电力电缆隧道结构常见病害分类及防治

陈孝湘，李广福，吴勤斌

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)

随着城市化进程的加快，越来越多的电力隧道开始被应用到电网建设中。由于电力隧道设计使用年限较久，在隧道建成投运后，随时间推移或周边环境条件的变化，会出现影响隧道正常运行检修乃至危及隧道结构安全的各类病害。

张瑛等人通过对上海电力隧道常见病害的调查，分析了该地区三种常见的隧道病害，并提出了相应的监控指标。而据调查结果显示，电力隧道投运后除了出现渗漏水、衬砌裂损、衬砌腐蚀之外，还会出现其他的病害类型。

结合现有研究成果，文章分析了福建省内已运营电力隧道的调查数据，对电力隧道可能出现的病害进行分类；并简要剖析电力隧道病害的预防与治理思路，为相关工程的运营检修、病害防治提供依据。

1 电力隧道常用工法

受敷设电压等级及回路数影响，电力隧道截面几何形状和尺寸大小不一，但多以10.0m2净面积的矩形、直墙拱形和圆形隧道为主，目前常用施工工法主要为明挖法、浅埋暗挖法、顶管法、盾构法等。

1.1 明挖隧道

明挖法是电力隧道在电力隧道施工中最基本、最常用的工法。明挖法在开挖深度小于7.0m、施工场地开阔的情况下具有工期短、浅埋时造价低的特点；但由于其开挖面积较大，使得其对周边环境影响也较大。

为减小基坑开挖周边土体的变形，需加大支护结构的刚度；为减小在城市道路下方修建隧道对路面交通的影响，将明挖法发展形成了盖挖法，但无论如何，在埋深较大或周边环境较为复杂的城市内逐渐失去优势。

1.2 浅埋暗挖法

浅埋暗挖法是基于新奥法发展而来的一种工法，采用不同开挖方法及时支护封闭成环，使其与围岩共同作用形成联合支护体系，并且采用信息化设计与施工。

由于浅埋暗挖法相对于明挖法具有对地表扰动小、路径曲率灵活、断面利用率高等显著优点，在硬土层、卵石地层的电力隧道建设中占据主导地位。然而，当周边环境复杂或地下水位较高时，由于采取相应的辅助开挖工法，会使得隧道建设难度加大，同时也使得隧道造价增高。

1.3 顶管法

顶管技术是在不开挖地表的情况下，利用液千斤顶将管节从工作井在地下逐节顶进，直至顶管至接收井的地下管道敷设施工工艺。由于顶管无需进行地面开挖，因此不会阻碍交通，不会产生过大的噪声和振动，对周边环境影响也很小。

顶管法具有开挖面积小、施工便捷、在中小截面隧道建设中造价小等优点被广泛应用于沿海地区的电力隧道建设，但在大截面隧道、超小曲率半径的隧道建设中还有很多技术瓶颈亟待突破。

1.4 盾构法

盾构是在软岩和土体中进行隧道施工的专门机具，使用盾构机开挖的施工方法简称盾构法。现代盾构集机、电、液、信息技术与一体，具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。盾构隧道已广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程，也逐步开始在电力隧道中推广应用。

盾构施工主要由稳定开挖面、掘进及排土、管片衬砌及壁后注浆三大要素。盾构法适用性广，安全性高，适应性强，但单体造价较高，在中小截面隧道中应用的经济效益较差。

2 电力隧道病害分类及其危害

电力隧道病害的出现可能是由于勘测设计误差或施工质量欠缺等隧道建设自身问题的存在，也可能是受隧道所在地层条件变化等外在因素的影响，这些不利因素使得隧道结构上出现了各种影响隧道正常运营的病害。由于大规模建设时间较早，投运数量较多，公路、铁路及市政部门已针对现有的隧道常见病害开展大量的研究，关宝树 针对隧道中出现的各类病害，出版了隧道工程检修的专著；陈志强等人利用相关原理对老营盘隧道的病害进行了调查研究，将现有的隧道病害诊治技术应用到工程实践中，取得了良好的效果。

但不同于公路、铁路等以钻爆法为主要施工工艺的岩石隧道，电力隧道多处于城区软弱土层中，施工工艺复杂、周边环境多变，从而使得投产后的隧道病害类型也可能与岩石隧道大相径庭。随着建设进程不断加快、投运数量不断增多，电力隧道的运营检修也必须面对不断增多的各类病害。

根据福州市和厦门市已建电力隧道的调查，并参考现有研究成果，电力隧道常见灾害类型可分为：渗漏水(水害)、衬砌裂损、隧道冻害、衬砌腐蚀、地震灾害和隧道火灾等六类。

2.1 结构渗漏水

由于城市多沿江或滨海而建，地下水位较高，电力隧道修筑在地下水位以下，故而结构渗漏水就成为了电力隧道的通病。

发生在电力隧道内的水害类型主要是渗漏水和涌水。隧道渗漏，按其发生的部位和流量可分为：隧道侧壁或顶部有渗水、滴水、漏水成线和成股射水四种，顶管隧道管节接缝渗漏水见图1。

