望紅線電力電纜隧道安全性評估

張廼龍，劉 洋，陳 杰，高 嵩，荊宇航

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天科學(xué)與力學(xué)系，黑龍江 哈爾濱 150001)

電力電纜隧道是容納電纜數(shù)量較多、有供安裝和巡視的通道、全封閉型的地下構(gòu)筑物，也是較為常見的城市地下空間利用形態(tài)之一。隨著城市建設(shè)的發(fā)展和用電負荷的增加，城市電力電纜隧道的規(guī)劃和修建近年來也逐步加快，各地建設(shè)及投入使用的電力電纜隧道的數(shù)量和長度也日益增多，并且近年來電力電纜也被作為重要的部分被逐步納入城市綜合管廊的集約化建設(shè)中，或者依托城市地鐵進行同期修建[1]。因此在這種情況下，準(zhǔn)確快速的評估既有電力電纜隧道的安全性具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，國內(nèi)學(xué)者對公路隧道，鐵路隧道及地鐵隧道等大型路基隧道進行了大量有價值的研究。賀金剛[2]通過分析西川隧道的工程地質(zhì)及環(huán)境條件，得出西川隧道襯砌混凝土的腐蝕成因，并提出對襯砌混凝土的加固方法；劉會迎等[3]結(jié)合我國鐵路隧道滲漏水的基本現(xiàn)狀對隧道滲漏水成因和治理措施進行了研究，并提出了相應(yīng)的治理措施；蔣暉光[4]基于FLAC軟件,探究了某鐵路隧道在不同脫空位置、不同脫空程度的情況下襯砌安全性影響,并結(jié)合實際工程制定了相應(yīng)的整治方案；MENG等[5]利用Monte Carlo模擬和事故樹相結(jié)合的方法定量描繪了公路隧道火災(zāi)事故風(fēng)險評估模型；WU等[6]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)和德爾菲法對火災(zāi)發(fā)展過程中的風(fēng)險后果問題進行了研究；然而，由于城市發(fā)展建設(shè)的加快，電力電纜隧道這一類小型隧道的研究也是亟待解決的。

針對上述問題，本文依托于江蘇無錫太湖新城220 kV望紅線56#～63#入地工程專項評估實例，借助有限元軟件，探究既有電纜隧道的安全性影響，同時以隧道襯砌滲漏水、襯砌混凝土強度及隧道內(nèi)離子濃度為依據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬分析結(jié)果，綜合評估既有電纜隧道的安全性，為今后類似工程的安全性評估提供借鑒參考。

1 工程概況

望紅線電力電纜隧道工程總長約2.63 km，位于城市主干道下方，途徑兩側(cè)主要建筑物為學(xué)校、公園、高層住宅小區(qū)等，周邊環(huán)境復(fù)雜。隧道所處位置為山區(qū)地貌，地下水資源豐富。

從地面到隧道頂部依次為：0～4.62 m為素填土；4.62～8.59 m為粉質(zhì)粘土 ；8.59～15.24 m為圓礫、礫砂；15.24～21.76 m為中粗砂；21.76～24.35 m為強風(fēng)化花崗巖；24.35～28.57 m為中風(fēng)化花崗巖。新建電纜隧道工程穿越區(qū)域的地層主要為強風(fēng)化花崗巖層，圍巖分類為Ⅴ類,圍巖巖性較差。

2 數(shù)值模擬

2.1 計算模型

計算采用ABAQUS有限元分析軟件，圍巖采用實體單元、摩爾-庫倫模型、大變形模式來模擬，襯砌結(jié)構(gòu)采用程序內(nèi)置Shell單元、彈性模型進行模擬。計算采用地層-結(jié)構(gòu)模型。計算模型選取范圍:隧道斷面左右兩側(cè)各取約4倍的隧道洞徑，共計24 m長;該斷面隧道埋深約10 m，豎直方向由隧道中心至下邊界取約5倍洞徑，共計15 m。頂部施加均布載荷。模型左右邊界、前后邊界和下部邊界均施加法向位移約束[7]。

圖1 模型示意

圖2 電纜隧道典型斷面

在研究過程中，為簡化計算，對模型采用了如下假設(shè):

(1)圍巖視為均質(zhì)單一的地層，認(rèn)為圍巖為各項同性的彈塑性材料;

(2)襯砌與圍巖嚴(yán)格密貼，二者共同承載，共同變形;

