望红线电力电缆隧道安全性评估

张廼龙，刘 洋，陈 杰，高 嵩，荆宇航

(1.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；2.哈尔滨工业大学 航天科学与力学系，黑龙江 哈尔滨 150001)

电力电缆隧道是容纳电缆数量较多、有供安装和巡视的通道、全封闭型的地下构筑物，也是较为常见的城市地下空间利用形态之一。随着城市建设的发展和用电负荷的增加，城市电力电缆隧道的规划和修建近年来也逐步加快，各地建设及投入使用的电力电缆隧道的数量和长度也日益增多，并且近年来电力电缆也被作为重要的部分被逐步纳入城市综合管廊的集约化建设中，或者依托城市地铁进行同期修建[1]。因此在这种情况下，准确快速的评估既有电力电缆隧道的安全性具有十分重要的现实意义。目前，国内学者对公路隧道，铁路隧道及地铁隧道等大型路基隧道进行了大量有价值的研究。贺金刚[2]通过分析西川隧道的工程地质及环境条件，得出西川隧道衬砌混凝土的腐蚀成因，并提出对衬砌混凝土的加固方法；刘会迎等[3]结合我国铁路隧道渗漏水的基本现状对隧道渗漏水成因和治理措施进行了研究，并提出了相应的治理措施；蒋晖光[4]基于FLAC软件,探究了某铁路隧道在不同脱空位置、不同脱空程度的情况下衬砌安全性影响,并结合实际工程制定了相应的整治方案；MENG等[5]利用Monte Carlo模拟和事故树相结合的方法定量描绘了公路隧道火灾事故风险评估模型；WU等[6]使用贝叶斯网络和德尔菲法对火灾发展过程中的风险后果问题进行了研究；然而，由于城市发展建设的加快，电力电缆隧道这一类小型隧道的研究也是亟待解决的。

针对上述问题，本文依托于江苏无锡太湖新城220 kV望红线56#～63#入地工程专项评估实例，借助有限元软件，探究既有电缆隧道的安全性影响，同时以隧道衬砌渗漏水、衬砌混凝土强度及隧道内离子浓度为依据，结合数值模拟分析结果，综合评估既有电缆隧道的安全性，为今后类似工程的安全性评估提供借鉴参考。

1 工程概况

望红线电力电缆隧道工程总长约2.63 km，位于城市主干道下方，途径两侧主要建筑物为学校、公园、高层住宅小区等，周边环境复杂。隧道所处位置为山区地貌，地下水资源丰富。

从地面到隧道顶部依次为：0～4.62 m为素填土；4.62～8.59 m为粉质粘土 ；8.59～15.24 m为圆砾、砾砂；15.24～21.76 m为中粗砂；21.76～24.35 m为强风化花岗岩；24.35～28.57 m为中风化花岗岩。新建电缆隧道工程穿越区域的地层主要为强风化花岗岩层，围岩分类为Ⅴ类,围岩岩性较差。

2 数值模拟

2.1 计算模型

计算采用ABAQUS有限元分析软件，围岩采用实体单元、摩尔-库伦模型、大变形模式来模拟，衬砌结构采用程序内置Shell单元、弹性模型进行模拟。计算采用地层-结构模型。计算模型选取范围:隧道断面左右两侧各取约4倍的隧道洞径，共计24 m长;该断面隧道埋深约10 m，竖直方向由隧道中心至下边界取约5倍洞径，共计15 m。顶部施加均布载荷。模型左右边界、前后边界和下部边界均施加法向位移约束[7]。

图1 模型示意

图2 电缆隧道典型断面

在研究过程中，为简化计算，对模型采用了如下假设:

(1)围岩视为均质单一的地层，认为围岩为各项同性的弹塑性材料;

(2)衬砌与围岩严格密贴，二者共同承载，共同变形;

(3)由于二次衬砌在水压力作用下的纵向变形不是本文着重考虑的问题，建立模型时不考虑二次衬砌纵向分布钢筋。

2.2 计算步骤

为正确评估既有电缆隧道结构的安全性，重点分析不同水压作用下应力变化、位移变化的变化规律，从而得到水压对隧道衬砌结构的影响，为实际工程提供参考。

计算采用先施加初始地应力，再施加静水压力的方法进行数值模拟计算。计算时，首先进行地应力的计算，之后将得到的地应力作为初始条件附加到静力计算，同时添加施加到衬砌结构的静水压力[8]，最后对整个结构进行模拟计算。计算参数中，对于注浆锚杆、型钢等支护措施采用提高围岩弹性模量、黏聚力和摩擦角的方法进行等效，拱顶外水压力为0.2 MPa。以隧道中心为原点，分别计算水头高度2 m，1 m，0 m，-1 m，-2 m，5种工况下衬砌的受力情况。

2.3 模型参数

依据计算假设，并参考JTGD70/2～2014《公路隧道设计规范》，计算模型参数的选取见表1。

表1 材料物理力学参数

2.4 安全系数的计算

根据TB10003-2005《铁路隧道设计规范》[9]中要求，利用混凝土偏心受压构件的破坏阶段进行衬砌强度的校验。将极限承载力N极限与数值计算所得的内力N计算进行对比，得到安全系数K，并与规范中要求的安全系数K规范进行比较

N极限/N计算=K≥K规范

(1)

在隧道结构上选取拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙、左墙脚、右墙脚、仰拱作为典型截面，提取计算中典型截面的弯矩、轴力，然后再依据公式计算安全系数(图2)。

