特高壓電力水下綜合管廊的健康狀態(tài)檢測及評估

馬文亮 劉貞瑤 王榮 高鵬 杭嶸

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司 南京 210000)

引言

管廊是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)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設(shè)中，盾構(gòu)法是常用的施工方法。水下盾構(gòu)法管廊隧道工程施工復(fù)雜，工程地質(zhì)條件和巖土工程問題不明確，工程建設(shè)施工難度較大，面臨的巖土工程問題較多，尤其是對于特高壓水下管廊工程的運營期，其健康狀態(tài)是保障管廊工程安全運營的重要條件，對其進行評估具有十分重要的意義。

袁勇等對盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)檢測與服役性能鑒定方法進行了研究，提出了結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)劃分的標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)檢測與服役性能鑒定程序[1]。姚旭朋對隧道結(jié)構(gòu)前攝性維護理論進行了研究，為盾構(gòu)隧道的檢測及評估標(biāo)準(zhǔn)和程序的制定提供了依據(jù)[2]。劉濤對打浦路過江盾構(gòu)隧道的耐久性評估進行了研究，分析了隧道結(jié)構(gòu)的耐久性退化機理[3]。劉學(xué)增等對粉土層越江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力演化進行了分析，利用粉土層隧道結(jié)構(gòu)長期安全變形控制指標(biāo)，制定了安全評價分級標(biāo)準(zhǔn)[4]。林盼達等對運營盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全評估方法進行了研究，使用模糊評價法建立了安全評價體系[5]。綜上可知，對于盾構(gòu)隧道的評估已經(jīng)開展了較多的研究，主要針對直徑6m左右的盾構(gòu)隧道。

雖然特高壓水下綜合管廊工程的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工方法與公路、鐵路、地鐵隧道具有相似的原理，但是由于特高壓水下綜合管廊多處于復(fù)雜的地質(zhì)條件、高水壓力的作用下，并且周圍環(huán)境較為復(fù)雜，使其健康狀態(tài)特點與其他類型隧道結(jié)構(gòu)有所不同。目前，綜合管廊的檢測及評估方法研究相對較少，尤其是對于特高壓電力水下綜合管廊，尚沒有建立全面的檢測、分析及評估體系。因此，本文對特高壓電力水下綜合管廊的檢測方法進行分析探討，明確其健康指標(biāo)，對健康狀態(tài)評估方法和標(biāo)準(zhǔn)進行研究，依托實際工程，建立針對特高壓電力水下綜合管廊工程隧道結(jié)構(gòu)的評估程序及方法，為綜合管廊的檢測、評估及養(yǎng)護工作提供一定的依據(jù)。

1 特高壓水下綜合管廊健康狀態(tài)評估方法

目前特高壓水下綜合管廊多使用盾構(gòu)法修建隧道，采用預(yù)制拼裝管片襯砌結(jié)構(gòu)，因此本文針對盾構(gòu)法修建的特高壓水下綜合管廊，將隧道結(jié)構(gòu)抽象為若干個評估指標(biāo)，采用層次分析法建立評估指標(biāo)體系，使用層次分析法確定各指標(biāo)權(quán)重，采用模糊綜合評判方法建立評估模型，對管廊的健康狀態(tài)進行評估。

1.1 健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系

特高壓水下綜合管廊隧道襯砌的健康狀態(tài)反映的是隧道結(jié)構(gòu)的損傷或破損狀態(tài)，以及可能對隧道結(jié)構(gòu)安全造成威脅的各種病害程度。結(jié)合水下盾構(gòu)隧道的經(jīng)驗，結(jié)構(gòu)破損形態(tài)主要有襯砌裂縫、襯砌起層、剝落等；病害主要有滲漏水、襯砌背后空洞、襯砌材質(zhì)劣化、襯砌變形等。

1.管片裂縫

裂縫涉及位置、寬度、長度、深度、發(fā)展性、密度、方向等方面。目前交通隧道多采用綜合裂縫長度和寬度進行判定，因此可采用裂縫長度、寬度及深度作為主要評估指標(biāo)。