(3)由于二次襯砌在水壓力作用下的縱向變形不是本文著重考慮的問題，建立模型時不考慮二次襯砌縱向分布鋼筋。

2.2 計算步驟

為正確評估既有電纜隧道結(jié)構(gòu)的安全性，重點分析不同水壓作用下應(yīng)力變化、位移變化的變化規(guī)律，從而得到水壓對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響，為實際工程提供參考。

計算采用先施加初始地應(yīng)力，再施加靜水壓力的方法進行數(shù)值模擬計算。計算時，首先進行地應(yīng)力的計算，之后將得到的地應(yīng)力作為初始條件附加到靜力計算，同時添加施加到襯砌結(jié)構(gòu)的靜水壓力[8]，最后對整個結(jié)構(gòu)進行模擬計算。計算參數(shù)中，對于注漿錨桿、型鋼等支護措施采用提高圍巖彈性模量、黏聚力和摩擦角的方法進行等效，拱頂外水壓力為0.2 MPa。以隧道中心為原點，分別計算水頭高度2 m，1 m，0 m，-1 m，-2 m，5種工況下襯砌的受力情況。

2.3 模型參數(shù)

依據(jù)計算假設(shè)，并參考JTGD70/2～2014《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，計算模型參數(shù)的選取見表1。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 安全系數(shù)的計算

根據(jù)TB10003-2005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[9]中要求，利用混凝土偏心受壓構(gòu)件的破壞階段進行襯砌強度的校驗。將極限承載力N極限與數(shù)值計算所得的內(nèi)力N計算進行對比，得到安全系數(shù)K，并與規(guī)范中要求的安全系數(shù)K規(guī)范進行比較

N極限/N計算=K≥K規(guī)范

(1)

在隧道結(jié)構(gòu)上選取拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻、左墻腳、右墻腳、仰拱作為典型截面，提取計算中典型截面的彎矩、軸力，然后再依據(jù)公式計算安全系數(shù)(圖2)。

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力分析

從圖3、圖4可以看出: 既有電力電纜隧道在路面荷載的作用下，圍巖應(yīng)力主要集中在隧道左右邊墻處，其中最大主應(yīng)力值為1.17 MPa;隧道襯砌強度均滿足混凝土強度設(shè)計規(guī)范。二次襯砌最大應(yīng)力值隨水頭變化曲線見圖5。有水壓力時的最大應(yīng)力值相對于無水壓力的情況有大幅增加，且有水壓力時最大應(yīng)力值隨水頭的增加基本呈線性增長趨勢。

圖3 整體應(yīng)力云圖

圖4 襯砌應(yīng)力云圖

圖5 不同水頭下最大應(yīng)力值

3.2 位移分析

從圖6、圖7中可以看出:既有電力電纜隧道在路面荷載的作用下，圍巖位移主要集中在隧道左右邊墻處及拱頂與仰拱處，其中最大位移值為0.69 mm。二次襯砌最大位移值隨水頭變化曲線見圖8，其趨勢與最大應(yīng)力隨水頭增加的變化趨勢相似。

圖6 整體位移云圖

圖7 襯砌位移云圖

圖8 不同水頭下最大位移值

3.3 安全系數(shù)分析

表2為望紅線電力電纜隧道襯砌的安全系數(shù)，由表可知,(1)邊墻作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，其中邊墻在路面荷載作用下安全系數(shù)最小，數(shù)值為6.26;(2)望紅線電力電纜隧道襯砌的安全系數(shù)均遠大于《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》的限值2.4，說明望紅線電力電纜隧道的襯砌結(jié)構(gòu)在路面荷載作用下是安全的。

表2 襯砌安全系數(shù)分析

4 現(xiàn)場驗證

為進一步驗證望紅線電力電纜隧道運營安全，我們根據(jù)項目的實際情況，針對望紅線中SK1+043.70～SK1+040.26進行隧道襯砌滲漏水、襯砌混凝土強度及隧道內(nèi)離子濃度調(diào)查，檢測結(jié)果如下。

4.1 襯砌滲漏水檢測

依據(jù)望紅線隧道的滲漏水病害資料，對隧道的滲漏水病害現(xiàn)狀進行了檢測[10]；給出了隧道滲漏水病害調(diào)研所釆用的隧道滲漏水類型及滲漏水形態(tài)統(tǒng)計表。

