电力隧道实时健康监测系统设计与实测分析

冯雷

(上海沪申高速公路建设发展有限公司，上海市 200335)

电力隧道实时健康监测系统设计与实测分析

冯雷

(上海沪申高速公路建设发展有限公司，上海市 200335)

电力隧道一般修建于城市的主干道及中心区，周边开发强度大，电力隧道在运营期容易受到近距离施工扰动影响，产生沉降与裂缝，严重危害到电力隧道的运营安全。通过对上海市已建的17条电力隧道进行现场调查，对电力隧道病害的现状及原因进行统计分析，提出将隧道纵向不均匀沉降、接头张开量以及结构裂缝变化量作为电力隧道运营期的监测目标。针对上海电力隧道现有的三种不同结构类型（盾构，顶管，明挖）和电力设施安全运行要求，设计了电力隧道实时健康监测系统，实现了监测数据自动采集和数据管理。在杨高中路电力隧道进行了系统的安装并实施了长期监测，并对现场实测数据进行分析。结果表明，设计的监测系统运行良好，监测数据灵敏可靠，能够帮助管理人员对周边施工做出及时反应，可以实时准确的评估结构安全状态。

电力隧道；健康监测；系统设计；实测分析

0 引言

随着上海城市建设的不断发展，对电力的需求持续上升，大量的电力隧道应运而生，如2010年建成的世博电力隧道，从浦东新区500 kV三林变电站到静安区500 kV世博变电站，隧道全长达到了15.25 km，最大隧道外径为6.2 m。规划中上海还将建设200多公里的电力隧道。

与此同时我们应该清楚的认识到电力隧道位于城市繁华主干道，周边各种建设活动（深基坑开挖、新建隧道交叉穿越）频繁，同时随着隧道服役年限的增加，如不能对电力隧道进行针对性的保护，将会给城市用电安全带来严重的威胁，容易造成恶劣的社会影响。

当前，针对地铁隧道和公路隧道建设和运营期的健康监测系统在国内外已有很多研究和应用[1-3]，而对于电力隧道系统则多是针对电力电缆本体以及附属电力设施的保护研究[4、5]，专门针对各类电力隧道结构安全运行监控方面的研究工作还相对滞后，缺乏可靠的保护指标与有效的监控手段，因此对电力隧道的监测保护标准进行专门研究，在此基础上建立电力隧道结构安全运行监测系统具有重要的社会与经济意义。

1 电力隧道结构特征及常见病害

1.1 电力隧道结构特征

电力隧道与地铁隧道和公路隧道不同，内部运行的电力电缆及其附属电力设施对水非常敏感。在上海电力隧道的实际运营中，出现过隧道内附属电力设备被水淹没损坏的事故，严重影响了城市电网的安全运营，因此，电力隧道结构防水要求高。

电力隧道内部的高压电缆通常采用内部充油的方式来保证电缆绝缘，若隧道高差过大，或曲率半径过小，会导致油压过大，电缆保护层爆裂，因此，电力隧道的高差及曲率半径控制更加严格。

电力隧道距离一般较短，但结构形式多样。上海市现有的电力隧道，按结构施工方法分为明挖法、顶管法、盾构法3种，按截面形式分为矩形和圆形隧道2种。多样的结构形式给制定统一的电力隧道监测保护标准带来困难。

电力隧道的建设环境一般位于城市的主干道及中心区，周边地块开发强度大，电力隧道在运营期易受到近距离施工扰动。电力隧道周边较常见的近距离施工包括基坑开挖工程、近距离穿越工程、上方打桩工程、上方大面积堆载等。因此，减少和控制周边环境变化及近距离施工对已建电力隧道结构的影响，是保障电力隧道安全的重点。

1.2 电力隧道主要病害形式

电力隧道内部渗漏水和积水，是上海电力隧道运营期最常见的病害形式。各种结构类型的电力隧道，其渗漏水和积水位置不尽相同。

常见的渗漏水位置有：（1）工作井或检修井；（2）工作井与区间隧道接头；（3）混凝土接缝、管片或管段接头；（4）混凝土、管片或管段裂缝；（5）注浆孔；（6）螺栓孔。

