城市电缆隧道岩土勘察的几个主要问题探讨

刘益平，葛海明，任亚群

(江苏省电力设计院，江苏 南京 201102)

城市电缆隧道岩土勘察的几个主要问题探讨

刘益平，葛海明，任亚群

(江苏省电力设计院，江苏 南京 201102)

分析、总结了目前城市电缆隧道岩土勘察的现状，并从地下电力工程设计、施工的角度，分析了电缆隧道在结构赋存形态、作用机理等方面的岩土工程特性，探讨了电缆隧道勘察中的几个难点，提出了几点建议。对今后电缆隧道的勘察工作具有一定的指导意义。

电缆隧道；岩土特性；岩土参数。

1 概述

1.1 必要性及效益

随着社会的进步和经济的发展，人类社会的城市化已成为一种趋势，城市电网的建设面临着两个主要问题：①电力负荷高速增长和电力通道资源相对稀缺的矛盾；②满足城市绿色环保生存空间与高标准景观的需求。城区内用电缆隧道输送电能无疑是一种有效的解决方法。虽然城市电缆隧道单位造价较高，但考虑到征地、土地资源开发等因素，建设城市电缆隧道仍具有较高的经济效益。同时，对保障城市绿色环保生存空间、建设高标准城市景观、构建环境友好型和谐社会亦具有巨大作用，社会效益显著。

根据江苏南京供电公司编制的《南京市主城饱和负荷暨电网专项规划》，南京主城区将新建72座110kV及以上规模的变电站，而这些变电站之间大部分必然要通过电缆隧道相连，构成城市电网的骨架。

1.2 问题的提出

岩土勘察是工程建设的重要环节，电缆隧道工程的勘察设计属复杂的系统工程，与常规电力工程在结构形态、计算模型、施工工法、环境影响等方面存在较多的区别，对其岩土勘察的内容、手段等提出了新的要求。目前，岩土工程师对相关的设计、施工了解尚少。电缆隧道岩土勘察应从其设计与施工的需求出发，提出勘察的目的、重点及相应的勘察手段。完备、全面的岩土勘察资料是保证工程建设周期、规避施工风险、降低工程造价、保护周边环境的基础。

2 现状分析

2.1 规程、规范现状

电缆隧道一般由工作井和区间隧道两部分组成。工作井规模一般较小，通常采用沉井法施工；区间隧道根据施工工法的不同分为明挖法隧道、顶管法隧道、盾构法隧道、沉管法隧道及矿山法隧道。不同的构筑物形式对岩土勘察的要求不同，这里从施工工法的角度对不同行业规程、规范的相关内容进行对比分析，见表1。

表1 主要规程、规范情况

从表1可以看出，在电缆隧道岩土勘察方面，电力行业除《火力发电厂岩土工程勘测技术规程》涉及部分内容外，尚没有专门的规程、规范可以遵循。目前电缆隧道岩土勘察实施过程中，只能根据构筑物拟采用的施工工法，借鉴其他行业规程、规范相应的内容。然而，其他行业的规程、规范一般是根据自身行业的特点制定的，并没有囊括电缆隧道中所有构筑物形式的勘察要求，缺乏系统性；且不同行业规程、规范对同一种构筑物形式的勘察要求往往存在区别，如《市政工程勘察规范》要求管道的勘探点位于管道中心线，而《上海市岩土工程勘察规范》则要求勘探点位于管道范围外一定距离。另外，一些规范的条文比较笼统，实际操作时有一定的难度。因此，各个岩土工程师只能根据自身对相关问题的认识和理解设计勘察方案，勘察资料的针对性、完备性无法保证。

总体而言，目前电缆隧道的岩土勘察处于无规程、规范可依的状态，这与今后大规模的城市电缆隧道建设不相适应。因此，亟需从电缆隧道设计、施工的角度对其勘察的目的、技术要求及手段进行研究和总结，尽早出台相应的行业标准，规范电缆隧道的岩土勘察工作。

2.2 勘察力量(技术人员、施工队伍)现状

常规电力工程经过多年的发展，已积累了较多的勘察实践经验，电力设计院的岩土工程师对其设计、施工有较多的了解。而电缆隧道属于较为新颖的电力工程，主要涉及沉井、基坑、顶管、盾构等特殊构筑物及施工工法，岩土工程师对相关知识掌握较少，对其设计、施工中的关键问题缺乏足够的认识。因此，工作中有可能把握不住岩土勘察重点，有些必须搞清的问题在勘察中遗漏，带有一定的随意性，给工程安全埋下隐患。