表3 隧道滲漏水形態(tài)統(tǒng)計表/處

由表3可知，滲漏水病害中，發(fā)生涌流的概率很小，其它三種滲漏水形式基本病害出現(xiàn)狀況均等；邊墻處發(fā)生滲漏水病害的可能性最大，約為40%。由滲漏水檢測標(biāo)準(zhǔn)可知，望紅線隧道滲漏水情況屬于正常情況。

4.2 襯砌混凝土強度檢測

將回彈值無損檢測結(jié)果與電纜隧道襯砌混凝土腐蝕后抗壓強度試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析[11]，建立電纜隧道襯砌混凝土受腐蝕后的測強公式。為研究隧道襯砌混凝土受腐蝕后的強度變化以及現(xiàn)場無損檢測隧道襯砌混凝土的腐蝕程度提供理論依據(jù)和實際經(jīng)驗。

從表4中可以看出：多項式函數(shù)、線性函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)四種擬合方程的相關(guān)系數(shù)都比較大，而且平均相對誤差和相對標(biāo)準(zhǔn)差都復(fù)合回彈規(guī)程對誤差的規(guī)定，說明回歸方程有較好的相關(guān)性。從總體效果看，公式(1)回歸效果較好，公式(2)(3)(4)回歸效果次之。若考慮精度，建議選用公式(1)作為測強曲線；若考慮計算應(yīng)用簡便，建議選用公式(2)作為測強曲線。從而對混凝土的實際強度進行更準(zhǔn)確的推算，進而保障最終數(shù)據(jù)的可靠性。

圖9 回彈法測強公式回歸

表4 回彈值與強度的一元回歸結(jié)果

4.3 隧道內(nèi)離子濃度檢測

采用離子色譜儀對隧道中混凝土及水樣本中陰陽離子的含量進行測試,在檢測的過程中發(fā)現(xiàn)每個樣品中都含有NH4+和Ca2+，在標(biāo)準(zhǔn)樣品的譜圖中，4.867 min、9.120 min和11.403 min三處的信號峰分別為NH4+、Mg2+和Ca2+的峰位，由峰面積與陰離子的濃度一一對應(yīng)的關(guān)系，可以得知其它樣品中未知樣品NH4+、Mg2+和Ca2+的含量，如表5和表6所示。

望紅線混凝土構(gòu)件的鋼筋銹蝕、保護層脹裂，主要是因為混凝土中氯離子含量偏高造成的。抹灰砂漿中氯離子含量偏高，導(dǎo)致混凝土中的氯離子含量增大，不同部位混凝土中鋼筋保護層厚度的不同和抹灰砂漿厚度的不同是造成鋼筋銹蝕程度不同的主要原因；另外鋼筋的材質(zhì)不均勻，抵抗氯離子的侵蝕能力也不同，對鋼筋銹蝕程度不均勻也有影響。混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋界面處氯離子含量超過鋼筋腐蝕臨界值Ct，鋼筋失去鈍化保護，逐漸開始銹蝕，鑿出鋼筋發(fā)現(xiàn)已嚴(yán)重銹蝕。

綜上，通過對隧道襯砌滲漏水、襯砌混凝土強度及隧道內(nèi)離子濃度等檢測結(jié)果進行綜合評級，望紅線電力電纜隧道襯砌安全等級評定為安全，對設(shè)備的正常運行及工作人員安全保障不會造成影響。

表5 陰離子測試結(jié)果

表6 陽離子測試結(jié)果

5 結(jié)論

本文采用ABAQUS有限元軟件對望紅線電纜隧道進行了數(shù)值模擬，同時以隧道現(xiàn)場檢測結(jié)果作為驗證，綜合評估了望紅線隧道的安全性，研究結(jié)果表明:

(1)邊墻作為應(yīng)力集中的部位，是襯砌結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位，同時在現(xiàn)場檢測中邊墻發(fā)生滲漏水的概率也是最大的。

(2)隨水頭高度的增加，襯砌結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值與最大位移值呈線性增加。

(3)電纜隧道襯砌混凝土受腐蝕后的測強公式中，多項式的回歸效果最好，精度最高。

(4)望紅線混凝土構(gòu)件的鋼筋銹蝕、保護層脹裂，主要是因為混凝土中氯離子含量偏高造成的。

(5)望紅線電力電纜隧道襯砌結(jié)構(gòu)在目前運營狀態(tài)下是安全的，對設(shè)備的正常運行及工作人員安全保障不會造成影響。