常见的积水位置有：（1）工作井或检修井、接头区；（2）工作井与区间隧道接头附近；（3）区间隧道。典型电力隧道内部渗漏水和积水情况如图1所示。

图1 电力隧道内部渗漏水和积水情况

同时，由于隧道内部出现渗漏水和积水情况，很容易使隧道衬砌外的腐蚀性物质如氯离子、硫酸盐从渗漏水位置流入，从而导致隧道衬砌材料产生劣化。隧道结构若经常处于潮湿、渗漏水、积水状态，也必然会导致电力隧道内的附属钢构件锈蚀、电缆侵蚀现象，给电力隧道的维护管理带来困难，也给电力隧道正常运营埋下了极大的隐患。电力隧道内部腐蚀情况如图2所示。

图 2电力隧道内部腐蚀情况

对上海电网17条电力隧道内部的渗漏水、积水、结构腐蚀以及附属设施腐蚀等病害现象进行统计，17条隧道中有15条隧道存在渗漏水、积水现象，其比例达到了88.2%；有11隧道出现隧道结构及附属构件、设备的腐蚀现象，其比例达到了64.7%。电力隧道内部病害详细统计结果见表1。

表1 上海电网电力隧道病害统计

2 电力隧道实时健康监测系统总体方案

2.1 监测系统组成

结合当前上海电力隧道调研和统计以及其他运营资料分析，配合电力隧道日常管理要求，提出隧道纵向不均匀沉降、接头张开量以及混凝土裂缝变化量为上海电力隧道结构运营安全管理的主要监测指标。

电力隧道实时健康监测系统包括硬件系统、软件系统和运营管理等三个部分，整体构成框架如图3所示。自动实时健康监测系统主要由以下6个子系统组成：

（1）不均匀沉降监测系统（由静力水准仪组成）；

（2）管片接头张开量监测系统（由裂缝计组成）；

（3）结构裂缝监测系统（由裂缝计组成）；

（4）自动化数据采集系统（由数据采集仪组成）；

（5）无线通信系统（由无线通信模块组成）；

（6）远程控制、监测信息及数据管理、数据图形分析系统（由相关软件组成）。

图3 实时健康监测系统总体构成框架

2.2 监测内容与仪器布置

电力隧道实时健康监测的监测内容包括：不均匀沉降、接头张开量、结构裂缝监测。根据盾构、顶管、明挖三种不同施工方法电力隧道的结构形式特点分别设置监测点，监测结构的沉降和变形，确保隧道健康运营。

纵向不均匀沉降是是判断电力隧道结构和周围地层稳定性的重要指标，其监测结果能反映电力隧道在运营过程中产生的累积不均匀沉降，因此，不均匀沉降监测是电力隧道健康监测的一项重要内容。由于管段接头刚度远小于结构本身的刚度，周边地层发生不均匀沉降时，接头的错位变形会远大于隧道管段的变形，因此，盾构法和顶管法电力隧道不均匀沉降的监测点主要布置在电力隧道结构接头附近。而明挖法电力隧道的不均匀沉降的监测点则布置在结构沉降缝附近。所有纵向不均匀沉降监测点均布置于隧道同一侧，监测点间距为25 m，高程相差较大处设置转点。

盾构法和顶管法电力隧道管段接头是隧道结构的薄弱环节，是电力隧道内部渗漏水的高发部位，接头张开量变化是反映接头寿命和电力隧道结构防水性能的重要指标。对接头张开量进行实时监测才能把握当前管片接头是否存在安全隐患，提前对接头防水安全进行预警，及时采取处理措施，防止引发大型灾害事故。电力隧道接头水平张开量监测，监测点布置于管片接头处，每个断面在隧道拱顶及两侧设置监测点，全面监测结构接头张开量变化情况。监测断面间距为25 m。

