城市電纜隧道巖土勘察的幾個主要問題探討

劉益平，葛海明，任亞群

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 201102)

城市電纜隧道巖土勘察的幾個主要問題探討

劉益平，葛海明，任亞群

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 201102)

分析、總結了目前城市電纜隧道巖土勘察的現狀，并從地下電力工程設計、施工的角度，分析了電纜隧道在結構賦存形態、作用機理等方面的巖土工程特性，探討了電纜隧道勘察中的幾個難點，提出了幾點建議。對今后電纜隧道的勘察工作具有一定的指導意義。

電纜隧道；巖土特性；巖土參數。

1 概述

1.1 必要性及效益

隨著社會的進步和經濟的發展，人類社會的城市化已成為一種趨勢，城市電網的建設面臨著兩個主要問題：①電力負荷高速增長和電力通道資源相對稀缺的矛盾；②滿足城市綠色環保生存空間與高標準景觀的需求。城區內用電纜隧道輸送電能無疑是一種有效的解決方法。雖然城市電纜隧道單位造價較高，但考慮到征地、土地資源開發等因素，建設城市電纜隧道仍具有較高的經濟效益。同時，對保障城市綠色環保生存空間、建設高標準城市景觀、構建環境友好型和諧社會亦具有巨大作用，社會效益顯著。

根據江蘇南京供電公司編制的《南京市主城飽和負荷暨電網專項規劃》，南京主城區將新建72座110kV及以上規模的變電站，而這些變電站之間大部分必然要通過電纜隧道相連，構成城市電網的骨架。

1.2 問題的提出

巖土勘察是工程建設的重要環節，電纜隧道工程的勘察設計屬復雜的系統工程，與常規電力工程在結構形態、計算模型、施工工法、環境影響等方面存在較多的區別，對其巖土勘察的內容、手段等提出了新的要求。目前，巖土工程師對相關的設計、施工了解尚少。電纜隧道巖土勘察應從其設計與施工的需求出發，提出勘察的目的、重點及相應的勘察手段。完備、全面的巖土勘察資料是保證工程建設周期、規避施工風險、降低工程造價、保護周邊環境的基礎。

2 現狀分析

2.1 規程、規范現狀

電纜隧道一般由工作井和區間隧道兩部分組成。工作井規模一般較小，通常采用沉井法施工；區間隧道根據施工工法的不同分為明挖法隧道、頂管法隧道、盾構法隧道、沉管法隧道及礦山法隧道。不同的構筑物形式對巖土勘察的要求不同，這里從施工工法的角度對不同行業規程、規范的相關內容進行對比分析，見表1。

表1 主要規程、規范情況

從表1可以看出，在電纜隧道巖土勘察方面，電力行業除《火力發電廠巖土工程勘測技術規程》涉及部分內容外，尚沒有專門的規程、規范可以遵循。目前電纜隧道巖土勘察實施過程中，只能根據構筑物擬采用的施工工法，借鑒其他行業規程、規范相應的內容。然而，其他行業的規程、規范一般是根據自身行業的特點制定的，并沒有囊括電纜隧道中所有構筑物形式的勘察要求，缺乏系統性；且不同行業規程、規范對同一種構筑物形式的勘察要求往往存在區別，如《市政工程勘察規范》要求管道的勘探點位于管道中心線，而《上海市巖土工程勘察規范》則要求勘探點位于管道范圍外一定距離。另外，一些規范的條文比較籠統，實際操作時有一定的難度。因此，各個巖土工程師只能根據自身對相關問題的認識和理解設計勘察方案，勘察資料的針對性、完備性無法保證。

總體而言，目前電纜隧道的巖土勘察處于無規程、規范可依的狀態，這與今后大規模的城市電纜隧道建設不相適應。因此，亟需從電纜隧道設計、施工的角度對其勘察的目的、技術要求及手段進行研究和總結，盡早出臺相應的行業標準，規范電纜隧道的巖土勘察工作。

