北京市電力隧道結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)狀及評(píng)價(jià)分析

王娟娟，王錦森，袁偉衡，翟傳明，張達(dá)

（中電投工程研究檢測(cè)評(píng)定中心有限公司）

1 引言

我國(guó)部分大中城市的既有電力隧道數(shù)量巨大，特別是北京、上海和廣州，這些電力隧道承載著城市輸電系統(tǒng)的主脈絡(luò)，其安全運(yùn)營(yíng)對(duì)城市運(yùn)行和安全極其重要。北京市大部分電力隧道埋深較淺、斷面較小，工作環(huán)境相對(duì)惡劣、復(fù)雜，電力隧道運(yùn)行中主要存在結(jié)構(gòu)損傷、鋼筋銹蝕、混凝土開(kāi)裂及隧道滲漏等問(wèn)題，影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性[1]。北京市規(guī)劃2018年底，完成既有老舊地下電力隧道的維護(hù)和改造。

2 電力隧道結(jié)構(gòu)形式及建造年代

自2012—2018年，對(duì)北京市718km電力隧道進(jìn)行了全面排查，并陸續(xù)對(duì)北京市東城、西城、海淀、朝陽(yáng)、石景山、通州及順義等11個(gè)區(qū)的135段（約102km）存在安全隱患的電力隧道進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，北京市電力隧道分布總覽如圖1所示。

其中，東城區(qū)、西城區(qū)、朝陽(yáng)區(qū)、海淀區(qū)和豐臺(tái)區(qū)電力隧道開(kāi)始修建年代最早，東、西城區(qū)早年修建規(guī)模較大，發(fā)展較快，近年來(lái)，修建規(guī)模增長(zhǎng)不大，已接近飽和，因此，其結(jié)構(gòu)形式也相對(duì)較陳舊，主要為暗挖單襯隧道、明挖磚混隧道和頂管隧道；其他遠(yuǎn)郊區(qū)域（通州區(qū)、順義區(qū)和石景山區(qū)等）電力隧道建設(shè)年代較晚，大部分隧道已采用暗挖雙襯結(jié)構(gòu)或明挖澆筑結(jié)構(gòu)[2]。北京市電力隧道結(jié)構(gòu)形式、建造年代及尺寸統(tǒng)計(jì)表如表1所示。其中，存在安全隱患的135段電力隧道段結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)表如表2和圖2所示。

表1 北京市電力隧道結(jié)構(gòu)形式、建造年代及尺寸統(tǒng)計(jì)表

表2 電力隧道結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)表

圖2 電力隧道結(jié)構(gòu)類型示意圖

由表2和圖2可以看出，存在安全隱患的135段電力隧道中，暗挖單襯結(jié)構(gòu)的隧道段共有72段，占比53.3%，混凝土頂管結(jié)構(gòu)和明挖磚混結(jié)構(gòu)占比分別為17.0%和16.3%，上述3種結(jié)構(gòu)類型的電力隧道建造年代較早，均開(kāi)始于1978年。電力隧道質(zhì)量受建造年代影響存在很大差異，據(jù)檢測(cè)與分析，20世紀(jì)七八十年代建成的電力隧道主要存在墻體開(kāi)裂、鋼筋銹蝕、滲水等問(wèn)題，主要原因是設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低及周圍環(huán)境干擾，且部分電力隧道已到達(dá)使用壽命；20世紀(jì)90年代建成的隧道主要存在隧道滲漏、襯砌背后空洞等問(wèn)題，主要原因是暗挖襯砌結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)問(wèn)題；2000年以后建成的電力隧道主要存在混凝土開(kāi)裂、變形、沉降等問(wèn)題，主要原因?yàn)榈叵鹿こ淘龆啵瑢?duì)土體干擾嚴(yán)重。

3 電力隧道斷面類型

對(duì)135段電力隧道的主要截面類型進(jìn)行了檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)，如表3所示。電力隧道主要斷面類型有3種，分別為圓形、直墻拱形和矩形。從表中可以看出，直墻拱形電力隧道共有79段，占比58.5%；圓形隧道共有22段，占比16.3%；矩形隧道共有34段，占比25.2%。電力隧道斷面圖如圖3所示。

