近接施工对城市电缆隧道的危害机理与保护建议

刘益平，赵 轩

(1. 中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102；2. 国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210000)

0 引言

近年来，城市电缆隧道工程得以迅猛发展[1]。南京近年来城市电缆隧道工程的投资与建设正逐步加速，如220 kV 九龙—南站电缆隧道工程、220 kV宁海—莫愁电缆隧道工程、220 kV秋藤—山江电缆隧道工程等。

与城市地下铁道等工程类似，城市电缆隧道属城市生命线工程，安全等级高，对维持城市正常运转具有重要意义。然而，由于城市空间的限制，工程建设中的近接(临近或交叉)施工越来越多。譬如，紧邻既有电缆隧道的基坑施工、桩基础施工，以及市政管线、地铁隧道交叉、平行或上、下穿越既有电缆隧道等，如图1 所示。近接施工必将引起周边地层的扰动，使既有电缆隧道产生附加内力和变形，严重时可能诱发结构开裂、渗漏水等病害，甚至破坏，影响电缆隧道的结构安全。进而可能影响电缆本体的安全，危害正常运营。

图1 近接施工示意图

城市电缆隧道路径一般沿着城市道路，随着城市规模的不断扩容，沿线的工程建设频繁、物业开发强度大，影响城市电缆隧道运营期安全的问题日益突出。例如，由于临近深基坑施工，导致某电缆隧道变形缝两侧严重不均匀下沉，进而出现错台、渗漏水等病害现象。

1 城市电缆隧道结构特点与病害

1.1 城市电缆隧道结构特点

城市电缆隧道与其他行业的隧道相比有其自身的特点，主要体现在：①断面形式以圆形或矩形为主，截面尺寸根据电缆回路数的不同差异较大；②结构形式多种多样，有管片分块拼装式盾构隧道、整环拼装式顶管隧道、明挖式现浇隧道等；③城市电缆隧道防水要求较高；④电缆隧道主要是供电缆铺设使用，在满足防水要求的前提下，容许更大的曲率半径。

城市电缆隧道绵延于地表之下，其断面规模相对于线路长度而言显得微不足道，在地层中呈线状分布。其结构一般由区间结构与井体结构(工作井、检修井、通风井等)两部分组成。目前，城市电缆工程电压等级以220 kV 及以下为主，与公路隧道、地铁隧道等地下结构相比，其区间结构断面与井体结构平面尺寸一般较小，属典型的柔性结构，且埋藏深度相对较浅，在基坑开挖、隧道掘进、工程降水等外部作用下，更易遭到变形破坏。

1.2 城市电缆隧道结构病害

根据江苏南京等地区既有电缆隧道病害调查结果，病害主要由于施工质量、不均匀沉降、地层损失等导致。具体可以分为结构开裂损伤、缝隙开张或错位、渗漏水、材料劣化四大类型，如图2 所示。其中，缝隙包括变形缝、管节接头、管片接缝等。不均匀沉降、地层损失等可能导致结构开裂病害；浇筑质量、结构裂缝、缝隙开张或错位可能导致渗漏水病害；腐蚀环境、渗漏水可能导致材料劣化病害。

图2 隧道结构病害类型

2 近接施工对城市电缆隧道的危害机理

2.1 近接施工类型

在既有城市电缆隧道周边进行的施工作业，称为近接施工。从空间关系分类，可分为临近施工或交叉施工两大类。按施工内容分类，有基坑开挖、隧道掘进、工程降水、工程沉桩、高压注浆、地表堆土和施工振动等，其中：基坑开挖、隧道掘进和工程降水这三类在城市工程建设中最常遇到，如图3 所示。

图3 常见近接施工类型

另外，除外部因素外，城市电缆隧道运营期间，自身缺陷(如施工浇筑质量、地基处理质量等)导致的渗漏水，也可能引起工程地质、水文地质环境发生变化，导致流土、固结沉降等问题，影响电缆隧道结构安全。

2.2 基坑开挖危害机理

基坑开挖过程是基坑开挖面上卸荷的过程，由于卸荷而引起坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护结构在岩土压力作用下产生水平向位移，从而导致周围地层产生变位。基坑开挖的影响范围，可以利用图4[2]确定沉降的影响范围、最大沉降的位置及沉降曲线分布。

图4 基坑开挖危害机理

从图4 可以看出，最大沉降δvm位于围护结构后0.5H处；围护结构后2H范围内的沉降较大，称为主影响区域；围护结构后2H～4H范围内的沉降较小，称为次影响区域；在4H处沉降一般衰减至零。

2.3 隧道掘进危害机理

对于顶管、盾构而言，其掘进过程引起地层损失，使隧道周围的土体弥补这一损失，从而导致周围地层产生变位。地层损失是指隧道施工中实际的开挖土体体积与竣工管道体积之差。

工程界通常采用Peck 公式[3]估算地表沉降。Peck 公式认为地表沉降槽的体积应等于地层损失的体积，基于大量隧道工程地表沉降实测资料，提出地表沉降槽曲线呈正态曲线分布，如图5所示。

