電力隧道實時健康監測系統設計與實測分析

馮雷

(上海滬申高速公路建設發展有限公司，上海市 200335)

電力隧道實時健康監測系統設計與實測分析

馮雷

(上海滬申高速公路建設發展有限公司，上海市 200335)

電力隧道一般修建于城市的主干道及中心區，周邊開發強度大，電力隧道在運營期容易受到近距離施工擾動影響，產生沉降與裂縫，嚴重危害到電力隧道的運營安全。通過對上海市已建的17條電力隧道進行現場調查，對電力隧道病害的現狀及原因進行統計分析，提出將隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及結構裂縫變化量作為電力隧道運營期的監測目標。針對上海電力隧道現有的三種不同結構類型（盾構，頂管，明挖）和電力設施安全運行要求，設計了電力隧道實時健康監測系統，實現了監測數據自動采集和數據管理。在楊高中路電力隧道進行了系統的安裝并實施了長期監測，并對現場實測數據進行分析。結果表明，設計的監測系統運行良好，監測數據靈敏可靠，能夠幫助管理人員對周邊施工做出及時反應，可以實時準確的評估結構安全狀態。

電力隧道；健康監測；系統設計；實測分析

0 引言

隨著上海城市建設的不斷發展，對電力的需求持續上升，大量的電力隧道應運而生，如2010年建成的世博電力隧道，從浦東新區500 kV三林變電站到靜安區500 kV世博變電站，隧道全長達到了15.25 km，最大隧道外徑為6.2 m。規劃中上海還將建設200多公里的電力隧道。

與此同時我們應該清楚的認識到電力隧道位于城市繁華主干道，周邊各種建設活動（深基坑開挖、新建隧道交叉穿越）頻繁，同時隨著隧道服役年限的增加，如不能對電力隧道進行針對性的保護，將會給城市用電安全帶來嚴重的威脅，容易造成惡劣的社會影響。

當前，針對地鐵隧道和公路隧道建設和運營期的健康監測系統在國內外已有很多研究和應用[1-3]，而對于電力隧道系統則多是針對電力電纜本體以及附屬電力設施的保護研究[4、5]，專門針對各類電力隧道結構安全運行監控方面的研究工作還相對滯后，缺乏可靠的保護指標與有效的監控手段，因此對電力隧道的監測保護標準進行專門研究，在此基礎上建立電力隧道結構安全運行監測系統具有重要的社會與經濟意義。

1 電力隧道結構特征及常見病害

1.1 電力隧道結構特征

電力隧道與地鐵隧道和公路隧道不同，內部運行的電力電纜及其附屬電力設施對水非常敏感。在上海電力隧道的實際運營中，出現過隧道內附屬電力設備被水淹沒損壞的事故，嚴重影響了城市電網的安全運營，因此，電力隧道結構防水要求高。

電力隧道內部的高壓電纜通常采用內部充油的方式來保證電纜絕緣，若隧道高差過大，或曲率半徑過小，會導致油壓過大，電纜保護層爆裂，因此，電力隧道的高差及曲率半徑控制更加嚴格。

電力隧道距離一般較短，但結構形式多樣。上海市現有的電力隧道，按結構施工方法分為明挖法、頂管法、盾構法3種，按截面形式分為矩形和圓形隧道2種。多樣的結構形式給制定統一的電力隧道監測保護標準帶來困難。

電力隧道的建設環境一般位于城市的主干道及中心區，周邊地塊開發強度大，電力隧道在運營期易受到近距離施工擾動。電力隧道周邊較常見的近距離施工包括基坑開挖工程、近距離穿越工程、上方打樁工程、上方大面積堆載等。因此，減少和控制周邊環境變化及近距離施工對已建電力隧道結構的影響，是保障電力隧道安全的重點。

1.2 電力隧道主要病害形式

電力隧道內部滲漏水和積水，是上海電力隧道運營期最常見的病害形式。各種結構類型的電力隧道，其滲漏水和積水位置不盡相同。

常見的滲漏水位置有：（1）工作井或檢修井；（2）工作井與區間隧道接頭；（3）混凝土接縫、管片或管段接頭；（4）混凝土、管片或管段裂縫；（5）注漿孔；（6）螺栓孔。

常見的積水位置有：（1）工作井或檢修井、接頭區；（2）工作井與區間隧道接頭附近；（3）區間隧道。典型電力隧道內部滲漏水和積水情況如圖1所示。

圖1 電力隧道內部滲漏水和積水情況

同時，由于隧道內部出現滲漏水和積水情況，很容易使隧道襯砌外的腐蝕性物質如氯離子、硫酸鹽從滲漏水位置流入，從而導致隧道襯砌材料產生劣化。隧道結構若經常處于潮濕、滲漏水、積水狀態，也必然會導致電力隧道內的附屬鋼構件銹蝕、電纜侵蝕現象，給電力隧道的維護管理帶來困難，也給電力隧道正常運營埋下了極大的隱患。電力隧道內部腐蝕情況如圖2所示。