虽然电缆隧道工程投资规模较大，但项目的数量有限，岩土工程师较难有机会长期专门从事该项勘察工作，客观上导致岩土工程师难以完全掌握不同地质条件、不同勘察阶段的勘察目的和技术要求，高素质的专业人才比较欠缺。随着今后电缆隧道工程的逐渐增多，需要加快相关岩土工程技术人才的培养与成长。

另外，目前市场上钻探队伍的施工水平良莠不齐，部分钻探队伍不足以适应繁华地带、复杂环境下的钻探施工的要求，文明施工、安全施工的意识和责任感不强，城市地下管线破坏事故时有发生，需要引起高度重视。

3 电缆隧道岩土特性

电缆隧道埋设于岩土介质中，因此涉及较多的岩土工程问题，其岩土工程特性与变电站的建/构筑物及架空线铁塔等存在较大的区别，设计勘察方案时应予以充分考虑。

3.1 结构赋存形态

变电站在空间上呈“面状”分布，各建/构筑物相互独立，但距离较近，均集中在较小的范围内(面积大小取决于变电站的规模)。岩土勘察中各相邻勘探点处的地层可相互对比、借鉴，勘察的重点侧重于寻找适合承载上部结构的地层(竖向承载体系)，岩土工程条件分析与评价主要是针对持力层的竖向承载性能、变形特性及空间分布规律，地形地貌、地层组成、地质灾害及不良地质作用等地质要素相对比较单一。

架空线路从空间上看呈线状分布，然而就其本质而言，各架空线铁塔相互之间距离较远，且相互独立，实质为“点状”分布。虽然整条架空线路可能涉及多种地质要素，但其相关性及延续性较差，岩土勘察一般针对单个具体塔位实施，勘察的重点与变电站中构架是基本一致的。

电缆隧道绵延于地表之下，为地层的包含物，其结构断面规模相对于线路长度而言显得微不足道，故在地层中呈“线状”分布。隧道开挖对地层而言往往是一个卸载的过程，与变电站的建/构筑物及架空线铁塔竖向承载体系不同，电缆隧道结构与其周围岩土介质在水平和竖直方向均相互作用，并不存在明确的持力层的概念。另外，电缆隧道在地层中穿越距离较长，通常会涉及多种地质要素，且各地质要素在路径方向上具有一定的延续性和渐变性。

3.2 与地层共同作用

电缆隧道赋存于岩土介质中，属于地下结构范畴，与上部结构在荷载效应、结构计算理论与方法等方面存在本质的区别。电缆隧道的荷载效应以永久荷载为主，而永久荷载又以地层荷载(水平及竖向的岩土压力和地下水压力)为主。根据地层岩性的不同，地层荷载计算时采用不同的计算方法：砂性土采用水土分算，粘性土采用水土合算。地层既是荷载的施加者，但又有一定的自承(稳)载能力，也是荷载的承担者，通过提供地层抗力，约束隧道结构的变形，从而与隧道结构相互作用，形成共同受力的统一体。因此，电缆隧道结构的设计不仅是结构的问题，更是地层与结构共同承载的问题，且重点往往在地层的稳定性上。城市电缆隧道一般位于繁华街区城市道路的下方，周边环境对地层变形控制严格，此时隧道结构设计目的是稳定地层的变形，而不是支撑地层荷载。

3.3 与环境相互影响

电缆隧道通过替换相应的岩土体来形成地下结构空间，进而敷设电缆。岩土体的开挖过程破坏了地层及地下水原有的平衡条件，改变了周围岩土体的应力平衡状态，从而引起周围岩土体的应力重分布和再次固结，导致周围地层的变形(竖向和水平向)，威胁沉降影响范围内的地表建筑物及地下管线的运营安全。对位于繁华街区的城市电缆隧道，周围建/构筑物密集，各种地下管线错综复杂， 这种不利影响尤为突出。大量实践表明，地下工程施工时，地层的变形不可避免，严重者会造成建筑物的不均匀沉降、煤气泄漏、通讯中断等重大事故，危及生产建设和人民财产安全。因此，对地层变形较为敏感的建筑物及地下管线，施工前应采取相应的隔离或地层加固等保护措施；同时，为减轻施工对环境的影响，电缆隧道的设计方案、施工工法的选用也相当重要，应与环境保护要求相配套。