图5 隧道掘进危害机理

半幅沉降槽宽度估算公式如下：

地表沉降量估算公式如下：

式(1)～(3)中：W为半幅沉降槽的宽度，m；i为沉降槽宽度系数，m；Z为隧道中心的埋深，m；φ为地层的内摩擦角，(°)；V为地层损失量，m3/m；Smax为隧道中心处最大沉降量，m；Sx为距中心点O 为x处地面的沉降量，m。其中，地层损失量V等于单位长度的沉降槽体积，与施工机械、施工方法、地层条件、地面环境、施工管理等因素有关，通常按经验取值。

2.4 工程降水危害机理

大面积工程降水首先会诱发地层产生附加应力，增加既有城市电缆隧道结构的外壁压力，从而诱发结构发生新的变形；其次，降水会导致地层沉降，进而诱发隧道结构发生竖向位移，尤其是软土层水位下降诱发的沉降较大；在深厚砂层及岩溶土洞地区降水可能会诱发土体失稳和涌水涌砂等情况，从而对隧道的稳定性造成不利影响甚至导致变形损坏等。工程降水环境影响的预估包括影响范围和地面沉降这两个方面，工程降水危害机理如图6 所示。

图6 工程降水危害机理

降水对环境的影响范围用降水影响半径R表示。对于重要工程，降水影响半径R应通过抽水试验等水文地质试验确定；其他工程可以按经验公式[2]确定：

对于潜水含水层：

对于承压含水层：

式(4)～(5)中：R为降水影响半径，m；S为水位降深，m；k为含水层渗透系数，m/d；H为含水层厚度，m。

可以看出，城市建设中最常遇到的基坑开挖、隧道掘进和工程降水等工程的影响范围通常较大。

3 管控现状分析

3.1 现行法律法规

《中华人民共和国电力法》(2018 年12 月29 日修订)第五十四条规定：“任何单位和个人需要在依法划定的电力设施保护区内进行可能危及电力设施安全的作业时，应当经电力管理部门批准并采取安全措施后，方可进行作业。”

《电力设施保护条例》(2019 年12 月16 日征求意见稿)第十一条明确了电力线路保护区的具体范围：“对于架空电力线路，保护区为导线边线向外侧延伸垂直地面所形成的两平行面内的区域。在一般地区各级电压导线的边线延伸距离如下：154 ～330 kV 为15 m，400 ～500 kV 为 20 m；对于电力电缆线路，保护区为地下电缆通道两侧各0.75 m 所形成的两平行线内的区域。海底电缆一般为线路两侧各2 海里(港内为两侧各100 m)，江河电缆一般不小于线路两侧各100 m(中、小河流一般不小于各50 m)所形成的两平行线内的水域。”

《江苏省电力保护条例》(2020 年5 月1 日起施行)第三十六条规定：“在电力线路保护区内进行打桩、钻探、开挖等可能危及电力线路设施安全的作业，或者起重、升降机械进入架空电力线路保护区内作业，或者在电力设施周围五百米水平距离范围内进行爆破作业的，应当经设区的市、县(市、区)电力行政管理部门批准，并采取安全措施后方可进行。”

从上述电力相关的法律、条例可以看出，当前对架空电力线路保护区的规定已比较明确；但因城市工程建设中基坑开挖、隧道掘进、工程降水等的影响范围通常较大，相关的法律、条例对城市电缆隧道保护区的规定，偏于宽松。以《南京市轨道交通条例》(2014 年7 月1 日起施行)为例，规定地下车站和隧道的控制保护区范围为结构外边线外侧50 m 内。

3.2 规程规范现状分析

城市电缆隧道遇到近接施工时，为准确评估施工扰动对其安全性的影响，合理地确定电缆隧道安全结构控制指标十分重要。结构安全控制指标是根据保护对象的安全现状及其保护要求，针对外部施工作业的特点，为安全保护结构而选用的控制指标，包括位移、变形、附加荷载等。除轨道交通行业外，部分行业的规程规范已制定了相应的结构安全控制指标，如表1[4]所示。

表1 结构安全控制指标数值mm

目前，电力行业的规程规范尚无相关的规定。城市电缆隧道涉及多种结构形式，包括盾构隧道、顶管隧道、明挖现浇隧道等，且断面规模一般较小，直接参照其他行业的结构安全控制指标，未必科学合理。

4 保护建议

鉴于既有城市电缆隧道保护的上述现状与问题，建议从以下几个方面加以改进与完善：首先建立基础信息数据库，健全基础资料，同时进行科技攻关，研究适用于城市电缆隧道的结构安全控制指标；在此基础上，深化近接施工的安全评估工作，加强施工过程中的实时监测工作；另外，研发原位高效的加固与治理技术，解决因近接施工导致的病害。