圖 2電力隧道內部腐蝕情況

對上海電網17條電力隧道內部的滲漏水、積水、結構腐蝕以及附屬設施腐蝕等病害現象進行統計，17條隧道中有15條隧道存在滲漏水、積水現象，其比例達到了88.2%；有11隧道出現隧道結構及附屬構件、設備的腐蝕現象，其比例達到了64.7%。電力隧道內部病害詳細統計結果見表1。

表1 上海電網電力隧道病害統計

2 電力隧道實時健康監測系統總體方案

2.1 監測系統組成

結合當前上海電力隧道調研和統計以及其他運營資料分析，配合電力隧道日常管理要求，提出隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及混凝土裂縫變化量為上海電力隧道結構運營安全管理的主要監測指標。

電力隧道實時健康監測系統包括硬件系統、軟件系統和運營管理等三個部分，整體構成框架如圖3所示。自動實時健康監測系統主要由以下6個子系統組成：

（1）不均勻沉降監測系統（由靜力水準儀組成）；

（2）管片接頭張開量監測系統（由裂縫計組成）；

（3）結構裂縫監測系統（由裂縫計組成）；

（4）自動化數據采集系統（由數據采集儀組成）；

（5）無線通信系統（由無線通信模塊組成）；

（6）遠程控制、監測信息及數據管理、數據圖形分析系統（由相關軟件組成）。

圖3 實時健康監測系統總體構成框架

2.2 監測內容與儀器布置

電力隧道實時健康監測的監測內容包括：不均勻沉降、接頭張開量、結構裂縫監測。根據盾構、頂管、明挖三種不同施工方法電力隧道的結構形式特點分別設置監測點，監測結構的沉降和變形，確保隧道健康運營。

縱向不均勻沉降是是判斷電力隧道結構和周圍地層穩定性的重要指標，其監測結果能反映電力隧道在運營過程中產生的累積不均勻沉降，因此，不均勻沉降監測是電力隧道健康監測的一項重要內容。由于管段接頭剛度遠小于結構本身的剛度，周邊地層發生不均勻沉降時，接頭的錯位變形會遠大于隧道管段的變形，因此，盾構法和頂管法電力隧道不均勻沉降的監測點主要布置在電力隧道結構接頭附近。而明挖法電力隧道的不均勻沉降的監測點則布置在結構沉降縫附近。所有縱向不均勻沉降監測點均布置于隧道同一側，監測點間距為25 m，高程相差較大處設置轉點。

盾構法和頂管法電力隧道管段接頭是隧道結構的薄弱環節，是電力隧道內部滲漏水的高發部位，接頭張開量變化是反映接頭壽命和電力隧道結構防水性能的重要指標。對接頭張開量進行實時監測才能把握當前管片接頭是否存在安全隱患，提前對接頭防水安全進行預警，及時采取處理措施，防止引發大型災害事故。電力隧道接頭水平張開量監測，監測點布置于管片接頭處，每個斷面在隧道拱頂及兩側設置監測點，全面監測結構接頭張開量變化情況。監測斷面間距為25 m。

相比預制管段，明挖法電力隧道的現澆結構現場施工質量相對較差，因此，除了結構沉降縫位置需監測張開量變化外，結構本身產生的裂縫易成為滲水路徑，進而影響結構安全，也需布置監測點，嚴密監測。監測斷面根據現場人工調查確定，每個斷面在隧道頂部及兩側布置監測點。

電力隧道監測斷面儀器布置如圖4和圖5所示。

圖4 盾構法和頂管法電力隧道監測斷面布置，圖中A、B、C為裂縫計；F為靜力水準儀

圖5 明挖法電力隧道監測斷面布置，圖中A、B、C為裂縫計；F為靜力水準儀

3 電力隧道實時健康監測儀器設備

3.1 縱向不均勻沉降監測

電力隧道縱向不均勻沉降采用靜力水準儀進行監測，根據連通器原理，參照點容器安裝在一個穩定的位置，其它測點容器位于同參照點容器大致相同標高的不同位置，任何一個測點容器與參照容器間的高程變化都將引起相應容器內的液面變化，從而獲取測點相對于參照點高程的變化，最小可監測到0.03 mm的高程變化。本系統采用的靜力水準儀如圖6（a）所示。

3.2 接頭張開量和裂縫監測

電力隧道管片接頭張開量和結構裂縫變化量采用振弦式表面裂縫計進行監測。振弦式表面裂縫計適合安裝在結構物表面，可在惡劣環境下長期監測結構裂縫和接縫的開合度。兩端的球形萬向節允許一定程度的剪切位移，最低可監測到0.05 mm的開合變化。本系統采用的裂縫計如圖6（b）所示。

圖6 電力隧道健康監測儀器

3.3 數據采集單元

電力隧道現場儀器的監測數據，采用分布式網絡測量單元進行采集，測量單元內置混合式智能測量模塊，可測量振弦式、差阻式、標準信號、電位計、電阻應變片等各種類型的傳感器。模塊本身具有8個測量通道，每個通道均可接入一支完整的傳感器，通過通道擴展模塊，最多可實現40個通道的測量。各通道均裝有防雷器件，可有效消除或減少因雷擊對設備造成的損壞。測量單元如圖7所示。

