核心提示 隨著城市電纜隧道建設(shè)和保有規(guī)模快速增長，電纜隧道建設(shè)和運(yùn)行過程中面臨的施工擾動(dòng)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(xué)研究院有限公司、國網(wǎng)浙江省電力有限公司聯(lián)合高校、科研單位組成攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，研發(fā)了電纜隧道施工擾動(dòng)防控成套技術(shù)，包括城市電纜頂管隧道施工擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)、電纜頂管隧道安全防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和擾動(dòng)防控措施。
風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)精準(zhǔn)預(yù)測電纜隧道施工擾動(dòng)
電纜隧道是用于電纜敷設(shè)的狹長形地下結(jié)構(gòu)體，空間大，散熱性好，運(yùn)維檢修方便，抵御自然災(zāi)害能力強(qiáng)，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(nèi)大城市的核心區(qū)已規(guī)劃建設(shè)了大量的電纜隧道。
電纜隧道施工方式有頂管施工和盾構(gòu)機(jī)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(yōu)點(diǎn)，特別適用于軟土地層，在軟土廣為分布的長三角、珠三角、環(huán)渤海等沿海地區(qū)廣泛應(yīng)用。
電纜頂管隧道一般建設(shè)在城市地下5～20米的土體中。隧道施工時(shí)，頂管機(jī)械沿著設(shè)計(jì)路徑將頂管管節(jié)一節(jié)一節(jié)從始發(fā)工作井頂入接收工作井內(nèi)，從而形成隧道主體結(jié)構(gòu)。因施工打破了土體原有的力學(xué)平衡狀態(tài)，會(huì)造成隧道周邊土體發(fā)生擾動(dòng)，產(chǎn)生位移和變形。土體的位移和變形又會(huì)使其中的建（構(gòu)）筑物或地下管線隨之發(fā)生位移和變形，一旦控制不當(dāng)，可能引發(fā)地面沉降、建（構(gòu)）筑物倒塌、管線破裂等嚴(yán)重事故。電纜隧道所在區(qū)域往往是城市核心區(qū)，建（構(gòu)）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(dòng)問題難以避免。這已成為影響城市電纜隧道建設(shè)安全、增加工程造價(jià)和施工工期的重要因素。
解決電纜隧道施工擾動(dòng)問題，首先要在施工前準(zhǔn)確預(yù)測和評估擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而在風(fēng)險(xiǎn)評估的基礎(chǔ)上，確定是否采取擾動(dòng)防治措施以及采取什么措施。目前普遍采用的方法是用計(jì)算機(jī)對擾動(dòng)大小進(jìn)行模擬計(jì)算并召開專家會(huì)，借助專家經(jīng)驗(yàn)判斷擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。但這種方法存在技術(shù)門檻高、效率低等問題，無法滿足一線設(shè)計(jì)和施工人員的需要。
基于上述問題，以中國電科院為主力的攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在借鑒市政、交通等其他行業(yè)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，考慮電纜頂管隧道的結(jié)構(gòu)和施工特點(diǎn)，深入研究電纜隧道施工擾動(dòng)影響規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范提出電纜頂管隧道施工引起地層和鄰近建（構(gòu)）筑物擾動(dòng)的評估模型。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)根據(jù)大量工程監(jiān)測數(shù)據(jù)反復(fù)修正模型，以保證評估結(jié)果的準(zhǔn)確性和對不同地層的適用性。該模型可計(jì)算得到地層和建（構(gòu)）筑物位移的大小，幫助一線設(shè)計(jì)和施工人員判斷施工擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。
同時(shí)，為了方便一線設(shè)計(jì)和施工人員使用，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在上述模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)電纜隧道施工擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員輸入地層、被穿越對象、電纜隧道的特征參數(shù)和設(shè)計(jì)施工參數(shù)，系統(tǒng)即可快速開展被穿越對象擾動(dòng)位移或應(yīng)力的自動(dòng)計(jì)算和安全性評估。該系統(tǒng)還可根據(jù)評估結(jié)果進(jìn)行反向分析，確定最優(yōu)頂管參數(shù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員開展工程選線和設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。目前，該系統(tǒng)已在浙江220千伏涌潮—花木電纜隧道、福建220千伏濱?？炀€福州火車站—東門站區(qū)間電纜遷改工程中試點(diǎn)應(yīng)用，指導(dǎo)工程建設(shè)。該系統(tǒng)經(jīng)過完善驗(yàn)證后，可廣泛應(yīng)用于電纜隧道工程建設(shè)，降低施工擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約成本，提高效率，縮短工期。
防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)讓防范電纜隧道外力破壞有據(jù)可依
