近接施工對城市電纜隧道的危害機理與保護建議

劉益平，趙 軒

(1. 中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102；2. 國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來，城市電纜隧道工程得以迅猛發展[1]。南京近年來城市電纜隧道工程的投資與建設正逐步加速，如220 kV 九龍—南站電纜隧道工程、220 kV寧海—莫愁電纜隧道工程、220 kV秋藤—山江電纜隧道工程等。

與城市地下鐵道等工程類似，城市電纜隧道屬城市生命線工程，安全等級高，對維持城市正常運轉具有重要意義。然而，由于城市空間的限制，工程建設中的近接(臨近或交叉)施工越來越多。譬如，緊鄰既有電纜隧道的基坑施工、樁基礎施工，以及市政管線、地鐵隧道交叉、平行或上、下穿越既有電纜隧道等，如圖1 所示。近接施工必將引起周邊地層的擾動，使既有電纜隧道產生附加內力和變形，嚴重時可能誘發結構開裂、滲漏水等病害，甚至破壞，影響電纜隧道的結構安全。進而可能影響電纜本體的安全，危害正常運營。

圖1 近接施工示意圖

城市電纜隧道路徑一般沿著城市道路，隨著城市規模的不斷擴容，沿線的工程建設頻繁、物業開發強度大，影響城市電纜隧道運營期安全的問題日益突出。例如，由于臨近深基坑施工，導致某電纜隧道變形縫兩側嚴重不均勻下沉，進而出現錯臺、滲漏水等病害現象。

1 城市電纜隧道結構特點與病害

1.1 城市電纜隧道結構特點

城市電纜隧道與其他行業的隧道相比有其自身的特點，主要體現在：①斷面形式以圓形或矩形為主，截面尺寸根據電纜回路數的不同差異較大；②結構形式多種多樣，有管片分塊拼裝式盾構隧道、整環拼裝式頂管隧道、明挖式現澆隧道等；③城市電纜隧道防水要求較高；④電纜隧道主要是供電纜鋪設使用，在滿足防水要求的前提下，容許更大的曲率半徑。

城市電纜隧道綿延于地表之下，其斷面規模相對于線路長度而言顯得微不足道，在地層中呈線狀分布。其結構一般由區間結構與井體結構(工作井、檢修井、通風井等)兩部分組成。目前，城市電纜工程電壓等級以220 kV 及以下為主，與公路隧道、地鐵隧道等地下結構相比，其區間結構斷面與井體結構平面尺寸一般較小，屬典型的柔性結構，且埋藏深度相對較淺，在基坑開挖、隧道掘進、工程降水等外部作用下，更易遭到變形破壞。

1.2 城市電纜隧道結構病害

根據江蘇南京等地區既有電纜隧道病害調查結果，病害主要由于施工質量、不均勻沉降、地層損失等導致。具體可以分為結構開裂損傷、縫隙開張或錯位、滲漏水、材料劣化四大類型，如圖2 所示。其中，縫隙包括變形縫、管節接頭、管片接縫等。不均勻沉降、地層損失等可能導致結構開裂病害；澆筑質量、結構裂縫、縫隙開張或錯位可能導致滲漏水病害；腐蝕環境、滲漏水可能導致材料劣化病害。

圖2 隧道結構病害類型

2 近接施工對城市電纜隧道的危害機理

2.1 近接施工類型

在既有城市電纜隧道周邊進行的施工作業，稱為近接施工。從空間關系分類，可分為臨近施工或交叉施工兩大類。按施工內容分類，有基坑開挖、隧道掘進、工程降水、工程沉樁、高壓注漿、地表堆土和施工振動等，其中：基坑開挖、隧道掘進和工程降水這三類在城市工程建設中最常遇到，如圖3 所示。

圖3 常見近接施工類型

另外，除外部因素外，城市電纜隧道運營期間，自身缺陷(如施工澆筑質量、地基處理質量等)導致的滲漏水，也可能引起工程地質、水文地質環境發生變化，導致流土、固結沉降等問題，影響電纜隧道結構安全。

2.2 基坑開挖危害機理

基坑開挖過程是基坑開挖面上卸荷的過程，由于卸荷而引起坑底土體產生以向上為主的位移，同時也引起圍護結構在巖土壓力作用下產生水平向位移，從而導致周圍地層產生變位。基坑開挖的影響范圍，可以利用圖4[2]確定沉降的影響范圍、最大沉降的位置及沉降曲線分布。

圖4 基坑開挖危害機理

從圖4 可以看出，最大沉降δvm位于圍護結構后0.5H處；圍護結構后2H范圍內的沉降較大，稱為主影響區域；圍護結構后2H～4H范圍內的沉降較小，稱為次影響區域；在4H處沉降一般衰減至零。