相比预制管段，明挖法电力隧道的现浇结构现场施工质量相对较差，因此，除了结构沉降缝位置需监测张开量变化外，结构本身产生的裂缝易成为渗水路径，进而影响结构安全，也需布置监测点，严密监测。监测断面根据现场人工调查确定，每个断面在隧道顶部及两侧布置监测点。

电力隧道监测断面仪器布置如图4和图5所示。

图4 盾构法和顶管法电力隧道监测断面布置，图中A、B、C为裂缝计；F为静力水准仪

图5 明挖法电力隧道监测断面布置，图中A、B、C为裂缝计；F为静力水准仪

3 电力隧道实时健康监测仪器设备

3.1 纵向不均匀沉降监测

电力隧道纵向不均匀沉降采用静力水准仪进行监测，根据连通器原理，参照点容器安装在一个稳定的位置，其它测点容器位于同参照点容器大致相同标高的不同位置，任何一个测点容器与参照容器间的高程变化都将引起相应容器内的液面变化，从而获取测点相对于参照点高程的变化，最小可监测到0.03 mm的高程变化。本系统采用的静力水准仪如图6（a）所示。

3.2 接头张开量和裂缝监测

电力隧道管片接头张开量和结构裂缝变化量采用振弦式表面裂缝计进行监测。振弦式表面裂缝计适合安装在结构物表面，可在恶劣环境下长期监测结构裂缝和接缝的开合度。两端的球形万向节允许一定程度的剪切位移，最低可监测到0.05 mm的开合变化。本系统采用的裂缝计如图6（b）所示。

图6 电力隧道健康监测仪器

3.3 数据采集单元

电力隧道现场仪器的监测数据，采用分布式网络测量单元进行采集，测量单元内置混合式智能测量模块，可测量振弦式、差阻式、标准信号、电位计、电阻应变片等各种类型的传感器。模块本身具有8个测量通道，每个通道均可接入一支完整的传感器，通过通道扩展模块，最多可实现40个通道的测量。各通道均装有防雷器件，可有效消除或减少因雷击对设备造成的损坏。测量单元如图7所示。

图7 分布式网络测量单元

3.4 无线通信模块

电力隧道监测位置分布在城市不同区域，距离控制中心较远，监测仪器采集的数据通过无线方式实时传输回电力隧道运营控制中心。监测现场的设备通讯接口端安装一台无线通信模块，现场的多个设备时可使用有线连接。用户监控主机只需通过INTERNET网络与中心端连接，即可获得监测现场设备采集的实时数据，并可以对现场仪器状态进行查询，设置，重启等操作。无线通信方式如图8所示。

图8 无线通信示意图

4 电力隧道实时健康系统实测分析

4.1 工程背景

杨高中路电力隧道工程是为了解决浦东地区架空高压线入地的一项景观工程，全长3 180 m，共设10座工井，于2006年投入运营。隧道采用Φ3000非开挖顶管技术建造，管材为Φ3000钢承口式钢筋混凝土管，隧道内每15节管节设置一条变形缝，每管节接缝均采用封闭钢环焊接。

在隧道巡检人员的巡查过程中，发现9#工作井～10#工作井区间出现明显塌陷，素混凝土垫层与管节结构变形脱开，产生较多细小裂缝，并伴有渗漏现象，需要进行注浆加固处理。为了保证电力电缆设施的安全运行，需要在隧道注浆加固过程中严格监控隧道变形状态，因此，在现场详细勘察基础上，安装了电力隧道实时健康监测系统。

4.2 测点布置

整个监测系统位于9#工作井与10#工作井之间，在加固范围内及沉降影响较大区域，设置了S0～S12共13个不均匀沉降监测点；同时在S1、S3、S5、S7、S10断面的两侧壁及拱顶，进行接头张开量监测，共设置15个接头张开量测量点，如图9所示。