图1 顶管隧道管节接缝渗漏水

隧道渗漏按水源补给情况，又分为地下水补给和地表水补给两种。地下水补给具有稳定的地下水源，其流量四季变化不大；地表水补给，其流量随地表水季节变化而变化。由于城市电力电缆隧道多处渗透地下水位以下，且周边地层的渗透性较强，故多为稳定地下水水源补给。

隧道水害对隧道结构稳定、洞内电力设施、运营检修安全、地面建筑及周边水环境产生诸多不良影响，甚至可能会危及隧道功能的实现。

2.2 结构裂损

隧道结构是承受周边地层压力、防止土体变形坍塌的工程主体建筑物。地层压力的大小，主要取决于工程地质条件和水文地质条件，同时也和结构施工方法及工程质量的好坏等因素有关。作用在隧道结构上的压力主要为土压力和水压力，特殊性岩土地区的隧道还存在膨胀压力和冻胀压力。

结构裂损的原因可能是由于勘察阶段对岩土体物理、力学参数取值有误，造成衬砌承受大于设计承载能力的荷载而破坏；也可能是由于设计衬砌选型不当，抑或是施工质量出现问题导致的。明挖隧道顶板裂缝见图2。

结构裂损可以分为横向裂纹、纵向裂纹和斜向裂纹，三种裂纹成因各异，但隧道结构裂损均破坏了隧道结构的稳定性，降低了结构的安全可靠性，其主要危害在于：

(1) 降低了衬砌结构的承载力；

(2) 使隧道净空减小，危及电缆使用空间；

图2 明挖隧道顶板裂缝

(3) 裂缝一般都伴生渗漏水，造成洞内设施锈蚀，在严寒地区还可能产生冻害；

(4) 影响电力隧道的正常运行，在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运营相互干扰，不仅施工效率低，而且施工风险也较大。

2.3 隧道冻害

隧道冻害是寒冷地区和严寒地区的隧道内水流和围岩积水冻结，引起隧道内部结构挂冰、隧道内网线设备挂冰、围岩冻胀、衬砌胀裂、水沟冰塞、线路冻起等，这些病害不仅影响到构筑物的安全，也可能会影响到电缆的正常运行。

隧道冻害与所在地区气温(低于0℃或正负交替)直接相关，气温变化冻融交替是主因。隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂，甚至疏松剥落，造成隧道结构的失稳破坏，降低结构的安全可靠性。

2.4 衬砌腐蚀

由于电力隧道需埋置于土层中，土层的地质条件千变万化，在腐蚀性环境中，地下水会沿着隧道结构的毛细孔、各类投料孔、变形缝及其他孔洞渗流到隧道内侧，成为隧道渗漏水，对混凝土结构产生物理性或化学性的侵蚀作用，造成衬砌腐蚀。

隧道结构腐蚀的主要因素有：混凝土质量和水泥的品种，渗流到结构内部的环境水含侵蚀性介质的种类和浓度，环境的温度和湿度等自然条件。

隧道衬砌腐蚀会使得混凝土变酥松，强度下降，降低隧道衬砌的承载能力，更会危及电缆支架等隧道附属结构和设备的安全。

2.5 地震灾害

地震是常见的自然灾害之一，对建筑结构会产生毁灭性的作用，但是由于隧道及其他地下建筑物得震害远不如地面建筑严重，因而人们对隧道抗震问题的重视程度也低于地面建筑物。

在2008年的汶川地震中，虽未有电力电缆隧道遭受地震灾害影响的直接报道，但一些公路、铁路隧道在地震中遭受了严重的破坏，出现了诸如则洞口被滑坡埋没、洞门裂缝变形、衬砌裂损和剥落，而且一旦被震坏，修复相当困难。

由于震害后果较为严重，基于对城市生命线的电力隧道结构安全的考虑，必须重视并采取积极措施预防地震灾害。

2.6 隧道火灾

电力电缆隧道发生火灾的主要原因多为电缆头过热烧穿绝缘或者长期负荷运行、受热、受潮等原因使得绝缘层破坏引起火灾，也可能由于接地故障电流引起火灾。目前暂时未查询到关于电缆烧坏引起的隧道火灾事故。