2.2 勘察力量(技術人員、施工隊伍)現狀

常規電力工程經過多年的發展，已積累了較多的勘察實踐經驗，電力設計院的巖土工程師對其設計、施工有較多的了解。而電纜隧道屬于較為新穎的電力工程，主要涉及沉井、基坑、頂管、盾構等特殊構筑物及施工工法，巖土工程師對相關知識掌握較少，對其設計、施工中的關鍵問題缺乏足夠的認識。因此，工作中有可能把握不住巖土勘察重點，有些必須搞清的問題在勘察中遺漏，帶有一定的隨意性，給工程安全埋下隱患。

雖然電纜隧道工程投資規模較大，但項目的數量有限，巖土工程師較難有機會長期專門從事該項勘察工作，客觀上導致巖土工程師難以完全掌握不同地質條件、不同勘察階段的勘察目的和技術要求，高素質的專業人才比較欠缺。隨著今后電纜隧道工程的逐漸增多，需要加快相關巖土工程技術人才的培養與成長。

另外，目前市場上鉆探隊伍的施工水平良莠不齊，部分鉆探隊伍不足以適應繁華地帶、復雜環境下的鉆探施工的要求，文明施工、安全施工的意識和責任感不強，城市地下管線破壞事故時有發生，需要引起高度重視。

3 電纜隧道巖土特性

電纜隧道埋設于巖土介質中，因此涉及較多的巖土工程問題，其巖土工程特性與變電站的建/構筑物及架空線鐵塔等存在較大的區別，設計勘察方案時應予以充分考慮。

3.1 結構賦存形態

變電站在空間上呈“面狀”分布，各建/構筑物相互獨立，但距離較近，均集中在較小的范圍內(面積大小取決于變電站的規模)。巖土勘察中各相鄰勘探點處的地層可相互對比、借鑒，勘察的重點側重于尋找適合承載上部結構的地層(豎向承載體系)，巖土工程條件分析與評價主要是針對持力層的豎向承載性能、變形特性及空間分布規律，地形地貌、地層組成、地質災害及不良地質作用等地質要素相對比較單一。

架空線路從空間上看呈線狀分布，然而就其本質而言，各架空線鐵塔相互之間距離較遠，且相互獨立，實質為“點狀”分布。雖然整條架空線路可能涉及多種地質要素，但其相關性及延續性較差，巖土勘察一般針對單個具體塔位實施，勘察的重點與變電站中構架是基本一致的。

電纜隧道綿延于地表之下，為地層的包含物，其結構斷面規模相對于線路長度而言顯得微不足道，故在地層中呈“線狀”分布。隧道開挖對地層而言往往是一個卸載的過程，與變電站的建/構筑物及架空線鐵塔豎向承載體系不同，電纜隧道結構與其周圍巖土介質在水平和豎直方向均相互作用，并不存在明確的持力層的概念。另外，電纜隧道在地層中穿越距離較長，通常會涉及多種地質要素，且各地質要素在路徑方向上具有一定的延續性和漸變性。

3.2 與地層共同作用

電纜隧道賦存于巖土介質中，屬于地下結構范疇，與上部結構在荷載效應、結構計算理論與方法等方面存在本質的區別。電纜隧道的荷載效應以永久荷載為主，而永久荷載又以地層荷載(水平及豎向的巖土壓力和地下水壓力)為主。根據地層巖性的不同，地層荷載計算時采用不同的計算方法：砂性土采用水土分算，粘性土采用水土合算。地層既是荷載的施加者，但又有一定的自承(穩)載能力，也是荷載的承擔者，通過提供地層抗力，約束隧道結構的變形，從而與隧道結構相互作用，形成共同受力的統一體。因此，電纜隧道結構的設計不僅是結構的問題，更是地層與結構共同承載的問題，且重點往往在地層的穩定性上。城市電纜隧道一般位于繁華街區城市道路的下方，周邊環境對地層變形控制嚴格，此時隧道結構設計目的是穩定地層的變形，而不是支撐地層荷載。