2.3 隧道掘進危害機理

對于頂管、盾構而言，其掘進過程引起地層損失，使隧道周圍的土體彌補這一損失，從而導致周圍地層產生變位。地層損失是指隧道施工中實際的開挖土體體積與竣工管道體積之差。

工程界通常采用Peck 公式[3]估算地表沉降。Peck 公式認為地表沉降槽的體積應等于地層損失的體積，基于大量隧道工程地表沉降實測資料，提出地表沉降槽曲線呈正態曲線分布，如圖5所示。

圖5 隧道掘進危害機理

半幅沉降槽寬度估算公式如下：

地表沉降量估算公式如下：

式(1)～(3)中：W為半幅沉降槽的寬度，m；i為沉降槽寬度系數，m；Z為隧道中心的埋深，m；φ為地層的內摩擦角，(°)；V為地層損失量，m3/m；Smax為隧道中心處最大沉降量，m；Sx為距中心點O 為x處地面的沉降量，m。其中，地層損失量V等于單位長度的沉降槽體積，與施工機械、施工方法、地層條件、地面環境、施工管理等因素有關，通常按經驗取值。

2.4 工程降水危害機理

大面積工程降水首先會誘發地層產生附加應力，增加既有城市電纜隧道結構的外壁壓力，從而誘發結構發生新的變形；其次，降水會導致地層沉降，進而誘發隧道結構發生豎向位移，尤其是軟土層水位下降誘發的沉降較大；在深厚砂層及巖溶土洞地區降水可能會誘發土體失穩和涌水涌砂等情況，從而對隧道的穩定性造成不利影響甚至導致變形損壞等。工程降水環境影響的預估包括影響范圍和地面沉降這兩個方面，工程降水危害機理如圖6 所示。

圖6 工程降水危害機理

降水對環境的影響范圍用降水影響半徑R表示。對于重要工程，降水影響半徑R應通過抽水試驗等水文地質試驗確定；其他工程可以按經驗公式[2]確定：

對于潛水含水層：

對于承壓含水層：

式(4)～(5)中：R為降水影響半徑，m；S為水位降深，m；k為含水層滲透系數，m/d；H為含水層厚度，m。

可以看出，城市建設中最常遇到的基坑開挖、隧道掘進和工程降水等工程的影響范圍通常較大。

3 管控現狀分析

3.1 現行法律法規

《中華人民共和國電力法》(2018 年12 月29 日修訂)第五十四條規定：“任何單位和個人需要在依法劃定的電力設施保護區內進行可能危及電力設施安全的作業時，應當經電力管理部門批準并采取安全措施后，方可進行作業。”

《電力設施保護條例》(2019 年12 月16 日征求意見稿)第十一條明確了電力線路保護區的具體范圍：“對于架空電力線路，保護區為導線邊線向外側延伸垂直地面所形成的兩平行面內的區域。在一般地區各級電壓導線的邊線延伸距離如下：154 ～330 kV 為15 m，400 ～500 kV 為 20 m；對于電力電纜線路，保護區為地下電纜通道兩側各0.75 m 所形成的兩平行線內的區域。海底電纜一般為線路兩側各2 海里(港內為兩側各100 m)，江河電纜一般不小于線路兩側各100 m(中、小河流一般不小于各50 m)所形成的兩平行線內的水域。”

《江蘇省電力保護條例》(2020 年5 月1 日起施行)第三十六條規定：“在電力線路保護區內進行打樁、鉆探、開挖等可能危及電力線路設施安全的作業，或者起重、升降機械進入架空電力線路保護區內作業，或者在電力設施周圍五百米水平距離范圍內進行爆破作業的，應當經設區的市、縣(市、區)電力行政管理部門批準，并采取安全措施后方可進行。”

從上述電力相關的法律、條例可以看出，當前對架空電力線路保護區的規定已比較明確；但因城市工程建設中基坑開挖、隧道掘進、工程降水等的影響范圍通常較大，相關的法律、條例對城市電纜隧道保護區的規定，偏于寬松。以《南京市軌道交通條例》(2014 年7 月1 日起施行)為例，規定地下車站和隧道的控制保護區范圍為結構外邊線外側50 m 內。

3.2 規程規范現狀分析

城市電纜隧道遇到近接施工時，為準確評估施工擾動對其安全性的影響，合理地確定電纜隧道安全結構控制指標十分重要。結構安全控制指標是根據保護對象的安全現狀及其保護要求，針對外部施工作業的特點，為安全保護結構而選用的控制指標，包括位移、變形、附加荷載等。除軌道交通行業外，部分行業的規程規范已制定了相應的結構安全控制指標，如表1[4]所示。

表1 結構安全控制指標數值mm

目前，電力行業的規程規范尚無相關的規定。城市電纜隧道涉及多種結構形式，包括盾構隧道、頂管隧道、明挖現澆隧道等，且斷面規模一般較小，直接參照其他行業的結構安全控制指標，未必科學合理。

4 保護建議

鑒于既有城市電纜隧道保護的上述現狀與問題，建議從以下幾個方面加以改進與完善：首先建立基礎信息數據庫，健全基礎資料，同時進行科技攻關，研究適用于城市電纜隧道的結構安全控制指標；在此基礎上，深化近接施工的安全評估工作，加強施工過程中的實時監測工作；另外，研發原位高效的加固與治理技術，解決因近接施工導致的病害。

