特高压电力水下综合管廊的健康状态检测及评估

马文亮 刘贞瑶 王荣 高鹏 杭嵘

(国网江苏省电力有限公司检修分公司 南京 210000)

引言

管廊是城市的重要基础设施，常用的施工方法有明挖法和暗挖法，在跨江河湖海的水下管廊的建设中，盾构法是常用的施工方法。水下盾构法管廊隧道工程施工复杂，工程地质条件和岩土工程问题不明确，工程建设施工难度较大，面临的岩土工程问题较多，尤其是对于特高压水下管廊工程的运营期，其健康状态是保障管廊工程安全运营的重要条件，对其进行评估具有十分重要的意义。

袁勇等对盾构隧道结构检测与服役性能鉴定方法进行了研究，提出了结构服役状态划分的标准、系统的结构检测与服役性能鉴定程序[1]。姚旭朋对隧道结构前摄性维护理论进行了研究，为盾构隧道的检测及评估标准和程序的制定提供了依据[2]。刘涛对打浦路过江盾构隧道的耐久性评估进行了研究，分析了隧道结构的耐久性退化机理[3]。刘学增等对粉土层越江盾构隧道结构受力演化进行了分析，利用粉土层隧道结构长期安全变形控制指标，制定了安全评价分级标准[4]。林盼达等对运营盾构隧道结构安全评估方法进行了研究，使用模糊评价法建立了安全评价体系[5]。综上可知，对于盾构隧道的评估已经开展了较多的研究，主要针对直径6m左右的盾构隧道。

虽然特高压水下综合管廊工程的隧道结构设计和施工方法与公路、铁路、地铁隧道具有相似的原理，但是由于特高压水下综合管廊多处于复杂的地质条件、高水压力的作用下，并且周围环境较为复杂，使其健康状态特点与其他类型隧道结构有所不同。目前，综合管廊的检测及评估方法研究相对较少，尤其是对于特高压电力水下综合管廊，尚没有建立全面的检测、分析及评估体系。因此，本文对特高压电力水下综合管廊的检测方法进行分析探讨，明确其健康指标，对健康状态评估方法和标准进行研究，依托实际工程，建立针对特高压电力水下综合管廊工程隧道结构的评估程序及方法，为综合管廊的检测、评估及养护工作提供一定的依据。

1 特高压水下综合管廊健康状态评估方法

目前特高压水下综合管廊多使用盾构法修建隧道，采用预制拼装管片衬砌结构，因此本文针对盾构法修建的特高压水下综合管廊，将隧道结构抽象为若干个评估指标，采用层次分析法建立评估指标体系，使用层次分析法确定各指标权重，采用模糊综合评判方法建立评估模型，对管廊的健康状态进行评估。

1.1 健康状态评估指标体系

特高压水下综合管廊隧道衬砌的健康状态反映的是隧道结构的损伤或破损状态，以及可能对隧道结构安全造成威胁的各种病害程度。结合水下盾构隧道的经验，结构破损形态主要有衬砌裂缝、衬砌起层、剥落等；病害主要有渗漏水、衬砌背后空洞、衬砌材质劣化、衬砌变形等。

1.管片裂缝

裂缝涉及位置、宽度、长度、深度、发展性、密度、方向等方面。目前交通隧道多采用综合裂缝长度和宽度进行判定，因此可采用裂缝长度、宽度及深度作为主要评估指标。

2.渗漏水

渗漏水可采用渗漏部位、渗水压力、渗漏流量、渗漏状态、pH值等指标来反映。由于快速检测中无法直接获取渗水压力和渗漏流量，因此采用渗漏面积和pH值作为主要评估指标。

3.管片错台

管片错台主要表现在管片纵向错动、环向压缩和刚体转动。其中接头刚度是相互错动和刚体转动的主要影响因素，因此选取曲率半径和接头张开量确定管片错台评估指标，但曲率半径需结合检测或监测数据，使用建立的考虑接头刚度影响的曲率半径计算公式得到[5]。从可操作性及简便性的角度考虑，本文采用错台量及接缝张开量作为主要评估指标。

4.断面变形

盾构隧道的横向断面变形采用椭圆度来反映。

5.评估指标体系的建立

考虑特高压电力水下综合管廊的地质环境和施工方法，使用层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)建立其健康状况评估指标体系。按照病害成因和递阶层次分析模型，建立的评估指标体系如图1所示。评估指标体系分为三层，第一层为目标层，即特高压电力水下综合管廊健康状态;第二层为准则层，由可能影响特高压水下综合管廊隧道衬砌健康状态的9个因素组成;第三层为指标层，由可能影响准则层的14个指标组成。