圖7 分布式網絡測量單元

3.4 無線通信模塊

電力隧道監測位置分布在城市不同區域，距離控制中心較遠，監測儀器采集的數據通過無線方式實時傳輸回電力隧道運營控制中心。監測現場的設備通訊接口端安裝一臺無線通信模塊，現場的多個設備時可使用有線連接。用戶監控主機只需通過INTERNET網絡與中心端連接，即可獲得監測現場設備采集的實時數據，并可以對現場儀器狀態進行查詢，設置，重啟等操作。無線通信方式如圖8所示。

圖8 無線通信示意圖

4 電力隧道實時健康系統實測分析

4.1 工程背景

楊高中路電力隧道工程是為了解決浦東地區架空高壓線入地的一項景觀工程，全長3 180 m，共設10座工井，于2006年投入運營。隧道采用Φ3000非開挖頂管技術建造，管材為Φ3000鋼承口式鋼筋混凝土管，隧道內每15節管節設置一條變形縫，每管節接縫均采用封閉鋼環焊接。

在隧道巡檢人員的巡查過程中，發現9#工作井～10#工作井區間出現明顯塌陷，素混凝土墊層與管節結構變形脫開，產生較多細小裂縫，并伴有滲漏現象，需要進行注漿加固處理。為了保證電力電纜設施的安全運行，需要在隧道注漿加固過程中嚴格監控隧道變形狀態，因此，在現場詳細勘察基礎上，安裝了電力隧道實時健康監測系統。

4.2 測點布置

整個監測系統位于9#工作井與10#工作井之間，在加固范圍內及沉降影響較大區域，設置了S0～S12共13個不均勻沉降監測點；同時在S1、S3、S5、S7、S10斷面的兩側壁及拱頂，進行接頭張開量監測，共設置15個接頭張開量測量點，如圖9所示。

圖9 9#—10#監測斷面布置圖

4.3 實測數據分析

本次監測周期共計177 d。斷面1、斷面10的不均勻沉降監測數據和接頭張開量監測數據如圖10～圖13所示。

圖10 斷面1沉降變化曲線

圖11 斷面1接頭張開量變化曲線

圖12 斷面10沉降變化曲線

圖13 斷面10接頭張開量變化曲線

通過對每次注漿加固施工進行跟蹤監測，可以明顯看出，注漿會引起隧道的顯著抬升，抬升量約為1 mm～2 mm,然后由于注漿壓力消散，會出現一個較長的下降段。注漿引起沉降突變的同時，隧道接縫張開量亦會相應發生明顯變化。

監測數據顯示，在監測第127 d前后，電力隧道各監測斷面發生異常沉降變化，其中靠近S1斷面沉降變化較小，為1.486 mm；靠近S10斷面沉降變化較大，最大差值為49.675 mm，相應S10斷面兩側壁的接頭張開量也發生明顯的變化，最大值0.691 mm。緊急進行現場查勘發現，9#-10#電力隧道上方，靠近S10斷面附近，高壓走廊景觀改造項目進行了土方開挖，其最大開挖土方高度約3.5 m，并有重型土方車碾壓，造成了電力隧道結構的突沉與抬升。經聯系施工方停止施工后，各斷面不均勻沉降和接頭張開量都恢復穩定。

5 結論

電力隧道結構健康監測工作具有重要的意義，本研究設計開發了電力隧道實時健康監測系統，實現了現場數據自動采集傳輸與管理。在楊高中路電力隧道加固施工過程中，進行了系統的安裝并實施了長期監測，并對現場實測數據進行了分析。結果表明，監測系統采用的硬件和開發的軟件運行良好，監測數據靈敏可靠，可以實時準確的評估結構安全狀態。主要結論如下：

（1）調查了上海市已建的17條電力隧道，隧道滲漏水和內部結構腐蝕是電力隧道主要病害，提出隧道縱向不均勻沉降、接頭張開量以及混凝土裂縫變化量為上海電力隧道結構運營安全管理的主要監測指標。

（2）基于現場調研和統計分析，參考相關標準，選用靜力水準儀和振弦式表面裂縫計監測電力隧道結構變形。在隧道管段接頭附近布設監測斷面，每個斷面布置一臺靜力水準儀和三臺裂縫計，可實時掌握隧道結構的微小變形情況。

（3）分析了楊高中路電力隧道9#～10#監測時期內的隧道不均勻沉降和接頭張開量變化數據。實測數據很好的反應了結構變形情況，幫助管理人員對周邊施工及時反應，避免破壞性施工發生，充分證明了系統的靈敏度和可靠性，完全能夠滿足電力隧道結構健康監測的要求，為電力隧道安全運營和管理提供依據。

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U456.3

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1009-7716（2017）08-0194-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.060

2017-05-21

馮雷（1983-），男，河北秦皇島人，博士，工程師，主要從事隧道與地下工程、市政道路工程、高速公路工程方面的建設管理與研究工作。