随着城市电缆隧道建设和保有规模快速增长,电缆隧道建设和运行过程中面临的施工扰动问题日益突出。为提升电缆隧道的安全管控水平,中国电力科学研究院有限公司、国网浙江省电力有限公司联合高校、科研单位组成攻关团队,研发了电缆隧道施工扰动防控成套技术,包括城市电缆顶管隧道施工扰动风险评估系统、电缆顶管隧道安全防护技术标准和扰动防控措施。
风险评估系统精准预测电缆隧道施工扰动
电缆隧道是用于电缆敷设的狭长形地下结构体,空间大,散热性好,运维检修方便,抵御自然灾害能力强,也不占用城市地面资源。近年来,北京、上海、西安、成都等许多国内大城市的核心区已规划建设了大量的电缆隧道。
电缆隧道施工方式有顶管施工和盾构机施工等。顶管施工具有不开挖地面、施工速度快、安全性高、无须降排水等优点,特别适用于软土地层,在软土广为分布的长三角、珠三角、环渤海等沿海地区广泛应用。
电缆顶管隧道一般建设在城市地下5～20米的土体中。隧道施工时,顶管机械沿着设计路径将顶管管节一节一节从始发工作井顶入接收工作井内,从而形成隧道主体结构。因施工打破了土体原有的力学平衡状态,会造成隧道周边土体发生扰动,产生位移和变形。土体的位移和变形又会使其中的建(构)筑物或地下管线随之发生位移和变形,一旦控制不当,可能引发地面沉降、建(构)筑物倒塌、管线破裂等严重事故。电缆隧道所在区域往往是城市核心区,建(构)筑物和地下管线密集,电缆隧道与其近距离穿越的概率很大,施工扰动问题难以避免。这已成为影响城市电缆隧道建设安全、增加工程造价和施工工期的重要因素。
基于上述问题,以中国电科院为主力的攻关团队在借鉴市政、交通等其他行业相关研究成果的基础上,考虑电缆顶管隧道的结构和施工特点,深入研究电缆隧道施工扰动影响规律,结合现有规程规范提出电缆顶管隧道施工引起地层和邻近建(构)筑物扰动的评估模型。攻关团队根据大量工程监测数据反复修正模型,以保证评估结果的准确性和对不同地层的适用性。该模型可计算得到地层和建(构)筑物位移的大小,帮助一线设计和施工人员判断施工扰动风险。
同时,为了方便一线设计和施工人员使用,攻关团队在上述模型基础上进一步研发电缆隧道施工扰动风险评估系统。设计人员输入地层、被穿越对象、电缆隧道的特征参数和设计施工参数,系统即可快速开展被穿越对象扰动位移或应力的自动计算和安全性评估。该系统还可根据评估结果进行反向分析,确定最优顶管参数,指导设计人员开展工程选线和设计参数优化。目前,该系统已在浙江220千伏涌潮—花木电缆隧道、福建220千伏滨海快线福州火车站—东门站区间电缆迁改工程中试点应用,指导工程建设。该系统经过完善验证后,可广泛应用于电缆隧道工程建设,降低施工扰动风险,节约成本,提高效率,缩短工期。
防护技术标准让防范电缆隧道外力破坏有据可依
在电缆隧道保有量快速增长的同时,城市其他基础设施建设也在如火如荼开展。这导致在运电缆隧道周边的其他工程施工越来越多、距离越来越近,电缆隧道面临的外力破坏风险也越来越大,给隧道安全运维带来挑战。由于缺乏技术标准指导,电缆隧道一线运维人员在面临相关问题时往往不能及时应对,错过风险控制的最佳时期,另外在与相关单位沟通处理方案时也处于被动地位。
为了改变上述情况,攻关团队广泛了解19家省级电力公司电缆隧道运维管理单位的诉求和意见,分析大量扰动事故案例,深入研究邻近堆载、基坑开挖、打桩和新建隧道等外部施工对既有电缆顶管隧道的扰动问题,逐步掌握各类施工对既有电缆顶管隧道的扰动影响规律。同时,攻关团队在掌握不同地域电缆顶管隧道结构设计特点的基础上,提出了电缆顶管隧道的变形破坏模式。
攻关团队完成了不同施工扰动下电缆顶管隧道安全保护范围的研究,提出以隧道为中心,使隧道产生15毫米位移对应的距离为安全保护红线,使隧道产生5毫米位移对应的距离为安全保护黄线。位于安全保护红线以内的区域为危险区,安全保护红线和黄线之间的区域为警戒区,安全保护黄线以外区域为安全区,并以此构建起外部施工扰动下电缆顶管隧道的安全保护标准。
目前,该研究成果已应用于杭州地铁四号线下穿半山电缆隧道工程,取得了良好效果。根据现场监测结果,半山电缆隧道被穿越段最终累积位移量不超过3毫米,远小于隧道的安全变形限值。今年年初,攻关团队基于研究成果申请立项了中国电机工程学会团体技术标准《电力电缆隧道结构保护技术导则》,目前标准初稿编制完成,已进入意见征集阶段。该标准发布后,电缆隧道扰动防控将有据可依,可提高电缆隧道的安全防护水平,提升运维效率,助力城市电网安全稳定运行。
内外部防扰动措施降低电缆隧道施工风险
风险评估技术有了,保护标准建立了,还需要行之有效的扰动防控措施,才能构建起完善的电缆隧道施工扰动防控成套技术,确保电缆隧道施工和运行安全。
在电缆顶管隧道施工对外部扰动方面,攻关团队从控制顶管施工参数减小扰动和增加外部措施控制扰动传播两方面入手开展研究。
攻关团队一方面深入分析电缆顶管隧道施工流程,研究了顶管始发、顶进和接收等施工步序的扰动影响因子,提出相关施工参数的控制范围,并结合电缆隧道穿越建(构)筑物和地下管线的方式,建立电缆顶管隧道施工内部控制参数的取值标准;另一方面,基于“位移阻断”和“应力阻断”的扰动防治思路,围绕“注浆法”和“隔断法”施工技术开展研究,通过在隧道和建(构)筑物之间注入水泥浆液或打入地下连续墙(排桩)的方法形成隔断屏障,从而降低隧道施工对邻近建(构)筑物和地下管线的扰动影响。最终,攻关团队提出适用于电缆顶管隧道施工时外部控制措施的关键设计参数,优化设计方法及施工工艺流程并明确适用条件,形成了适用于电缆隧道施工扰动的外部控制技术。
在既有电缆顶管隧道扰动防护方面,攻关团队主要从增加外部措施控制扰动传播方面开展研究,围绕“注浆法”和“隔断法”施工技术,提出了邻近堆载、基坑开挖、打桩和新建隧道等外部施工下外部控制措施关键设计参数的取值范围,形成了适用于电缆顶管隧道保护的外部控制技术。
电缆隧道施工扰动防控成套技术可用于电缆隧道施工扰动的预测及风险评估、电缆隧道的安全保护及扰动风险防治,提升城市电缆顶管隧道扰动防控的合规性和安全管控水平,将在电缆隧道的建设和运行中发挥重要作用。