3.3 與環境相互影響

電纜隧道通過替換相應的巖土體來形成地下結構空間，進而敷設電纜。巖土體的開挖過程破壞了地層及地下水原有的平衡條件，改變了周圍巖土體的應力平衡狀態，從而引起周圍巖土體的應力重分布和再次固結，導致周圍地層的變形(豎向和水平向)，威脅沉降影響范圍內的地表建筑物及地下管線的運營安全。對位于繁華街區的城市電纜隧道，周圍建/構筑物密集，各種地下管線錯綜復雜， 這種不利影響尤為突出。大量實踐表明，地下工程施工時，地層的變形不可避免，嚴重者會造成建筑物的不均勻沉降、煤氣泄漏、通訊中斷等重大事故，危及生產建設和人民財產安全。因此，對地層變形較為敏感的建筑物及地下管線，施工前應采取相應的隔離或地層加固等保護措施；同時，為減輕施工對環境的影響，電纜隧道的設計方案、施工工法的選用也相當重要，應與環境保護要求相配套。

南京市擬建的220kV九龍～南站電纜隧道高湖路段地下管線十分復雜，涉及自來水、雨/污水及煤氣等埋深較淺的大直徑重要管線(見圖1)，且兩者平行走線。為減小工程建設中施工對地層穩定性的影響，擬采用對地層擾動較小的盾構隧道設計方案；且從避免發生水管破裂、煤氣泄漏等重大事故的角度出發，增大了隧道的埋深，以保證淺部管線的變形在可控范圍之內。

圖1 高湖路段橫斷面示意圖

另外，電纜隧道穿越河流、邊坡時，會對河床及坡體的穩定性造成影響。如果保護不利使其破壞，則失穩的巖土體使隧道結構所受地層荷載增大，影響隧道結構的安全。

3.4 與施工緊密相關

電纜隧道與常規電力工程的建/構筑物在施工方面有很大的不同。最根本的區別在于，常規電力工程的建/構筑物是先建造后受載，而電纜隧道則是在受載狀態下構筑。電纜隧道形成后是一個空間體系，可以承受地層荷載的作用，但在形成過程中并不(或者不完全)是空間體系，不能有效地承受全部地層荷載。因此，隧道施工過程中的安全性往往起控制性作用，諸多地下工程事故都是由于施工的原因造成的，見圖2。電纜隧道設計中很重要的一部分內容就是對施工過程進行模擬分析，驗證施工方案的安全性和可靠性，如掘進速度、地層加固范圍等。電纜隧道施工工法的選擇往往由地質條件、周邊環境保護等諸多因素決定，同一工程往往有多種選擇，每種工法均有各自的適用條件及優缺點，應通過工期、造價、環境保護等諸多因素綜合比較，選擇最為經濟、合理、有效的施工方法，見表2。

表2 區間隧道施工方法比較

3.5 地下水作用

在地下工程勘察、設計、施工中，地下水始終是一個極為重要的問題。地下水作為地層的組成部分，直接影響巖土體的狀態和性能；作為地下工程的賦存環境，又影響結構體的穩定性和耐久性。地下工程施工期或運營期發生的很多事故都與地下水緊密相關。

根據賦存狀態，地下水可分為上層滯水、潛水、承壓水等類型。隧道工程中，地下水主要在抗浮穩定、地層整體穩定、地基土隆起穩定、滲流穩定(流砂、管涌、突涌)、降水沉降等方面存在較大影響。不同類型的地下水、不同的結構形式，設計、施工中地下水控制措施的重點也不同。電纜隧道建設過程中，如何針對具體情況處理好地下水問題是一大難題。因此，電纜隧道巖土勘察中，尤其存在多層地下水時，弄清場地地下水類型、分布、厚度、滲透性、涌水量、運動規律等水文地質參數至關重要，必要時可開展專門的水文地質勘察工作。

3.6 工程地質過渡段

不同的地形地貌，沉積環境有所差別，會形成不同的工程地質區段。電纜隧道在地層中呈“線狀”分布，穿越距離較長，復雜地質條件下往往會遇到多種工程地質區段，勘察中需進行工程地質區段劃分，因為不同的工程地質區段勘察、設計及施工要點各有側重。然而，各工程地質區段之間一般并不是完全獨立的，在地層組成、地下水、地質災害及不良地質作用等方面具有延續性和漸變性，勘察成果中給出的各區段里程、地層界限從定量上往往是概略的，具有近似性。而設計、施工人員往往認為地質縱剖面圖的里程是精確的，一旦施工時揭露出的情況與地質剖面圖上的里程有出入，就誤認為勘察資料不夠準確，由于勘察原因而變更設計，這種現象在土巖結合地區尤為突出。設計規范中規定：圍巖較差地段的襯砌應向圍巖較好地段延伸一段距離，而勘察中勘探點間距一般大于該距離，電纜隧道勘察中如何有效的劃分工程區段以保證設計方案和施工的安全，是需要慎重考慮的問題。