2.滲漏水

滲漏水可采用滲漏部位、滲水壓力、滲漏流量、滲漏狀態(tài)、pH值等指標(biāo)來反映。由于快速檢測中無法直接獲取滲水壓力和滲漏流量，因此采用滲漏面積和pH值作為主要評估指標(biāo)。

3.管片錯臺

管片錯臺主要表現(xiàn)在管片縱向錯動、環(huán)向壓縮和剛體轉(zhuǎn)動。其中接頭剛度是相互錯動和剛體轉(zhuǎn)動的主要影響因素，因此選取曲率半徑和接頭張開量確定管片錯臺評估指標(biāo)，但曲率半徑需結(jié)合檢測或監(jiān)測數(shù)據(jù)，使用建立的考慮接頭剛度影響的曲率半徑計算公式得到[5]。從可操作性及簡便性的角度考慮，本文采用錯臺量及接縫張開量作為主要評估指標(biāo)。

4.斷面變形

盾構(gòu)隧道的橫向斷面變形采用橢圓度來反映。

5.評估指標(biāo)體系的建立

考慮特高壓電力水下綜合管廊的地質(zhì)環(huán)境和施工方法，使用層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)建立其健康狀況評估指標(biāo)體系。按照病害成因和遞階層次分析模型，建立的評估指標(biāo)體系如圖1所示。評估指標(biāo)體系分為三層，第一層為目標(biāo)層，即特高壓電力水下綜合管廊健康狀態(tài);第二層為準(zhǔn)則層，由可能影響特高壓水下綜合管廊隧道襯砌健康狀態(tài)的9個因素組成;第三層為指標(biāo)層，由可能影響準(zhǔn)則層的14個指標(biāo)組成。

圖1 健康狀態(tài)綜合評估指標(biāo)體系Fig.1 Healthcondition evaluation index system

基于水下盾構(gòu)隧道的研究和盾構(gòu)隧道規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，在滿足特高壓水下綜合管廊使用要求條件下，確定了特高壓水下綜合管廊的評估指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)。

表1 評估指標(biāo)的評價標(biāo)準(zhǔn)Tab.1 Evaluation criteria of indexes

1.2 健康狀態(tài)評估

上述評估指標(biāo)體系是一個三層指標(biāo)體系，如圖1所示，因此采用兩級模糊綜合評價模型。首先對準(zhǔn)則層各因素進行一級模糊綜合評價，再對目標(biāo)層進行二級模糊綜合評價，得到隧道結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)評估結(jié)果。具體的參數(shù)及主要步驟如下：

(1)建立評估指標(biāo)集

根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)診斷指標(biāo)體系，得其評估指標(biāo)集為：

C={C1，C2，…,C14}

(1)

式中：Ci對應(yīng)指標(biāo)層的各評估指標(biāo)。

(2)建立評語等級集合

以上建立的各種健康指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，基本都是4級判定標(biāo)準(zhǔn)，利用管廊隧道健康狀態(tài)等級標(biāo)準(zhǔn)和各評估指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)，得評語等級集合為：

V={v1,v2,v3,v4}

(2)

式中：v1、v2、v3、v4分別表示健康等級A、B、C、D。

(3)確定單因素評價矩陣

利用隸屬函數(shù)Ci建立指標(biāo)對評語集合V的隸屬向量Rci：

Rci=(rci1,rci2,rci3,rci4),i=1,2,…,14

(3)

由隸屬向量Rci即可建立準(zhǔn)則層各因素的單因素評價矩陣R′bi。

(4)一級模糊綜合評價

采用加權(quán)平均型模糊綜合評估模型，得到準(zhǔn)則層各因素對評語集合V的隸屬向量Rbi：

Rbi=ωbiR′bi

(4)

(5)二級模糊綜合評價

由相應(yīng)的權(quán)重向量和單因素評估矩陣Rbi可得二級模糊綜合評估結(jié)果Z：

(5)

(6)襯砌健康狀態(tài)量化標(biāo)準(zhǔn)

分別對評語賦值，得到健康值F：

(6)