4.1 建立基础信息数据库

既有城市电缆隧道遇到近接施工作业时，隧道全面、完整的基础信息数据，是开展准确、可靠的施工作业影响评估的基础。基础信息数据通常包括地质信息、设计信息、运维信息等方面。其中，地质信息包括沿线工程地质条件、水文地质条件等，设计信息包括隧道三维空间坐标、断面尺寸、结构形式、施工工法等，运维信息包括投运时间、既有变形及病害发育情况等。目前，投运已久的城市电缆隧道的基础信息往往缺失或不全面，新近建设的城市电缆隧道的基础信息相对较为完善，但均未建立信息化的基础信息库，无法快速查阅全面、完整的相关信息。因此，需建立信息化的基础信息库(系统)，将既有城市电缆隧道的基础信息入库(系统)统一管理。

4.2 推进科技攻关

城市电缆隧道涉及多种结构形式，包括盾构隧道、顶管隧道、明挖现浇隧道等，且断面规模一般较小。不同工程地质条件下，各种结构形式对近接施工扰动的反应不同，现有的针对公路隧道、地铁隧道等在近接施工扰动情况下的安全评估和控制技术，还不能直接移植到城市电缆隧道上来，需要结合城市电缆隧道的自身特点，开展一系列的专题研究和科技攻关。分析各种结构形式在运营期近接施工扰动情况下的结构特性，研究可能的结构反应，细化结构风险源(如沉降附加应力、管片张开角等)，分析可能的结构损伤工况，进而制定适用于城市电缆隧道的结构安全控制指标，明确城市电缆隧道的安全保护范围(区)，完善电网运维方面的行业规程规范。

4.3 完善安全评估环节

安全评估是指针对外部施工作业的设计方案、隧道结构的保护方案等，通过建模、计算、分析，评估施工作业对既有城市电缆隧道结构安全影响等方面的工作。目前，既有城市电缆隧道遇到近接施工作业时，运维部门组织实施的安全评估环节，通常仅针对保护施工方案进行评审，以定性评估为主，且各施工单位编制的保护施工方案水平参差不齐，难以有效保证评估结果的严谨性与可靠性。完善的安全评估应包括两大环节：对近接施工保护的设计方案进行计算分析，定量地评估近接施工对既有城市电缆隧道的影响程度；在保护设计方案符合要求的前提下，再组织对保护施工方案、专项监测方案的评审。

4.4 加强实时监测

既有城市电缆隧道遇到近接施工作业时，需对隧道结构的变形、沉降等进行专项监测。而城市电缆隧道埋设于地层中，监测人员、设备只能通过检修口进出，且一般不允许非运维专业人员进入，监测频次无法保证，进而无法保证隧道结构的安全。因此，建议采用自动化的监测手段，避免高频次的人员出入，且能够实施、动态地采集、传送监测数据，以便及时地分析和反馈隧道结构的安全状态，达到信息化安全保护的目的。

4.5 研发原位加固与治理技术

近接施工作业中往往存在诸多不可控因素，施工作业可能会导致城市电缆隧道结构出现较大的变形或沉降，影响结构安全或出现渗漏水。而通过地面大开挖暴露出隧道结构再进行加固的方法，实施难度往往较大，工期长、环境影响大、费用高。因此，针对城市电缆隧道结构的特点，研发针对性的原位高效纠偏加固技术及防水堵漏技术，十分必要，最大程度地降低城市安全供电的影响。

4.6 完善保护管理细则(办法)

国家与地方的电力保护法律法规、条例，未明确城市电缆隧道保护的细节内容。作为电力设施的归口管理部门，可配套制定详细的、可执行性更强的保护管理细则(办法)，明确本地区城市电缆隧道的安全保护范围(区)与结构安全控制指标，规定安全评估工作的工作流程与管控重点等内容，把安全保护工作落在实处，避免因近接施工作业导致的安全事故。

5 结论

本文针对城市电缆隧道保护问题，研究了隧道结构病害类型及近接施工对电缆隧道的危害与作用机理，分析了城市电缆隧道保护管控工作现状，提出了保护建议，取得的主要结论如下：

1)电缆隧道结构病害分为结构开裂损伤、缝隙开张或错位、渗漏水和材料劣化这四大类型；

2)基坑开挖、隧道掘进和工程降水这三类现象是城市电缆隧道最常遇到的近接施工类型，且影响范围通常较大；

3)法律法规方面，城市电缆隧道的保护规定偏于宽松；规程规范方面，尚无适用于电缆隧道的结构安全控制指标；

4)电缆隧道保护是系统工程，建议从基础信息数据库、科技攻关、安全评估、实时监测、加固与治理技术以及保护管理细则等多个方面系统地加以改进与完善。