表3 斷面類型統(tǒng)計(jì)表

圖3 電力隧道斷面圖

4 電力隧道損傷情況分析

電力隧道在使用過(guò)程中，受外界環(huán)境干擾以及結(jié)構(gòu)自身問(wèn)題，存在襯砌裂縫、襯砌背后空洞、鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層脫落、強(qiáng)度降低等問(wèn)題，存在變形和坍塌的隱患。在北京市電力隧道檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，一段電力隧道中往往存在多種破壞，由于電力隧道襯砌裂縫，導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)滲漏水情況，進(jìn)而引起隧道襯砌受到侵蝕，出現(xiàn)酥松、蜂窩麻面、堿化及骨料分離等材質(zhì)破壞，導(dǎo)致電力隧道襯砌材料強(qiáng)度降低，鋼筋銹蝕等災(zāi)害。常見(jiàn)的電力隧道結(jié)構(gòu)損傷如圖4所示。

圖4 常見(jiàn)的電力隧道結(jié)構(gòu)損傷圖

已檢測(cè)的135段電力隧道中，存在的損傷情況共有9種，電力隧道損傷情況統(tǒng)計(jì)表如表4所示。從表4可以看出，電力隧道主要的損傷類型有滲水、襯砌裂縫、隧道積水和鋼筋銹蝕4種，其中，存在襯砌裂縫的電力隧道共有63段，占比46.7%，是電力隧道中存在數(shù)量最多的損傷類型，也是引起其他損傷的最根本原因。

表4 電力隧道損傷情況統(tǒng)計(jì)表

同一段電力隧道中可能存在2種及以上并發(fā)損傷，為了后續(xù)對(duì)電力隧道進(jìn)行安全性分級(jí)，對(duì)135段隧道中每段隧道存在的損傷情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如表5所示。

表5 并發(fā)損傷情況統(tǒng)計(jì)表

從表5中可以看出，同一段電力隧道存在1種損傷情況占比為33.3%，存在2種損傷情況占比為31.1%，存在2種及以上損傷情況占比為52.5%，存在3種及以上損傷情況占比為21.4%。且隨著時(shí)間增長(zhǎng)，滲水或襯砌裂縫等單一損傷不僅本身對(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，降低襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性，而且還會(huì)引發(fā)鋼筋銹蝕、保護(hù)層脫落等其他損傷，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定產(chǎn)生較大影響[3]。

在電力隧道檢測(cè)過(guò)程中，由于襯砌裂縫是存在最多的損傷類型，本文對(duì)裂縫寬度及裂縫寬度與其他損傷的相互關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，裂縫寬度統(tǒng)計(jì)情況如表6所示。

由表6知，共有63段隧道出現(xiàn)不同程度的裂縫損傷，部分電力隧道存在多條裂縫，裂縫寬度范圍為0～10mm（長(zhǎng)虹橋東側(cè)電力隧道斷出現(xiàn)10mm裂縫），出現(xiàn)寬度0.5mm及以下裂縫的電力隧道占總數(shù)的90.5%，出現(xiàn)寬度0.5～1.0mm裂縫的電力隧道占總數(shù)的42.9%，出現(xiàn)寬度1.0～1.5mm裂縫的電力隧道占總數(shù)的34.9%。

表6 裂縫寬度統(tǒng)計(jì)表

圖5 電力隧道損傷情況數(shù)量統(tǒng)計(jì)

本文對(duì)存在超過(guò)3.0mm裂縫的電力隧道進(jìn)行了其他損傷的綜合統(tǒng)計(jì)，如表7所示。

表7 電力隧道損傷綜合統(tǒng)計(jì)（裂縫寬度≥3.0mm）

由表7可以看出，裂縫寬度超過(guò)3.0mm時(shí)，多數(shù)隧道出現(xiàn)其他并發(fā)損傷；裂縫寬度為3.0～4.0mm的電力隧道共有13段，其中，有8段同時(shí)存在滲水或積水情況，有9段存在鋼筋銹蝕情況；裂縫寬度為7mm以上的電力隧道共有7段，其中，這7段隧道均存在不同程度的滲水/積水情況，且均存在鋼筋銹蝕情況。這說(shuō)明裂縫寬度與滲水和鋼筋銹蝕等其他損傷之間存在一定的關(guān)聯(lián)。