南京市拟建的220kV九龙～南站电缆隧道高湖路段地下管线十分复杂，涉及自来水、雨/污水及煤气等埋深较浅的大直径重要管线(见图1)，且两者平行走线。为减小工程建设中施工对地层稳定性的影响，拟采用对地层扰动较小的盾构隧道设计方案；且从避免发生水管破裂、煤气泄漏等重大事故的角度出发，增大了隧道的埋深，以保证浅部管线的变形在可控范围之内。

图1 高湖路段横断面示意图

另外，电缆隧道穿越河流、边坡时，会对河床及坡体的稳定性造成影响。如果保护不利使其破坏，则失稳的岩土体使隧道结构所受地层荷载增大，影响隧道结构的安全。

3.4 与施工紧密相关

电缆隧道与常规电力工程的建/构筑物在施工方面有很大的不同。最根本的区别在于，常规电力工程的建/构筑物是先建造后受载，而电缆隧道则是在受载状态下构筑。电缆隧道形成后是一个空间体系，可以承受地层荷载的作用，但在形成过程中并不(或者不完全)是空间体系，不能有效地承受全部地层荷载。因此，隧道施工过程中的安全性往往起控制性作用，诸多地下工程事故都是由于施工的原因造成的，见图2。电缆隧道设计中很重要的一部分内容就是对施工过程进行模拟分析，验证施工方案的安全性和可靠性，如掘进速度、地层加固范围等。电缆隧道施工工法的选择往往由地质条件、周边环境保护等诸多因素决定，同一工程往往有多种选择，每种工法均有各自的适用条件及优缺点，应通过工期、造价、环境保护等诸多因素综合比较，选择最为经济、合理、有效的施工方法，见表2。

表2 区间隧道施工方法比较

3.5 地下水作用

在地下工程勘察、设计、施工中，地下水始终是一个极为重要的问题。地下水作为地层的组成部分，直接影响岩土体的状态和性能；作为地下工程的赋存环境，又影响结构体的稳定性和耐久性。地下工程施工期或运营期发生的很多事故都与地下水紧密相关。

根据赋存状态，地下水可分为上层滞水、潜水、承压水等类型。隧道工程中，地下水主要在抗浮稳定、地层整体稳定、地基土隆起稳定、渗流稳定(流砂、管涌、突涌)、降水沉降等方面存在较大影响。不同类型的地下水、不同的结构形式，设计、施工中地下水控制措施的重点也不同。电缆隧道建设过程中，如何针对具体情况处理好地下水问题是一大难题。因此，电缆隧道岩土勘察中，尤其存在多层地下水时，弄清场地地下水类型、分布、厚度、渗透性、涌水量、运动规律等水文地质参数至关重要，必要时可开展专门的水文地质勘察工作。

3.6 工程地质过渡段

不同的地形地貌，沉积环境有所差别，会形成不同的工程地质区段。电缆隧道在地层中呈“线状”分布，穿越距离较长，复杂地质条件下往往会遇到多种工程地质区段，勘察中需进行工程地质区段划分，因为不同的工程地质区段勘察、设计及施工要点各有侧重。然而，各工程地质区段之间一般并不是完全独立的，在地层组成、地下水、地质灾害及不良地质作用等方面具有延续性和渐变性，勘察成果中给出的各区段里程、地层界限从定量上往往是概略的，具有近似性。而设计、施工人员往往认为地质纵剖面图的里程是精确的，一旦施工时揭露出的情况与地质剖面图上的里程有出入，就误认为勘察资料不够准确，由于勘察原因而变更设计，这种现象在土岩结合地区尤为突出。设计规范中规定：围岩较差地段的衬砌应向围岩较好地段延伸一段距离，而勘察中勘探点间距一般大于该距离，电缆隧道勘察中如何有效的划分工程区段以保证设计方案和施工的安全，是需要慎重考虑的问题。