电缆隧道的火灾除了会造成电缆受损导致停电的施工外，还可能导致巡检人员遇险、隧道结构受损等灾害。

3 电力隧道病害防治

电力隧道的各种病害给电力线路的正常运营和安全都带来了影响，有时影响十分严重。而且，病害整治和电缆保持送电之间的矛盾突出，病害整治干扰正常运营，而病害整治在空间、时间和施工条件都局限的条件下进行，困难重重。因此，对隧道病害在认识的基础上，应以预防为主，必须在设计阶段就要采取措施，防治病害发生；另一方面，对出现的病害须查清病害原因，采取合理的措施进行整治，提高隧道病害整治的工程质量和经济效益。同时，还应反馈信息，改进和优化新建电力电缆隧道的设计方法和施工工艺。

3.1 隧道病害的防治原则

随着工程技术人员对隧道病害产生后果、病害机理认识的不断深化以及对环保和运营检修要求的不断提高，对隧道病害防治原则的认识也不断深化，趋于科学合理。隧道病害防治应坚持以“预防为主、重视监测、及时治理”原则，将病害治理的难度和成本降至最低。

以隧道防水为例，国家标准《地下工程防水技术规程》GB50108提出：地下工程防水的设计和施工应遵循“防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理”的原则，还提出地下工程的防水设计和施工必须符合环境保护的要求，并采取相应措施。

3.2 隧道病害的防治技术

较之20世纪国内各行业隧道建设和检修的无序，现有的隧道病害防治技术进步显著，特别表现在病害防治设计和施工趋于规范化，新材料和新技术不断出现，使得隧道病害防治的技术手段也越来越丰富，但对于电力隧道病害的预防及其治理，应注意以下几个方面的内容。

3.2.1 提高工程勘察深度

结构渗漏水、衬砌裂损、隧道冻害、衬砌腐蚀、地震灾害等，每一种病害的出现，均与隧道所在的工程地质条件和水文地质条件息息相关。隧道周边的工程地质条件和水文地质条件的准确与否，决定了隧道设计方案是否科学合理，也在某种程度上决定了各类隧道病害出现的几率。

工程地质勘察过程中，应严格按照规程规范要求对工程地质环境进行调查，并对每一个水文和土体的物理力学指标进行严格试验和分析，同时还必须将试验结果进行纵、横向的对比，了解周边地下环境的使用历史和规划情况，为工程设计提供准确无误的输入参数。

3.2.2 提高设计与施工质量

隧道病害的产生和发展，究其原因，是因为结构本体的承载和防护能力不能够满足周边地质或环境要求而造成的。这一矛盾的产生，除了周边地质环境或使用条件发生变化外，多是由于设计等级选择不能与设计条件相符或是工法选择不当、施工质量无法达到设计要求等建设过程因素导致。

为使隧道病害防治的设计和施工符合确保质量、技术先进、经济合理、安全适用的要求，国家和铁路、公路、市政等各行业部门都制定了相应的技术规范，规范隧道病害的设计与施工。电力隧道的设计和施工单位，应在满足设计规程要求的范围内合理选择隧道建设的工法，从源头上降低电力隧道各类病害的产生几率。

3.2.3 重视病害监测

隧道病害的产生大多是一个循序渐进的过程。在日常的运行检修过程中，应当加强巡检人员对隧道病害的辨别能力和数据采集能力，通过建立病害分类、制定监测指标等工作，以尽早发现，及时治理，可减少隧道病害的治理工作量和工作难度，同时也可大大节约治理成本。

3.2.4 重视防治理论及防治技术研究

由于隧道病害类型较多，成因各异，影响因素十分复杂，系统理论地研究有一定困难，但是，理论和机理研究是隧道病害治理的基础。以隧道衬砌渗漏水为例，不清楚隧道衬砌结构的渗漏成因及受其他条件影响的规律，设计则缺乏可靠性，因此加强对各类型隧道病害的产生机理、影响因素及影响规律的研究就显得极其重要。

随着材料科学的进步，许多新材料、新技术引入隧道病害防治，病害防治设计和施工有更多的选择。以隧道的防水为例，许多新型的性能优异的防水堵漏材料和柔性防水层今年来引入隧道防水。隧道病害的治理应积极响应并应积极开展对新材料和新技术的研究，丰富治理手段，提高治理技术。

应注意的是，电力电缆隧道的病害成因与市政、公路、铁路隧道有所不同，病害成因及防治方法的研究应具有相应的针对性。

4 结论

本文通过对现有电力隧道运营现状的调查及公路、铁路隧道现有病害类型研究成果，以常用电力电缆隧道工法为基础，分析可能存在的几种结构病害类型、成因及其危害，同时也提出了隧道病害防治的一些基本原则，得出以下结论：

(1) 城市电力隧道结构病害的类型主要包括隧道渗漏水、衬砌裂损、冻胀灾害、衬砌腐蚀、地震灾害、隧道火灾等6种。

(2) 电力隧道的病害治理应以预防为主，通过提高地质勘察精准度，提高设计和施工手段，降低病害出现的几率。

(3) 隧道病害的治理应在分析病害成因基础上，合理利用与隧道结构特点、功能及设防等级相一致的材料和技术。

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