4 電纜隧道勘察難點

4.1 施工難度與風險

根據《江蘇省電力保護條例》，地下電纜通道建設不實行征地，因此電纜隧道勘察屬于沒有征地的勘察。電纜隧道向市區負荷中心供電，線路必然穿行在繁華的商貿區和密集的居民區，交通、地面建筑、地下管線等均制約著勘察施工的順利展開。勘察施工過程要受到社會各界的監督和管理，涉及交管、市政、城管等多個管理部門，涉及對電力、電信、煤氣、自來水、雨/污水、交通信號等地下管線的保護，涉及對綠地、交通設施損壞的賠償。城市電纜隧道勘察施工可能會引發兩類環境問題：①對周邊環境造成不良影響，如影響交通、噪聲及泥漿污染環境、破壞地下管線等；②勘察施工引起環境改變，給后期施工埋下安全隱患，如鉆孔終孔后沒有及時封孔或封孔不嚴，改變了各層地下水之間的聯通關系，導致隧道、基坑等開挖施工中出現突涌等事故。

城市地下管線埋藏一般較淺，有一定的規律可循：自來水管、動力電纜分布在東西走向道路的南側，南北走向道路的東側；通訊電纜、煤氣管道分布在東西走向道路的北側，南北走向道路的西側；下水道則在道路兩側和中心均有分布；綠化帶下一般沒有管線分布，是工程勘察施工中比較“安全”的地帶；涉密管線(如軍用管線)沒有標示。然而，由于當前城市大規模的擴建和老城區改造，一些已有地下管線的相對位置和埋深遠遠超出常規情況，同時由于地下管線探測手段的局限性，給地下管線的確認帶來極大的難度，客觀上增加了勘察施工中的風險。

因此，地下管線是勘察施工中的主要風險源之一，探測其準確位置是電纜隧道勘察時的重要環節之一，探測成果關系到工程的選線和施工工法的選擇。進行城市電纜隧道勘察方案設計時，在滿足設計要求的前提下，勘探孔應盡量避開對交通、地下管線等造成不利影響的地段。外業實施過程中應有相應的安全管理體系和應急預案，應嚴格控制工作流程，首先對管線進行必要的探測，在確保安全的情況下再鉆探施工，并確保終孔后的封孔質量，做到文明施工和安全施工。

4.2 巖土設計參數多樣

電纜隧道設計包括路徑、土建、暖通、電氣、施工設計等多個分項內容，各個分項對巖土勘察的要求不同。如前所述，電纜隧道常用的施工工法有明挖法、頂管法、盾構法、沉井法等。不同地層條件下各種施工工法關注的地質重點內容不同，巖土勘察中除了需查明地層的一般物理、力學性質外，還應針對具體的設計、施工方案取得相關的特殊試驗指標，如靜止側壓力系數、基床系數、泊松比、熱物理參數等，且需重點勘察的地層范圍也不盡相同，見表3。需要說明的是，對于大斷面頂管工程而言，現有規范中的計算方法已顯得不太適用，應根據設計人員采用的計算方法提供相應的計算參數，如靜止側壓力系數、基床系數等。

由于電纜隧道外部的環境十分復雜，項目前期的(可研、初設階段)很多外部條件難以落實，往往不能明確采用何種設計方案。巖土工程師在制定勘察方案需兼顧各種可行方案的勘察要求，這也無疑增加了勘察工作的難度，對巖土工程師提出了更高的要求，同時增加了勘察的工作量。

表3 電纜隧道各種工法對不同土層巖土設計參數要求

4.3 特殊參數獲取方法

從表3可以看出，電纜隧道的設計、施工涉及較多特殊的物理、力學參數，這些參數在常規電力工程的巖土勘察中通常無需提供。因此，電力行業在這些特殊參數勘察技術方面的基礎研究及工程實踐較少，巖土工程師對相關參數的室內外試驗的適用性及可靠性缺乏了解，在參數如何正確取值等方面經驗不足。