5 隧道損傷情況評(píng)級(jí)

根據(jù)各損傷因子之間的相互關(guān)系，結(jié)合三維有限元模擬結(jié)果和多年檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)將135段電力隧道進(jìn)行安全性評(píng)級(jí)，按照隧道的損傷程度、隧道結(jié)構(gòu)變形結(jié)果（通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果獲得）分為A、B、C、D四個(gè)等級(jí)，A級(jí)為損傷最嚴(yán)重的電力隧道。以下為評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)：

1） A級(jí)：沿線隧道內(nèi)連續(xù)多個(gè)斷面集中出現(xiàn)較寬裂縫（裂縫寬度＞1mm），有嚴(yán)重滲水或積水現(xiàn)象，鋼筋外露且銹蝕嚴(yán)重，材料嚴(yán)重劣化，隧道結(jié)構(gòu)變形較大，墻體（板）嚴(yán)重開(kāi)裂，應(yīng)立即采取修補(bǔ)或加固措施以提高原結(jié)構(gòu)承載力；

2） B級(jí)：沿線隧道內(nèi)個(gè)別斷面出現(xiàn)較寬裂縫（裂縫寬度＞1mm）且有滲水或積水現(xiàn)象，部分鋼筋外露且銹蝕嚴(yán)重，材料明顯劣化，隧道結(jié)構(gòu)明顯變形，墻體（板）開(kāi)裂，應(yīng)及時(shí)采取修補(bǔ)或加固措施提高原結(jié)構(gòu)承載力；

3） C級(jí)：沿線隧道內(nèi)斷面分散性出現(xiàn)裂縫（裂縫寬度≤1mm），少數(shù)鋼筋外露銹蝕、混凝土剝落，墻體（板）局部開(kāi)裂，應(yīng)采取措施對(duì)隧道結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行修復(fù)處理，恢復(fù)原結(jié)構(gòu)承載能力；

4） D級(jí)：少數(shù)隧道內(nèi)斷面出現(xiàn)襯砌裂縫（裂縫寬度≤0.5mm），襯砌完好，墻體（板）完好，無(wú)明顯變形或裂縫，可正常使用。

根據(jù)上述評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)135段隧道進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表8所示。

表8 電力隧道評(píng)定等級(jí)統(tǒng)計(jì)表

從表8中可以看出，評(píng)為A級(jí)（嚴(yán)重?fù)p傷）的電力隧道共有13段，占比9.6%，評(píng)為A級(jí)的電力隧道應(yīng)立即采取修補(bǔ)或加固措施，防止災(zāi)害事故的發(fā)生；評(píng)為B級(jí)（中等損傷）的電力隧道共有64段，該部分占據(jù)比例最大，為47.4%，評(píng)為B級(jí)的電力隧道應(yīng)及時(shí)采取修補(bǔ)或加固措施，以保障電力隧道的正常運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)北京市718km電力隧道的安全排查及135段存在安全隱患電力隧道的詳細(xì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，對(duì)電力隧道的結(jié)構(gòu)形式、建造年代及災(zāi)害類型進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，形成了隧道檢測(cè)現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫(kù)，以便及時(shí)了解、掌握并應(yīng)對(duì)隧道的各種突發(fā)狀況。

對(duì)電力隧道損傷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，找出各損傷因子之間的相互關(guān)系，提出電力隧道安全評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)隧道進(jìn)行評(píng)級(jí)，對(duì)評(píng)為A級(jí)、B級(jí)（隱患較大）的電力隧道及時(shí)采取有效措施進(jìn)行處理，以保證電力隧道的安全運(yùn)行，防止電力隧道災(zāi)害的發(fā)生。