沿海城区电力电缆隧道运营期的数字化防灾研究*

周 源 陈孝湘 贺 雷

(1.中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003;2.中国电力科学研究院有限公司，北京 102401)

1 概述

作为电力电缆通道最为重要的形式之一，电缆隧道内通常敷设了回路数较多的高压电力电缆线路或者重要性较高的电缆线路[1]，是城市生命线工程中最为基础和最为关键的通道工程，其灾害期间的可靠性和受损后的供电恢复及时性将直接关系到受灾地区社会财产和人民生命财产安全[2]。

电缆隧道的防灾包括了建设期间和运行期间的防灾。对于建设期间的防灾，目前已有大量关键技术成果，其与隧道的建设工法、地层地质条件、周边环境控制要求等息息相关[4]；而运营期间的防灾则与灾害类型、隧道结构自身的建设水平、地质条件关系密切，尤其是灾害类型[3]，决定了运营期间的防灾策略。

自从煤矿行业探讨数字化防灾与救援体系及应用研究以来[4]，作为数字化技术建设先行区的福建，也已先将数字化技术广泛应用于应急管理事业[5-9]，并取得了较多经验，使得应用数字化技术进行沿海城区电力电缆隧道的防灾具有坚实、可靠的技术基础。

本文在分析沿海城区电缆隧道常见自然灾害的基础上，研究台风暴雨、地震、隧道内火灾等隧道运营期间常见灾害下的数字化防灾技术需求和典型技术路线，为提升沿海城区电缆隧道运营期的防灾能力提供支撑。

2 城区电缆隧道运营期的灾害类型及其影响分析

电缆隧道的灾害类型包括了各类自然灾害和人类活动灾害，常见的有地震、台风暴雨、隧道内火灾、不均匀沉降、临近工程施工、外力直接破坏等，这些灾害的发生过程和对隧道结构的影响机理各不相同，研究相应的数字化防灾技术路线，需要分析不同灾害类型对隧道结构的作用过程，根据影响规律的不同，制定相应的防灾技术路线。由于地震、台风暴雨和火灾发生时，隧道内受灾影响的范围较大，灾害导致破坏后的修复难度大、费用高，采用数字化防灾的效益更为明显，本文主要针对这三类运营期的灾害进行分析。

2.1 地震

根据近代以来大量城市附近地震灾害的调查，地震对电缆隧道等中浅层地下构筑物的破坏主要源于地表变形和地面运动，其中地表变形包括了断层错动、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等，而地面运动主要是指地震波的传播效应，行进中的波可能会导致隧道的变形过大而破坏。电缆隧道呈现出局部加整体的破坏形态。

关于电缆隧道的地震防灾，除了在工程设计和结构设计阶段，根据岩土工程勘察的结果做好地基处理和结构设计之外，对运营期间最为重要的影响就是由于地震带动地层运动而导致各类隧道(明挖现浇、明挖预制、顶管、盾构等)的变形，由于不均匀变形而导致的隧道接口挤压产生裂隙、张开量过大，导致接口各类构造破坏进而产生渗漏或泥沙涌入。

2.2 台风暴雨

对于以上海、浙江、福建和广东为代表的沿海省份，台风是最常见、影响最大的自然灾害。2015年的“苏迪罗”、2016年的“莫兰蒂”等台风，就造成了福建省沿海主要城市电网的巨大损失。

从以往台风暴雨天气发生时电缆隧道的受灾调查来看，除了大风刮倒的树木或者构筑物倒塌在隧道露出地面设施造成毁坏外，台风和暴雨本身对隧道结构不会造成大的影响，主要致灾原因是暴雨造成的洪涝水位超过电缆隧道各类预留孔口而引发的倒灌。倒灌发生后，隧道内将涌入大量夹带泥沙和垃圾的洪涝水，进而造成隧道内部的水位上涨，各类附属设施(通风、排水、照明、供电、监测、通信、消防等)遇水后受损，长期浸泡也可能危及高压电力电缆的安全运行。水位上升后，隧道内的水泵会因长时间抽取洪涝水损坏，进一步加剧了隧道内部水位的上升。当洪涝过后，即使隧道内的水被抽干，在隧道结构的内表面、高压电缆本体及隧道内的其他附属设施的不同部位，会淤积大量的泥沙和垃圾，清理不及时也将影响隧道的安全。台风暴雨灾害下的电缆隧道灾害以整体受灾为主。

2.3 隧道内火灾

隧道内的火灾大部分属于运行期间的机械性外破或电缆线路事故导致的灾害，不属于自然灾害，也并非沿海城区电力电缆隧道运营期间特有的灾害，但是由于其发生的概率较大、事故后果严重，灾害一旦发生，将影响整个区段的通道安全，故也需要开展针对性的数字化防灾研究。

当隧道内的火灾发生时，由于事故点临近两侧隧道内的空气补给，在一定时间内燃烧的条件充分，如若采用的不是阻燃电缆或者耐火电缆，则火灾可能在较大范围内延燃，直至隧道内的氧气被耗尽为止。

隧道内火灾对隧道结构的影响较大，一旦发生，则隧道的修复难度大，一般情况下无法从地面开挖，只能优先考虑洞内修复。根据隧道内火灾的试验和模拟，隧道火灾发生后，隧道周边的温升规律为顶板最高、侧壁次之，最后是底板。

等了许久，屋里静悄悄的，没一个人出门，也听不到一点声响。甲洛洛开始吸烟，一根、两根、三根……当抽到第七根的时候，嘎绒出门了，后面一个人也没有，怀里的东西也不见了。