图1 健康状态综合评估指标体系Fig.1 Healthcondition evaluation index system

基于水下盾构隧道的研究和盾构隧道规范或标准，在满足特高压水下综合管廊使用要求条件下，确定了特高压水下综合管廊的评估指标的判定标准。

表1 评估指标的评价标准Tab.1 Evaluation criteria of indexes

1.2 健康状态评估

上述评估指标体系是一个三层指标体系，如图1所示，因此采用两级模糊综合评价模型。首先对准则层各因素进行一级模糊综合评价，再对目标层进行二级模糊综合评价，得到隧道结构的健康状态评估结果。具体的参数及主要步骤如下：

(1)建立评估指标集

根据隧道结构健康状态诊断指标体系，得其评估指标集为：

C={C1，C2，…,C14}

(1)

式中：Ci对应指标层的各评估指标。

(2)建立评语等级集合

以上建立的各种健康指标的判定标准，基本都是4级判定标准，利用管廊隧道健康状态等级标准和各评估指标的判定标准，得评语等级集合为：

V={v1,v2,v3,v4}

(2)

式中：v1、v2、v3、v4分别表示健康等级A、B、C、D。

(3)确定单因素评价矩阵

利用隶属函数Ci建立指标对评语集合V的隶属向量Rci：

Rci=(rci1,rci2,rci3,rci4),i=1,2,…,14

(3)

由隶属向量Rci即可建立准则层各因素的单因素评价矩阵R′bi。

(4)一级模糊综合评价

采用加权平均型模糊综合评估模型，得到准则层各因素对评语集合V的隶属向量Rbi：

Rbi=ωbiR′bi

(4)

(5)二级模糊综合评价

由相应的权重向量和单因素评估矩阵Rbi可得二级模糊综合评估结果Z：

(5)

(6)衬砌健康状态量化标准

分别对评语赋值，得到健康值F：

(6)

对于交通隧道的健康状态评估等级，国内外划分标准较多，且不统一,尚缺少综合管廊的评估等级标准。基于水下盾构隧道的研究和相关规范[1-6]，使用四级划分法，根据上述模糊综合评价模型计算结果F的大小，进行综合管廊健康状态的分级，如表2所示。

表2 特高压水下综合管廊的健康等级Tab.2 Health Condition grade of underwater utility tunnel

2 苏通GIL管廊健康状态检测及评估

2.1 工程概况

淮南-南京-上海1000kV交流特高压输变电工程苏通GIL管廊工程，由两岸引接站和GIL 管廊组成，其中管廊采用盾构隧道方案。工程主要包括江南工作井(含辅助建筑)及施工通道、江北工作井(含辅助建筑)和江中盾构隧道土建工程，如图2a所示。盾构段长度为5468.5m，目前这条管廊已使用1年时间。

隧道外径11.6m，隧道内净空10.5m，管廊横断面示意如图2b所示。盾构段采用单层衬砌、平板型管片，管片厚度0.55m，管片环宽2m。采用通用楔形环，双面楔形，楔形量为36mm。管片采用“7+1”的分块模式，错缝拼装，直螺栓连接。管片采用C60高性能耐蚀混凝土，混凝土抗渗等级P12。

图2 苏通GIL管廊工程Fig.2 General layout of Sutong GIL pipe gallery project

工程位于长江三角洲近前缘地带，具河口段沉积物特点。南岸工作井盾构始发端头所处地层主要为③1淤泥质粉质粘土、③2粉砂、③3淤泥质粉质粘土、③4粉质粘土与粉土互层、③5淤泥质粉质粘土。潜水含水层主要赋存于浅部地层中的填土、粘性土、砂性土和粘性土的粉土夹层中。④2粉土为微承压含水层，⑤1粉细砂～⑧1中粗砂为承压水含水层。

2.2 健康状态检测

针对特高压苏通GIL管廊的施工方法及使用要求，并依据《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》(DG TJ08-2123-2013)[6]和《城市综合管廊工程技术规范》(GB50838-2015)[7]制定检测方案，开展了外观检测、隧道表观病害检测、隧道结构性能检测、混凝土强度检测及隧道使用性能检测。

