)和接頭張開量監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖10～圖13所示。

圖10 斷面1沉降變化曲線

圖11 斷面1接頭張開量變化曲線

圖12 斷面10沉降變化曲線

圖13 斷面10接頭張開量變化曲線

通過對每次注漿加固施工進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，可以明顯看出，注漿會(huì)引起隧道的顯著抬升，抬升量約為1 mm～2 mm,然后由于注漿壓力消散，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較長的下降段。注漿引起沉降突變的同時(shí)，隧道接縫張開量亦會(huì)相應(yīng)發(fā)生明顯變化。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在監(jiān)測第127 d前后，電力隧道各監(jiān)測斷面發(fā)生異常沉降變化，其中靠近S1斷面沉降變化較小，為1.486 mm；靠近S10斷面沉降變化較大，最大差值為49.675 mm，相應(yīng)S10斷面兩側(cè)壁的接頭張開量也發(fā)生明顯的變化，最大值0.691 mm。緊急進(jìn)行現(xiàn)場查勘發(fā)現(xiàn)，9#-10#電力隧道上方，靠近S10斷面附近，高壓走廊景觀改造項(xiàng)目進(jìn)行了土方開挖，其最大開挖土方高度約3.5 m，并有重型土方車碾壓，造成了電力隧道結(jié)構(gòu)的突沉與抬升。經(jīng)聯(lián)系施工方停止施工后，各斷面不均勻沉降和接頭張開量都恢復(fù)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

電力隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測工作具有重要的意義，本研究設(shè)計(jì)開發(fā)了電力隧道實(shí)時(shí)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)自動(dòng)采集傳輸與管理。在楊高中路電力隧道加固施工過程中，進(jìn)行了系統(tǒng)的安裝并實(shí)施了長期監(jiān)測，并對現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)采用的硬件和開發(fā)的軟件運(yùn)行良好，監(jiān)測數(shù)據(jù)靈敏可靠，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)。主要結(jié)論如下：

（1）調(diào)查了上海市已建的17條電力隧道，隧道滲漏水和內(nèi)部結(jié)構(gòu)腐蝕是電力隧道主要病害，提出隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及混凝土裂縫變化量為上海電力隧道結(jié)構(gòu)運(yùn)營安全管理的主要監(jiān)測指標(biāo)。

（2）基于現(xiàn)場調(diào)研和統(tǒng)計(jì)分析，參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，選用靜力水準(zhǔn)儀和振弦式表面裂縫計(jì)監(jiān)測電力隧道結(jié)構(gòu)變形。在隧道管段接頭附近布設(shè)監(jiān)測斷面，每個(gè)斷面布置一臺(tái)靜力水準(zhǔn)儀和三臺(tái)裂縫計(jì)，可實(shí)時(shí)掌握隧道結(jié)構(gòu)的微小變形情況。

（3）分析了楊高中路電力隧道9#～10#監(jiān)測時(shí)期內(nèi)的隧道不均勻沉降和接頭張開量變化數(shù)據(jù)。實(shí)測數(shù)據(jù)很好的反應(yīng)了結(jié)構(gòu)變形情況，幫助管理人員對周邊施工及時(shí)反應(yīng)，避免破壞性施工發(fā)生，充分證明了系統(tǒng)的靈敏度和可靠性，完全能夠滿足電力隧道結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的要求，為電力隧道安全運(yùn)營和管理提供依據(jù)。

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U456.3

B

1009-7716（2017）08-0194-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.060

2017-05-21

馮雷（1983-），男，河北秦皇島人，博士，工程師，主要從事隧道與地下工程、市政道路工程、高速公路工程方面的建設(shè)管理與研究工作。