4 电缆隧道勘察难点

4.1 施工难度与风险

根据《江苏省电力保护条例》，地下电缆通道建设不实行征地，因此电缆隧道勘察属于没有征地的勘察。电缆隧道向市区负荷中心供电，线路必然穿行在繁华的商贸区和密集的居民区，交通、地面建筑、地下管线等均制约着勘察施工的顺利展开。勘察施工过程要受到社会各界的监督和管理，涉及交管、市政、城管等多个管理部门，涉及对电力、电信、煤气、自来水、雨/污水、交通信号等地下管线的保护，涉及对绿地、交通设施损坏的赔偿。城市电缆隧道勘察施工可能会引发两类环境问题：①对周边环境造成不良影响，如影响交通、噪声及泥浆污染环境、破坏地下管线等；②勘察施工引起环境改变，给后期施工埋下安全隐患，如钻孔终孔后没有及时封孔或封孔不严，改变了各层地下水之间的联通关系，导致隧道、基坑等开挖施工中出现突涌等事故。

城市地下管线埋藏一般较浅，有一定的规律可循：自来水管、动力电缆分布在东西走向道路的南侧，南北走向道路的东侧；通讯电缆、煤气管道分布在东西走向道路的北侧，南北走向道路的西侧；下水道则在道路两侧和中心均有分布；绿化带下一般没有管线分布，是工程勘察施工中比较“安全”的地带；涉密管线(如军用管线)没有标示。然而，由于当前城市大规模的扩建和老城区改造，一些已有地下管线的相对位置和埋深远远超出常规情况，同时由于地下管线探测手段的局限性，给地下管线的确认带来极大的难度，客观上增加了勘察施工中的风险。

因此，地下管线是勘察施工中的主要风险源之一，探测其准确位置是电缆隧道勘察时的重要环节之一，探测成果关系到工程的选线和施工工法的选择。进行城市电缆隧道勘察方案设计时，在满足设计要求的前提下，勘探孔应尽量避开对交通、地下管线等造成不利影响的地段。外业实施过程中应有相应的安全管理体系和应急预案，应严格控制工作流程，首先对管线进行必要的探测，在确保安全的情况下再钻探施工，并确保终孔后的封孔质量，做到文明施工和安全施工。

4.2 岩土设计参数多样

电缆隧道设计包括路径、土建、暖通、电气、施工设计等多个分项内容，各个分项对岩土勘察的要求不同。如前所述，电缆隧道常用的施工工法有明挖法、顶管法、盾构法、沉井法等。不同地层条件下各种施工工法关注的地质重点内容不同，岩土勘察中除了需查明地层的一般物理、力学性质外，还应针对具体的设计、施工方案取得相关的特殊试验指标，如静止侧压力系数、基床系数、泊松比、热物理参数等，且需重点勘察的地层范围也不尽相同，见表3。需要说明的是，对于大断面顶管工程而言，现有规范中的计算方法已显得不太适用，应根据设计人员采用的计算方法提供相应的计算参数，如静止侧压力系数、基床系数等。

由于电缆隧道外部的环境十分复杂，项目前期的(可研、初设阶段)很多外部条件难以落实，往往不能明确采用何种设计方案。岩土工程师在制定勘察方案需兼顾各种可行方案的勘察要求，这也无疑增加了勘察工作的难度，对岩土工程师提出了更高的要求，同时增加了勘察的工作量。

表3 电缆隧道各种工法对不同土层岩土设计参数要求

4.3 特殊参数获取方法

从表3可以看出，电缆隧道的设计、施工涉及较多特殊的物理、力学参数，这些参数在常规电力工程的岩土勘察中通常无需提供。因此，电力行业在这些特殊参数勘察技术方面的基础研究及工程实践较少，岩土工程师对相关参数的室内外试验的适用性及可靠性缺乏了解，在参数如何正确取值等方面经验不足。

封闭地下空间内电缆的散热情况是电缆隧道通风设计的重点内容之一。目前，电缆隧道设计中往往仅考虑隧道内通风设备的强排风，认为隧道是一个封闭环境，与周围地层无热交换。但是，从节能减排的角度而言，设计中考虑地层的散热作用是很有必要的，这就需要勘察中提供可靠的地层热物理指标。

4.4 地层划分与定名

“面状”工程地层划分时，由于面内勘探孔密集，原位测试及室内试验数据量较多，可以根据各地层物理、力学参数的离散情况，很明确的对地层排序、细分。而电缆隧道线路一般较长，复杂地质条件下通常涉及多个工程地质区段，不同区段之间地层的岩土工程特性是逐渐过渡的，如果也按照“面状”工程的要求来划分地层的话，则不但需增加勘探孔数量来满足各地层对原位测试及室内试验结果统计的要求，使勘察成本增加，同时也增加了内业整资的工作量。因此，电缆隧道地层划分时，应容许各地层的物理、力学参数有一定的离散性，对岩土工程性质较为接近且对设计、施工无重大影响的地层，可按照“工程地质特性划分”的原则进行适当、合理的概化，优化勘察工作量，强化勘察的重点内容。