4.1 建立基礎信息數據庫

既有城市電纜隧道遇到近接施工作業時，隧道全面、完整的基礎信息數據，是開展準確、可靠的施工作業影響評估的基礎。基礎信息數據通常包括地質信息、設計信息、運維信息等方面。其中，地質信息包括沿線工程地質條件、水文地質條件等，設計信息包括隧道三維空間坐標、斷面尺寸、結構形式、施工工法等，運維信息包括投運時間、既有變形及病害發育情況等。目前，投運已久的城市電纜隧道的基礎信息往往缺失或不全面，新近建設的城市電纜隧道的基礎信息相對較為完善，但均未建立信息化的基礎信息庫，無法快速查閱全面、完整的相關信息。因此，需建立信息化的基礎信息庫(系統)，將既有城市電纜隧道的基礎信息入庫(系統)統一管理。

4.2 推進科技攻關

城市電纜隧道涉及多種結構形式，包括盾構隧道、頂管隧道、明挖現澆隧道等，且斷面規模一般較小。不同工程地質條件下，各種結構形式對近接施工擾動的反應不同，現有的針對公路隧道、地鐵隧道等在近接施工擾動情況下的安全評估和控制技術，還不能直接移植到城市電纜隧道上來，需要結合城市電纜隧道的自身特點，開展一系列的專題研究和科技攻關。分析各種結構形式在運營期近接施工擾動情況下的結構特性，研究可能的結構反應，細化結構風險源(如沉降附加應力、管片張開角等)，分析可能的結構損傷工況，進而制定適用于城市電纜隧道的結構安全控制指標，明確城市電纜隧道的安全保護范圍(區)，完善電網運維方面的行業規程規范。

4.3 完善安全評估環節

安全評估是指針對外部施工作業的設計方案、隧道結構的保護方案等，通過建模、計算、分析，評估施工作業對既有城市電纜隧道結構安全影響等方面的工作。目前，既有城市電纜隧道遇到近接施工作業時，運維部門組織實施的安全評估環節，通常僅針對保護施工方案進行評審，以定性評估為主，且各施工單位編制的保護施工方案水平參差不齊，難以有效保證評估結果的嚴謹性與可靠性。完善的安全評估應包括兩大環節：對近接施工保護的設計方案進行計算分析，定量地評估近接施工對既有城市電纜隧道的影響程度；在保護設計方案符合要求的前提下，再組織對保護施工方案、專項監測方案的評審。

4.4 加強實時監測

既有城市電纜隧道遇到近接施工作業時，需對隧道結構的變形、沉降等進行專項監測。而城市電纜隧道埋設于地層中，監測人員、設備只能通過檢修口進出，且一般不允許非運維專業人員進入，監測頻次無法保證，進而無法保證隧道結構的安全。因此，建議采用自動化的監測手段，避免高頻次的人員出入，且能夠實施、動態地采集、傳送監測數據，以便及時地分析和反饋隧道結構的安全狀態，達到信息化安全保護的目的。

4.5 研發原位加固與治理技術

近接施工作業中往往存在諸多不可控因素，施工作業可能會導致城市電纜隧道結構出現較大的變形或沉降，影響結構安全或出現滲漏水。而通過地面大開挖暴露出隧道結構再進行加固的方法，實施難度往往較大，工期長、環境影響大、費用高。因此，針對城市電纜隧道結構的特點，研發針對性的原位高效糾偏加固技術及防水堵漏技術，十分必要，最大程度地降低城市安全供電的影響。

4.6 完善保護管理細則(辦法)

國家與地方的電力保護法律法規、條例，未明確城市電纜隧道保護的細節內容。作為電力設施的歸口管理部門，可配套制定詳細的、可執行性更強的保護管理細則(辦法)，明確本地區城市電纜隧道的安全保護范圍(區)與結構安全控制指標，規定安全評估工作的工作流程與管控重點等內容，把安全保護工作落在實處，避免因近接施工作業導致的安全事故。

5 結論

本文針對城市電纜隧道保護問題，研究了隧道結構病害類型及近接施工對電纜隧道的危害與作用機理，分析了城市電纜隧道保護管控工作現狀，提出了保護建議，取得的主要結論如下：

1)電纜隧道結構病害分為結構開裂損傷、縫隙開張或錯位、滲漏水和材料劣化這四大類型；

2)基坑開挖、隧道掘進和工程降水這三類現象是城市電纜隧道最常遇到的近接施工類型，且影響范圍通常較大；

3)法律法規方面，城市電纜隧道的保護規定偏于寬松；規程規范方面，尚無適用于電纜隧道的結構安全控制指標；

4)電纜隧道保護是系統工程，建議從基礎信息數據庫、科技攻關、安全評估、實時監測、加固與治理技術以及保護管理細則等多個方面系統地加以改進與完善。