3 结果分析

3.1 应力分析

从图3、图4可以看出: 既有电力电缆隧道在路面荷载的作用下，围岩应力主要集中在隧道左右边墙处，其中最大主应力值为1.17 MPa;隧道衬砌强度均满足混凝土强度设计规范。二次衬砌最大应力值随水头变化曲线见图5。有水压力时的最大应力值相对于无水压力的情况有大幅增加，且有水压力时最大应力值随水头的增加基本呈线性增长趋势。

图3 整体应力云图

图4 衬砌应力云图

图5 不同水头下最大应力值

3.2 位移分析

从图6、图7中可以看出:既有电力电缆隧道在路面荷载的作用下，围岩位移主要集中在隧道左右边墙处及拱顶与仰拱处，其中最大位移值为0.69 mm。二次衬砌最大位移值随水头变化曲线见图8，其趋势与最大应力随水头增加的变化趋势相似。

图6 整体位移云图

图7 衬砌位移云图

图8 不同水头下最大位移值

3.3 安全系数分析

表2为望红线电力电缆隧道衬砌的安全系数，由表可知,(1)边墙作为应力集中的部位，是衬砌结构受力的薄弱部位，其中边墙在路面荷载作用下安全系数最小，数值为6.26;(2)望红线电力电缆隧道衬砌的安全系数均远大于《铁路隧道设计规范》的限值2.4，说明望红线电力电缆隧道的衬砌结构在路面荷载作用下是安全的。

表2 衬砌安全系数分析

4 现场验证

为进一步验证望红线电力电缆隧道运营安全，我们根据项目的实际情况，针对望红线中SK1+043.70～SK1+040.26进行隧道衬砌渗漏水、衬砌混凝土强度及隧道内离子浓度调查，检测结果如下。

4.1 衬砌渗漏水检测

依据望红线隧道的渗漏水病害资料，对隧道的渗漏水病害现状进行了检测[10]；给出了隧道渗漏水病害调研所釆用的隧道渗漏水类型及渗漏水形态统计表。

表3 隧道渗漏水形态统计表/处

由表3可知，渗漏水病害中，发生涌流的概率很小，其它三种渗漏水形式基本病害出现状况均等；边墙处发生渗漏水病害的可能性最大，约为40%。由渗漏水检测标准可知，望红线隧道渗漏水情况属于正常情况。

4.2 衬砌混凝土强度检测

将回弹值无损检测结果与电缆隧道衬砌混凝土腐蚀后抗压强度试验数据进行回归分析[11]，建立电缆隧道衬砌混凝土受腐蚀后的测强公式。为研究隧道衬砌混凝土受腐蚀后的强度变化以及现场无损检测隧道衬砌混凝土的腐蚀程度提供理论依据和实际经验。

从表4中可以看出：多项式函数、线性函数、幂函数、指数函数四种拟合方程的相关系数都比较大，而且平均相对误差和相对标准差都复合回弹规程对误差的规定，说明回归方程有较好的相关性。从总体效果看，公式(1)回归效果较好，公式(2)(3)(4)回归效果次之。若考虑精度，建议选用公式(1)作为测强曲线；若考虑计算应用简便，建议选用公式(2)作为测强曲线。从而对混凝土的实际强度进行更准确的推算，进而保障最终数据的可靠性。

图9 回弹法测强公式回归

表4 回弹值与强度的一元回归结果

4.3 隧道内离子浓度检测

采用离子色谱仪对隧道中混凝土及水样本中阴阳离子的含量进行测试,在检测的过程中发现每个样品中都含有NH4+和Ca2+，在标准样品的谱图中，4.867 min、9.120 min和11.403 min三处的信号峰分别为NH4+、Mg2+和Ca2+的峰位，由峰面积与阴离子的浓度一一对应的关系，可以得知其它样品中未知样品NH4+、Mg2+和Ca2+的含量，如表5和表6所示。

望红线混凝土构件的钢筋锈蚀、保护层胀裂，主要是因为混凝土中氯离子含量偏高造成的。抹灰砂浆中氯离子含量偏高，导致混凝土中的氯离子含量增大，不同部位混凝土中钢筋保护层厚度的不同和抹灰砂浆厚度的不同是造成钢筋锈蚀程度不同的主要原因；另外钢筋的材质不均匀，抵抗氯离子的侵蚀能力也不同，对钢筋锈蚀程度不均匀也有影响。混凝土结构的钢筋界面处氯离子含量超过钢筋腐蚀临界值Ct，钢筋失去钝化保护，逐渐开始锈蚀，凿出钢筋发现已严重锈蚀。

综上，通过对隧道衬砌渗漏水、衬砌混凝土强度及隧道内离子浓度等检测结果进行综合评级，望红线电力电缆隧道衬砌安全等级评定为安全，对设备的正常运行及工作人员安全保障不会造成影响。

表5 阴离子测试结果

表6 阳离子测试结果

5 结论

本文采用ABAQUS有限元软件对望红线电缆隧道进行了数值模拟，同时以隧道现场检测结果作为验证，综合评估了望红线隧道的安全性，研究结果表明:

(1)边墙作为应力集中的部位，是衬砌结构受力的薄弱部位，同时在现场检测中边墙发生渗漏水的概率也是最大的。

(2)随水头高度的增加，衬砌结构的最大应力值与最大位移值呈线性增加。

(3)电缆隧道衬砌混凝土受腐蚀后的测强公式中，多项式的回归效果最好，精度最高。

(4)望红线混凝土构件的钢筋锈蚀、保护层胀裂，主要是因为混凝土中氯离子含量偏高造成的。

(5)望红线电力电缆隧道衬砌结构在目前运营状态下是安全的，对设备的正常运行及工作人员安全保障不会造成影响。