3 不同灾害下的数字化防灾

防灾技术路线的制定需要考虑不同的灾害类型，也需要结合不同灾害类型作用下的隧道结构发生的受损特性，但首先分析典型灾害类型作用下的隧道结构的数字化防灾需求。

3.1 地震

地震对电缆隧道结构的影响主要体现地震波行进中带动隧道及其周边土体作往复运动，或者隧道地基土的破坏性变形导致隧道结构发生不均的变形，进而造成隧道结构的开裂或者防水措施的失效，导致泥沙涌入等，对于隧道结构的受损评估和灾后的修复，主要需要考虑的是隧道结构在地震灾害作用下的结构变形量、短时钢筋或混凝土应力的增幅等。

对于运营期的防灾，主要以结构变形监测和渗漏监测为主，在数字化的防灾信息采集方面，除了地震本身的信息外，应该注重隧道结构的变形和接缝处渗漏水量的数字化监测。

3.2 台风暴雨

对于运营期的隧道而言，地面建(构)筑物受台风作用倒塌直接毁坏隧道出露地面各类孔口的概率较小，即使发生该类型破坏，不仅不影响隧道内的电缆线路安全，而且其灾后可以快速修复，因此，除了加强结构设计的必要冗余之外，不需要进行特殊防灾。

台风暴雨对电缆隧道的主要影响在于降雨发生的积水短时内无法通过城市的排水系统排出，导致内涝，当内涝水位超过电缆隧道出露地面的各类孔口，而孔口又未能及时做好临时的防水封堵，就会发生大量洪涝积水倒灌，此类灾害是台风暴雨条件下沿海城区电缆隧道的主要灾害。

面对以洪涝水位为主的倒灌风险，需要在电缆隧道出露地面的各类孔口布设不同的水位监测设施，用以监测预留孔口高程以下一定高度范围内(如10cm～50cm)的水位，同时辅以隧道内集水井等部位的水位监测，当地面的孔口发生倒灌时，进一步掌握隧道内水位的上升过程，便于隧道内各类设施的灾后隐患排查。

3.3 隧道内火灾

隧道内的火灾将直接导致相关电缆线路停电，并损坏温升超过一定幅度的隧道区段内的附属设施，而隧道的顶板、两侧壁受温升的影响，也将导致钢筋混凝土结构的承载性能劣化，进而影响结构的耐久性。

针对火灾对隧道结构的安全影响，运营期间的数字化防灾技术措施，除了各类电缆本体的在线监测装置和在危险区域配备的各类消防设备外，还需要监测隧道内壁结构上的温度，尤其是火灾发生过程中，温度会急剧变化的隧道顶板及隧道侧壁的上半部分。

3.4 电缆隧道数字化防灾的技术需求分析

3.4.1 感知信息的准确性

3.4.2 传输的及时性

由于隧道灾害发生时，电力运行检修部门和政府的应急管理部门需要在第一时间响应并根据预案阶段所制定的防灾策略共同开展抢险救灾活动，故对于灾害影响监测数据的传输应及时有效。

3.4.3 传输的安全性

根据现有的运行管理模式，分散在城区各处的电缆隧道结构采集得到的各类灾害及隧道结构的受灾信息，通过专用或者公用的网络传输至数据分析决策端，数据传输过程的网络安全是防灾技术的安全性保障。

3.4.4 分析决策的可靠性

无论是灾害未发生时，还是发生过程中，隧道的防灾感知层都将采集到大量的实时监测数据向存储端、分析端传输，数据的分析决策端都需要采用可靠的数字化技术对海量的数据进行分析，并根据分析结果及时响应，故分析决策的可靠性是数字化防灾的关键环节。

3.4.5 感知精度的科学性

沿海城区电力电缆隧道受灾发生的各种通道整体或者结构局部的监测要求，包含了变形、应力及应变、水量、水位、温度等，在制定感知方案并确定设备精度时，需要根据建构筑物及通道本身的受灾响应特点，确定响应精度的感知设备量测单位，避免过精细或过大而导致各类误报，造成不必要的抢险救灾资源浪费。

3.4.6 预警机制

当大量的现场感知数据安全传输到数据的存储分析端，通过可靠的数字化分析技术，对灾害的类别、影响大小和救灾的可行性进行全面分析后，需要制定及时、可行和可靠的预警机制及防灾方案，并根据预设的抢险救灾方案，及时将救灾需求传递至协作部门，共同在第一时间开展抢险救灾工作，将灾害引发的损失降至最低。

3.5 适用于电缆隧道防灾的数字化技术

随着数字福建的不断推进，数字技术的应用已经深入到生产、生活的方方面面，并且又进一步推动了数字技术的进步。从现有的主流技术来看，隧道的数字孪生技术、工程现场状态感知技术、北斗卫星定位技术、5G传输技术、AI智能分析技术、大数据、边缘计算等，都适用于电缆隧道的数字化防灾体系的建设。

图1为采用现场感知设备(含位置、变形、应力、应变、温度、水位、水量等)、北斗定位、隧道局部相对定位、无线传输、5G专用电力切片、大容量数据存储和分析、边缘计算、AI人工智能等数字化技术建立起的电缆隧道数字化防灾体系及其应用技术框架。

图1 电缆隧道的数字化防灾体系及其应用技术

4 结束语

我国沿海主要城市的核心城区都向着输配电线路入地缆化的方向迈进，城区内将有越来越多的电缆隧道工程投入运营，而如何做好运营期间的隧道防灾将成为智能电网安全运行的主要挑战之一。数字化技术的发展将改变人类社会生产、生活的方方面面，应用数字化技术提升甚至是重塑沿海城区电力电缆隧道的防灾减灾能力，符合新时代技术发展的方向，也是构建新型电力系统的有力保障。