對于交通隧道的健康狀態(tài)評估等級，國內(nèi)外劃分標(biāo)準(zhǔn)較多，且不統(tǒng)一,尚缺少綜合管廊的評估等級標(biāo)準(zhǔn)?；谒露軜?gòu)隧道的研究和相關(guān)規(guī)范[1-6]，使用四級劃分法，根據(jù)上述模糊綜合評價模型計算結(jié)果F的大小，進行綜合管廊健康狀態(tài)的分級，如表2所示。

表2 特高壓水下綜合管廊的健康等級Tab.2 Health Condition grade of underwater utility tunnel

2 蘇通GIL管廊健康狀態(tài)檢測及評估

2.1 工程概況

淮南-南京-上海1000kV交流特高壓輸變電工程蘇通GIL管廊工程，由兩岸引接站和GIL 管廊組成，其中管廊采用盾構(gòu)隧道方案。工程主要包括江南工作井(含輔助建筑)及施工通道、江北工作井(含輔助建筑)和江中盾構(gòu)隧道土建工程，如圖2a所示。盾構(gòu)段長度為5468.5m，目前這條管廊已使用1年時間。

隧道外徑11.6m，隧道內(nèi)凈空10.5m，管廊橫斷面示意如圖2b所示。盾構(gòu)段采用單層襯砌、平板型管片，管片厚度0.55m，管片環(huán)寬2m。采用通用楔形環(huán)，雙面楔形，楔形量為36mm。管片采用“7+1”的分塊模式，錯縫拼裝，直螺栓連接。管片采用C60高性能耐蝕混凝土，混凝土抗?jié)B等級P12。

圖2 蘇通GIL管廊工程Fig.2 General layout of Sutong GIL pipe gallery project

工程位于長江三角洲近前緣地帶，具河口段沉積物特點。南岸工作井盾構(gòu)始發(fā)端頭所處地層主要為③1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③2粉砂、③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、③4粉質(zhì)粘土與粉土互層、③5淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。潛水含水層主要賦存于淺部地層中的填土、粘性土、砂性土和粘性土的粉土夾層中。④2粉土為微承壓含水層，⑤1粉細砂～⑧1中粗砂為承壓水含水層。

2.2 健康狀態(tài)檢測

針對特高壓蘇通GIL管廊的施工方法及使用要求，并依據(jù)《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》(DG TJ08-2123-2013)[6]和《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB50838-2015)[7]制定檢測方案，開展了外觀檢測、隧道表觀病害檢測、隧道結(jié)構(gòu)性能檢測、混凝土強度檢測及隧道使用性能檢測。

1.外觀質(zhì)量檢測

外觀質(zhì)量檢測包括管片破損、接縫、防水、錯臺檢測。三維激光掃描儀檢測結(jié)果如圖3所示?？偟膩砜?，隧道外觀質(zhì)量良好。

圖3 31～40環(huán)東側(cè)正射影像Fig.3 Eastern orthophoto from 31st to 40th segment

2.隧道表觀病害檢測

表觀病害主要檢測管片破損、接縫、裂縫、滲漏、螺栓5個項目。隧道全長范圍內(nèi)共發(fā)現(xiàn)管片缺陷183處，包括管片破損、表面粘皮和區(qū)域疏松等缺陷，如圖4和圖5所示；管片接縫有嵌縫膠破損、彎曲、起鼓等缺陷；未發(fā)現(xiàn)管片裂縫、滲漏、螺栓病害。

圖4 表面破損Fig.4 Surface damage

圖5 棱角破損Fig.5 Corner damage

3.隧道結(jié)構(gòu)性能檢測

(1)橢圓度

采用《盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)服役性能鑒定規(guī)范》[6]建議的橢圓度±6‰作為標(biāo)準(zhǔn)。不同管片環(huán)的橢圓度如圖6所示?？梢钥闯?，在所檢測的143環(huán)管片中，橢圓度均低于±6‰。最大橢圓度發(fā)生在第2705環(huán)管片，數(shù)值為4.02‰。在最大環(huán)間錯臺和環(huán)內(nèi)錯臺發(fā)生的位置，管片的橢圓度滿足要求。結(jié)合其他病害檢測資料，表明當(dāng)橢圓度小于6‰時，管片無滲漏水、管片裂縫等病害出現(xiàn)，管片損傷較小。