在電纜隧道保有量快速增長的同時(shí)，城市其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在如火如荼開展。這導(dǎo)致在運(yùn)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(fēng)險(xiǎn)也越來越大，給隧道安全運(yùn)維帶來挑戰(zhàn)。由于缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，電纜隧道一線運(yùn)維人員在面臨相關(guān)問題時(shí)往往不能及時(shí)應(yīng)對，錯(cuò)過風(fēng)險(xiǎn)控制的最佳時(shí)期，另外在與相關(guān)單位溝通處理方案時(shí)也處于被動(dòng)地位。
為了改變上述情況，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)廣泛了解19家省級(jí)電力公司電纜隧道運(yùn)維管理單位的訴求和意見，分析大量擾動(dòng)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(dòng)問題，逐步掌握各類施工對既有電纜頂管隧道的擾動(dòng)影響規(guī)律。同時(shí)，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)在掌握不同地域電纜頂管隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了電纜頂管隧道的變形破壞模式。
攻關(guān)團(tuán)隊(duì)完成了不同施工擾動(dòng)下電纜頂管隧道安全保護(hù)范圍的研究，提出以隧道為中心，使隧道產(chǎn)生15毫米位移對應(yīng)的距離為安全保護(hù)紅線，使隧道產(chǎn)生5毫米位移對應(yīng)的距離為安全保護(hù)黃線。位于安全保護(hù)紅線以內(nèi)的區(qū)域?yàn)槲ｋU(xiǎn)區(qū)，安全保護(hù)紅線和黃線之間的區(qū)域?yàn)榫鋮^(qū)，安全保護(hù)黃線以外區(qū)域?yàn)榘踩珔^(qū)，并以此構(gòu)建起外部施工擾動(dòng)下電纜頂管隧道的安全保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
目前，該研究成果已應(yīng)用于杭州地鐵四號(hào)線下穿半山電纜隧道工程，取得了良好效果。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)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(yuǎn)小于隧道的安全變形限值。今年年初，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)基于研究成果申請立項(xiàng)了中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)團(tuán)體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《電力電纜隧道結(jié)構(gòu)保護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》，目前標(biāo)準(zhǔn)初稿編制完成，已進(jìn)入意見征集階段。該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，電纜隧道擾動(dòng)防控將有據(jù)可依，可提高電纜隧道的安全防護(hù)水平，提升運(yùn)維效率，助力城市電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。
內(nèi)外部防擾動(dòng)措施降低電纜隧道施工風(fēng)險(xiǎn)
風(fēng)險(xiǎn)評估技術(shù)有了，保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)建立了，還需要行之有效的擾動(dòng)防控措施，才能構(gòu)建起完善的電纜隧道施工擾動(dòng)防控成套技術(shù)，確保電纜隧道施工和運(yùn)行安全。
在電纜頂管隧道施工對外部擾動(dòng)方面，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)從控制頂管施工參數(shù)減小擾動(dòng)和增加外部措施控制擾動(dòng)傳播兩方面入手開展研究。
攻關(guān)團(tuán)隊(duì)一方面深入分析電纜頂管隧道施工流程，研究了頂管始發(fā)、頂進(jìn)和接收等施工步序的擾動(dòng)影響因子，提出相關(guān)施工參數(shù)的控制范圍，并結(jié)合電纜隧道穿越建（構(gòu)）筑物和地下管線的方式，建立電纜頂管隧道施工內(nèi)部控制參數(shù)的取值標(biāo)準(zhǔn)；另一方面，基于“位移阻斷”和“應(yīng)力阻斷”的擾動(dòng)防治思路，圍繞“注漿法”和“隔斷法”施工技術(shù)開展研究，通過在隧道和建（構(gòu)）筑物之間注入水泥漿液或打入地下連續(xù)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(gòu)）筑物和地下管線的擾動(dòng)影響。最終，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)提出適用于電纜頂管隧道施工時(shí)外部控制措施的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dòng)的外部控制技術(shù)。
在既有電纜頂管隧道擾動(dòng)防護(hù)方面，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)主要從增加外部措施控制擾動(dòng)傳播方面開展研究，圍繞“注漿法”和“隔斷法”施工技術(shù)，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(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍，形成了適用于電纜頂管隧道保護(hù)的外部控制技術(shù)。
電纜隧道施工擾動(dòng)防控成套技術(shù)可用于電纜隧道施工擾動(dòng)的預(yù)測及風(fēng)險(xiǎn)評估、電纜隧道的安全保護(hù)及擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)防治，提升城市電纜頂管隧道擾動(dòng)防控的合規(guī)性和安全管控水平，將在電纜隧道的建設(shè)和運(yùn)行中發(fā)揮重要作用。
（作者單位：中國電力科學(xué)研究院有限公司）
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