图9 9#—10#监测断面布置图

4.3 实测数据分析

本次监测周期共计177 d。断面1、断面10的不均匀沉降监测数据和接头张开量监测数据如图10～图13所示。

图10 断面1沉降变化曲线

图11 断面1接头张开量变化曲线

图12 断面10沉降变化曲线

图13 断面10接头张开量变化曲线

通过对每次注浆加固施工进行跟踪监测，可以明显看出，注浆会引起隧道的显著抬升，抬升量约为1 mm～2 mm,然后由于注浆压力消散，会出现一个较长的下降段。注浆引起沉降突变的同时，隧道接缝张开量亦会相应发生明显变化。

监测数据显示，在监测第127 d前后，电力隧道各监测断面发生异常沉降变化，其中靠近S1断面沉降变化较小，为1.486 mm；靠近S10断面沉降变化较大，最大差值为49.675 mm，相应S10断面两侧壁的接头张开量也发生明显的变化，最大值0.691 mm。紧急进行现场查勘发现，9#-10#电力隧道上方，靠近S10断面附近，高压走廊景观改造项目进行了土方开挖，其最大开挖土方高度约3.5 m，并有重型土方车碾压，造成了电力隧道结构的突沉与抬升。经联系施工方停止施工后，各断面不均匀沉降和接头张开量都恢复稳定。

5 结论

电力隧道结构健康监测工作具有重要的意义，本研究设计开发了电力隧道实时健康监测系统，实现了现场数据自动采集传输与管理。在杨高中路电力隧道加固施工过程中，进行了系统的安装并实施了长期监测，并对现场实测数据进行了分析。结果表明，监测系统采用的硬件和开发的软件运行良好，监测数据灵敏可靠，可以实时准确的评估结构安全状态。主要结论如下：

（1）调查了上海市已建的17条电力隧道，隧道渗漏水和内部结构腐蚀是电力隧道主要病害，提出隧道纵向不均匀沉降、接头张开量以及混凝土裂缝变化量为上海电力隧道结构运营安全管理的主要监测指标。

（2）基于现场调研和统计分析，参考相关标准，选用静力水准仪和振弦式表面裂缝计监测电力隧道结构变形。在隧道管段接头附近布设监测断面，每个断面布置一台静力水准仪和三台裂缝计，可实时掌握隧道结构的微小变形情况。

（3）分析了杨高中路电力隧道9#～10#监测时期内的隧道不均匀沉降和接头张开量变化数据。实测数据很好的反应了结构变形情况，帮助管理人员对周边施工及时反应，避免破坏性施工发生，充分证明了系统的灵敏度和可靠性，完全能够满足电力隧道结构健康监测的要求，为电力隧道安全运营和管理提供依据。

[1]金淼,赵永辉,吴健生,谢雄耀.隧道三维可视化监测系统的研制与开发[J].计算机工程,2007,33(22):255-257.

[2]刘正跟,黄宏伟,赵永辉,谢雄耀.沉管隧道实时健康监测系统[J].地下空间与工程学报,2008,4(6):1110-1115.

[3]Bennett,P.J.,Kobayashi.Y,Soga.K.,et al.Wireless sensor network for monitoring transport tunnels[C]//Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Geotechnical Engineering.London:ICE Publishing,2010:147-156.

[4]Liu,H.,Wang,L.,Xue,Q.,et al.The Intelligent Patrolling PDA System Based on Integrated Power Cable Monitor Stage[J].High Voltage Engineering,2008,34:142-148.

[5]Luo,M.,Zhou.,Z.C., Li,H.C.,etal.Research and development of the smart telemonitor system for power cable tunnel [C]//Transmission&Distribution Conference&Exposition(T&D) IEEE/PES,2010:1-5.

U456.3

B

1009-7716（2017）08-0194-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.060

2017-05-21

冯雷（1983-），男，河北秦皇岛人，博士，工程师，主要从事隧道与地下工程、市政道路工程、高速公路工程方面的建设管理与研究工作。