隨著城市電纜隧道建設和保有規?？焖僭鲩L,電纜隧道建設和運行過程中面臨的施工擾動問題日益突出。為提升電纜隧道的安全管控水平,中國電力科學研究院有限公司、國網浙江省電力有限公司聯合高校、科研單位組成攻關團隊,研發了電纜隧道施工擾動防控成套技術,包括城市電纜頂管隧道施工擾動風險評估系統、電纜頂管隧道安全防護技術標準和擾動防控措施。

風險評估系統精準預測電纜隧道施工擾動

電纜隧道是用于電纜敷設的狹長形地下結構體,空間大,散熱性好,運維檢修方便,抵御自然災害能力強,也不占用城市地面資源。近年來,北京、上海、西安、成都等許多國內大城市的核心區已規劃建設了大量的電纜隧道。

電纜隧道施工方式有頂管施工和盾構機施工等。頂管施工具有不開挖地面、施工速度快、安全性高、無須降排水等優點,特別適用于軟土地層,在軟土廣為分布的長三角、珠三角、環渤海等沿海地區廣泛應用。

電纜頂管隧道一般建設在城市地下5～20米的土體中。隧道施工時,頂管機械沿著設計路徑將頂管管節一節一節從始發工作井頂入接收工作井內,從而形成隧道主體結構。因施工打破了土體原有的力學平衡狀態,會造成隧道周邊土體發生擾動,產生位移和變形。土體的位移和變形又會使其中的建(構)筑物或地下管線隨之發生位移和變形,一旦控制不當,可能引發地面沉降、建(構)筑物倒塌、管線破裂等嚴重事故。電纜隧道所在區域往往是城市核心區,建(構)筑物和地下管線密集,電纜隧道與其近距離穿越的概率很大,施工擾動問題難以避免。這已成為影響城市電纜隧道建設安全、增加工程造價和施工工期的重要因素。

基于上述問題,以中國電科院為主力的攻關團隊在借鑒市政、交通等其他行業相關研究成果的基礎上,考慮電纜頂管隧道的結構和施工特點,深入研究電纜隧道施工擾動影響規律,結合現有規程規范提出電纜頂管隧道施工引起地層和鄰近建(構)筑物擾動的評估模型。攻關團隊根據大量工程監測數據反復修正模型,以保證評估結果的準確性和對不同地層的適用性。該模型可計算得到地層和建(構)筑物位移的大小,幫助一線設計和施工人員判斷施工擾動風險。

同時,為了方便一線設計和施工人員使用,攻關團隊在上述模型基礎上進一步研發電纜隧道施工擾動風險評估系統。設計人員輸入地層、被穿越對象、電纜隧道的特征參數和設計施工參數,系統即可快速開展被穿越對象擾動位移或應力的自動計算和安全性評估。該系統還可根據評估結果進行反向分析,確定最優頂管參數,指導設計人員開展工程選線和設計參數優化。目前,該系統已在浙江220千伏涌潮—花木電纜隧道、福建220千伏濱海快線福州火車站—東門站區間電纜遷改工程中試點應用,指導工程建設。該系統經過完善驗證后,可廣泛應用于電纜隧道工程建設,降低施工擾動風險,節約成本,提高效率,縮短工期。

防護技術標準讓防范電纜隧道外力破壞有據可依

在電纜隧道保有量快速增長的同時,城市其他基礎設施建設也在如火如荼開展。這導致在運電纜隧道周邊的其他工程施工越來越多、距離越來越近,電纜隧道面臨的外力破壞風險也越來越大,給隧道安全運維帶來挑戰。由于缺乏技術標準指導,電纜隧道一線運維人員在面臨相關問題時往往不能及時應對,錯過風險控制的最佳時期,另外在與相關單位溝通處理方案時也處于被動地位。

為了改變上述情況,攻關團隊廣泛了解19家省級電力公司電纜隧道運維管理單位的訴求和意見,分析大量擾動事故案例,深入研究鄰近堆載、基坑開挖、打樁和新建隧道等外部施工對既有電纜頂管隧道的擾動問題,逐步掌握各類施工對既有電纜頂管隧道的擾動影響規律。同時,攻關團隊在掌握不同地域電纜頂管隧道結構設計特點的基礎上,提出了電纜頂管隧道的變形破壞模式。

攻關團隊完成了不同施工擾動下電纜頂管隧道安全保護范圍的研究,提出以隧道為中心,使隧道產生15毫米位移對應的距離為安全保護紅線,使隧道產生5毫米位移對應的距離為安全保護黃線。位于安全保護紅線以內的區域為危險區,安全保護紅線和黃線之間的區域為警戒區,安全保護黃線以外區域為安全區,并以此構建起外部施工擾動下電纜頂管隧道的安全保護標準。

目前,該研究成果已應用于杭州地鐵四號線下穿半山電纜隧道工程,取得了良好效果。根據現場監測結果,半山電纜隧道被穿越段最終累積位移量不超過3毫米,遠小于隧道的安全變形限值。今年年初,攻關團隊基于研究成果申請立項了中國電機工程學會團體技術標準《電力電纜隧道結構保護技術導則》,目前標準初稿編制完成,已進入意見征集階段。該標準發布后,電纜隧道擾動防控將有據可依,可提高電纜隧道的安全防護水平,提升運維效率,助力城市電網安全穩定運行。

內外部防擾動措施降低電纜隧道施工風險

風險評估技術有了,保護標準建立了,還需要行之有效的擾動防控措施,才能構建起完善的電纜隧道施工擾動防控成套技術,確保電纜隧道施工和運行安全。

在電纜頂管隧道施工對外部擾動方面,攻關團隊從控制頂管施工參數減小擾動和增加外部措施控制擾動傳播兩方面入手開展研究。

攻關團隊一方面深入分析電纜頂管隧道施工流程,研究了頂管始發、頂進和接收等施工步序的擾動影響因子,提出相關施工參數的控制范圍,并結合電纜隧道穿越建(構)筑物和地下管線的方式,建立電纜頂管隧道施工內部控制參數的取值標準;另一方面,基于“位移阻斷”和“應力阻斷”的擾動防治思路,圍繞“注漿法”和“隔斷法”施工技術開展研究,通過在隧道和建(構)筑物之間注入水泥漿液或打入地下連續墻(排樁)的方法形成隔斷屏障,從而降低隧道施工對鄰近建(構)筑物和地下管線的擾動影響。最終,攻關團隊提出適用于電纜頂管隧道施工時外部控制措施的關鍵設計參數,優化設計方法及施工工藝流程并明確適用條件,形成了適用于電纜隧道施工擾動的外部控制技術。

在既有電纜頂管隧道擾動防護方面,攻關團隊主要從增加外部措施控制擾動傳播方面開展研究,圍繞“注漿法”和“隔斷法”施工技術,提出了鄰近堆載、基坑開挖、打樁和新建隧道等外部施工下外部控制措施關鍵設計參數的取值范圍,形成了適用于電纜頂管隧道保護的外部控制技術。

電纜隧道施工擾動防控成套技術可用于電纜隧道施工擾動的預測及風險評估、電纜隧道的安全保護及擾動風險防治,提升城市電纜頂管隧道擾動防控的合規性和安全管控水平,將在電纜隧道的建設和運行中發揮重要作用。