冲积平原地区一般分布有砂性土层，除正常沉积而成的均匀土层外，还常呈薄层(夹/互层)、透镜体、带状等局部形式与黏性土共存。电缆隧道开挖过程中，砂性土颗粒在地下水作用下，易产生管涌、流砂。此时，若按照“工程地质特性划分”的原则概化地层是不合理的。如南京地铁2号线元通站由于对浅部厚层淤泥质土中夹带状的砂性土认识不足，导致止水效果不好，基坑内大量涌土，地面明显塌陷。因此，这种情况下应尽量避免根据室内试验资料简单地按均匀土进行定名，更不能简单地将勘探孔中存在的砂性土夹层、透镜体等与黏性土合并处理，而应根据“水理特性划分”的原则，细化分层，准确的将砂性土从黏性土中划分出来。同时，砂性土与黏性土之间的过渡土层也宜归并至砂性土层中去。这就要求现场编录人员应详细描述薄层、透镜体、带状砂性土层的分布、厚度等情况，并充分利用静力触探在分层方面的优势。

对于粉土和粉质黏土之间的过渡土体(8

4.5 多层地下水位测量

很多地区一般含有多层地下水，包括浅层的潜水、砂性土层中的(微)承压水。电缆隧道勘察中，水文地质勘察意义重大，较一般工程要求更为严格。其勘察的重点是查明隧道影响范围内各含水层的空间分布、水头、各含水层相互之间及与地表水体的水力联系，并据此分析、评价地下水对隧道施工、运营的影响。

勘探孔为各层地下水提供了水力联系的渠道，因此一般工程中测得的稳定水位为地下水混合水位，而电缆隧道工程勘察中应分别提供隧道影响范围内各含水层的稳定水位。在水文地质勘察中，分层测定承压水水位时较为繁琐，有严格成孔、止水、清孔、观测等操作规定。实际工作中，一般有以下三种方法：①在同一勘探孔内分层埋置孔隙水压力探头，测定各含水层的稳定水位，该法需保证各层之间的止水质量；②一个勘探孔只测定一个含水层水位，该法简单直观，适用于勘探孔密集的情况(复杂地质条件下的“线状”工程，勘探孔较稀疏)；③利用CPTU在静探施工中测定各层水位，该法技术先进，操作简单，但目前应用尚少，需积累实践经验，技术成熟后具有较好的应用前景。

5 结论及建议

(1)与常规电力工程相比，电缆隧道工程涉及更多的岩土工程问题，岩土勘察方案应针对设计、施工的需求，提出勘察的目的、重点及相应的勘察手段。

(2)电缆隧道涉及多个岩土特殊参数，需积极应用新手段、新技术，有针对性地提供可靠的岩土设计、施工参数。

(3)电缆隧道周边环境复杂，勘察施工中需做到文明施工和安全施工。

(4)鉴于目前电缆隧道岩土勘察的现状，宜尽早编制相应的行业勘察规程、规范或单位内部的技术标准，保证勘察质量，更好的指导设计与施工。

[1] 费斐.上海市电力隧道监控系统的研究[D].上海：上海交通大学，2007.

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[4] 季军，张惠忠.软土地区地铁、隧道工程勘察[J].上海地质， 2006，(4).

Discuss on Several Mostly Problems of Geotechnical Engineering Investigation in City's Cable Tunnel

LIU Yi-ping, GE Hai-ming, REN Ya-qun
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

It analyze the actuality of city cable tunnel geotechnical engineering investigation, and from the angle of underground electric power engineering design and construction, analyze cable tunnel geotechnical engineering characteristic in different structure configuration and funnel mechanism. Discuss on several difficulties in cable tunnel surveying, several suggestion has put forward. It has stated guidance significance for the future cable tunnel surveying work.

cable tunnel; geotechnical characteristic; geotechnical parameter.

TU4

B

1671-9913(2011)05-0011-07

2011-08-08

刘益平(1982- )，男，江苏如皋人，硕士，工程师。