圖6 橢圓度分布Fig.6 Ellipticity distribution

(2)直徑收斂

《地鐵隧道設(shè)計規(guī)范》(GB 50157-2013)[8]中要求管片直徑累計變化量小于5‰D，D為盾構(gòu)隧道外徑；南京地區(qū)監(jiān)測及養(yǎng)護實踐經(jīng)驗表明，直徑收斂報警值為60mm[9]；對于水下盾構(gòu)隧道，從防水角度來說，接頭的張開量控制更為嚴(yán)格，因此本文采用控制更為嚴(yán)格的4‰D(46mm)作為允許值。

水平直徑收斂如圖7所示。可以看出，在檢測的143環(huán)管片中，水平直徑收斂值均低于允許值，最大值為16mm。

圖7 直徑收斂分布Fig.7 Diameter convergence distribution

(3) 錯臺

管片的最大環(huán)內(nèi)錯臺量為14.99mm，發(fā)生在第144環(huán)管片；最小錯臺值為0.67mm，發(fā)生在第120管片。在環(huán)內(nèi)錯臺抽檢的268環(huán)中，其中有43環(huán)超過規(guī)范允許偏差(10mm)，管片環(huán)內(nèi)錯臺量如圖8所示。管片的最大錯臺值為15.15mm，發(fā)生在第2056環(huán)和第2057環(huán)管片之間；最小錯臺值為1.06mm，發(fā)生在第401～402環(huán)管片；在環(huán)間錯臺抽檢的274環(huán)中， 其中有1環(huán)超過規(guī)范允許偏差(15mm)，如圖9所示(如橫坐標(biāo)500，代表500～501環(huán)的環(huán)間錯臺)。

圖8 環(huán)內(nèi)錯臺分布Fig.8 Ring dislocation distribution

圖9 環(huán)間錯臺分布Fig.9 Inter ring dislocation distribution

(4)管片混凝土強度

南岸抽檢的44環(huán)管片的混凝土強度最小值為72.3MPa；北岸抽檢的32環(huán)管片的混凝土強度最小值為70.1MPa，均滿足設(shè)計要求。

2.3 蘇通GIL管廊隧道健康狀態(tài)評定

基于以上建立的模糊綜合評估模型，包含9個一級指標(biāo)和14個二級指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，并將評價結(jié)果分為4個健康狀態(tài)等級。首先采用乘積標(biāo)度法計算各級指標(biāo)權(quán)重向量，如表3所示；其次利用正態(tài)型函數(shù)的隸屬度函數(shù)式(3)進行單因素模糊評價，采用主因素突出型模糊算子進行計算；通過二級和一級模糊綜合評價式(4)、式(5)，最后代入式(6)計算得到目標(biāo)層特高壓蘇通GIL管廊的健康狀態(tài)值F為1.1，表示隧道健康狀態(tài)良好，屬于正常狀態(tài)，對管廊的運營沒有影響，正常進行定期檢測或監(jiān)測即可。

表3 模糊綜合評價權(quán)重Tab.3 The weight of fuzzyevaluation

3 結(jié)語

本文對特高壓電力水下綜合管廊健康狀態(tài)的檢測和評估方法進行了研究。首先分析了特高壓電力水下綜合管廊的病害和產(chǎn)生原因，確定了健康狀態(tài)評估的各項指標(biāo)，建立了其評估指標(biāo)體系及單一評估指標(biāo)的判定標(biāo)準(zhǔn)。然后基于層次分析法和模糊綜合評判法，建立了適用于特高壓水下綜合管廊健康狀態(tài)評估方法，對管廊提出了定量化的健康狀態(tài)評估，可以用于管廊檢測及養(yǎng)護工作。最后對特高壓蘇通GIL綜合管廊健康狀態(tài)進行檢測，發(fā)現(xiàn)管片存在表面輕微破損或疏松，未發(fā)現(xiàn)滲漏水和裂縫，隧道直徑收斂、橢圓度均在安全范圍內(nèi)，存在少數(shù)錯臺。基于本文評估方法，得出了特高壓蘇通GIL綜合管廊結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)良好，處于正常狀態(tài)。供其他類似工程參考。