1.外观质量检测

外观质量检测包括管片破损、接缝、防水、错台检测。三维激光扫描仪检测结果如图3所示。总的来看，隧道外观质量良好。

图3 31～40环东侧正射影像Fig.3 Eastern orthophoto from 31st to 40th segment

2.隧道表观病害检测

表观病害主要检测管片破损、接缝、裂缝、渗漏、螺栓5个项目。隧道全长范围内共发现管片缺陷183处，包括管片破损、表面粘皮和区域疏松等缺陷，如图4和图5所示；管片接缝有嵌缝胶破损、弯曲、起鼓等缺陷；未发现管片裂缝、渗漏、螺栓病害。

图4 表面破损Fig.4 Surface damage

图5 棱角破损Fig.5 Corner damage

3.隧道结构性能检测

(1)椭圆度

采用《盾构法隧道结构服役性能鉴定规范》[6]建议的椭圆度±6‰作为标准。不同管片环的椭圆度如图6所示。可以看出，在所检测的143环管片中，椭圆度均低于±6‰。最大椭圆度发生在第2705环管片，数值为4.02‰。在最大环间错台和环内错台发生的位置，管片的椭圆度满足要求。结合其他病害检测资料，表明当椭圆度小于6‰时，管片无渗漏水、管片裂缝等病害出现，管片损伤较小。

图6 椭圆度分布Fig.6 Ellipticity distribution

(2)直径收敛

《地铁隧道设计规范》(GB 50157-2013)[8]中要求管片直径累计变化量小于5‰D，D为盾构隧道外径；南京地区监测及养护实践经验表明，直径收敛报警值为60mm[9]；对于水下盾构隧道，从防水角度来说，接头的张开量控制更为严格，因此本文采用控制更为严格的4‰D(46mm)作为允许值。

水平直径收敛如图7所示。可以看出，在检测的143环管片中，水平直径收敛值均低于允许值，最大值为16mm。

图7 直径收敛分布Fig.7 Diameter convergence distribution

(3) 错台

管片的最大环内错台量为14.99mm，发生在第144环管片；最小错台值为0.67mm，发生在第120管片。在环内错台抽检的268环中，其中有43环超过规范允许偏差(10mm)，管片环内错台量如图8所示。管片的最大错台值为15.15mm，发生在第2056环和第2057环管片之间；最小错台值为1.06mm，发生在第401～402环管片；在环间错台抽检的274环中， 其中有1环超过规范允许偏差(15mm)，如图9所示(如横坐标500，代表500～501环的环间错台)。

图8 环内错台分布Fig.8 Ring dislocation distribution

图9 环间错台分布Fig.9 Inter ring dislocation distribution

(4)管片混凝土强度

南岸抽检的44环管片的混凝土强度最小值为72.3MPa；北岸抽检的32环管片的混凝土强度最小值为70.1MPa，均满足设计要求。

2.3 苏通GIL管廊隧道健康状态评定

基于以上建立的模糊综合评估模型，包含9个一级指标和14个二级指标的层次结构模型，并将评价结果分为4个健康状态等级。首先采用乘积标度法计算各级指标权重向量，如表3所示；其次利用正态型函数的隶属度函数式(3)进行单因素模糊评价，采用主因素突出型模糊算子进行计算；通过二级和一级模糊综合评价式(4)、式(5)，最后代入式(6)计算得到目标层特高压苏通GIL管廊的健康状态值F为1.1，表示隧道健康状态良好，属于正常状态，对管廊的运营没有影响，正常进行定期检测或监测即可。

表3 模糊综合评价权重Tab.3 The weight of fuzzyevaluation

3 结语

本文对特高压电力水下综合管廊健康状态的检测和评估方法进行了研究。首先分析了特高压电力水下综合管廊的病害和产生原因，确定了健康状态评估的各项指标，建立了其评估指标体系及单一评估指标的判定标准。然后基于层次分析法和模糊综合评判法，建立了适用于特高压水下综合管廊健康状态评估方法，对管廊提出了定量化的健康状态评估，可以用于管廊检测及养护工作。最后对特高压苏通GIL综合管廊健康状态进行检测，发现管片存在表面轻微破损或疏松，未发现渗漏水和裂缝，隧道直径收敛、椭圆度均在安全范围内，存在少数错台。基于本文评估方法，得出了特高压苏通GIL综合管廊结构健康状态良好，处于正常状态。供其他类似工程参考。