封閉地下空間內電纜的散熱情況是電纜隧道通風設計的重點內容之一。目前，電纜隧道設計中往往僅考慮隧道內通風設備的強排風，認為隧道是一個封閉環境，與周圍地層無熱交換。但是，從節能減排的角度而言，設計中考慮地層的散熱作用是很有必要的，這就需要勘察中提供可靠的地層熱物理指標。

4.4 地層劃分與定名

“面狀”工程地層劃分時，由于面內勘探孔密集，原位測試及室內試驗數據量較多，可以根據各地層物理、力學參數的離散情況，很明確的對地層排序、細分。而電纜隧道線路一般較長，復雜地質條件下通常涉及多個工程地質區段，不同區段之間地層的巖土工程特性是逐漸過渡的，如果也按照“面狀”工程的要求來劃分地層的話，則不但需增加勘探孔數量來滿足各地層對原位測試及室內試驗結果統計的要求，使勘察成本增加，同時也增加了內業整資的工作量。因此，電纜隧道地層劃分時，應容許各地層的物理、力學參數有一定的離散性，對巖土工程性質較為接近且對設計、施工無重大影響的地層，可按照“工程地質特性劃分”的原則進行適當、合理的概化，優化勘察工作量，強化勘察的重點內容。

沖積平原地區一般分布有砂性土層，除正常沉積而成的均勻土層外，還常呈薄層(夾/互層)、透鏡體、帶狀等局部形式與黏性土共存。電纜隧道開挖過程中，砂性土顆粒在地下水作用下，易產生管涌、流砂。此時，若按照“工程地質特性劃分”的原則概化地層是不合理的。如南京地鐵2號線元通站由于對淺部厚層淤泥質土中夾帶狀的砂性土認識不足，導致止水效果不好，基坑內大量涌土，地面明顯塌陷。因此，這種情況下應盡量避免根據室內試驗資料簡單地按均勻土進行定名，更不能簡單地將勘探孔中存在的砂性土夾層、透鏡體等與黏性土合并處理，而應根據“水理特性劃分”的原則，細化分層，準確的將砂性土從黏性土中劃分出來。同時，砂性土與黏性土之間的過渡土層也宜歸并至砂性土層中去。這就要求現場編錄人員應詳細描述薄層、透鏡體、帶狀砂性土層的分布、厚度等情況，并充分利用靜力觸探在分層方面的優勢。

對于粉土和粉質黏土之間的過渡土體(8

4.5 多層地下水位測量

很多地區一般含有多層地下水，包括淺層的潛水、砂性土層中的(微)承壓水。電纜隧道勘察中，水文地質勘察意義重大，較一般工程要求更為嚴格。其勘察的重點是查明隧道影響范圍內各含水層的空間分布、水頭、各含水層相互之間及與地表水體的水力聯系，并據此分析、評價地下水對隧道施工、運營的影響。

勘探孔為各層地下水提供了水力聯系的渠道，因此一般工程中測得的穩定水位為地下水混合水位，而電纜隧道工程勘察中應分別提供隧道影響范圍內各含水層的穩定水位。在水文地質勘察中，分層測定承壓水水位時較為繁瑣，有嚴格成孔、止水、清孔、觀測等操作規定。實際工作中，一般有以下三種方法：①在同一勘探孔內分層埋置孔隙水壓力探頭，測定各含水層的穩定水位，該法需保證各層之間的止水質量；②一個勘探孔只測定一個含水層水位，該法簡單直觀，適用于勘探孔密集的情況(復雜地質條件下的“線狀”工程，勘探孔較稀疏)；③利用CPTU在靜探施工中測定各層水位，該法技術先進，操作簡單，但目前應用尚少，需積累實踐經驗，技術成熟后具有較好的應用前景。

5 結論及建議

(1)與常規電力工程相比，電纜隧道工程涉及更多的巖土工程問題，巖土勘察方案應針對設計、施工的需求，提出勘察的目的、重點及相應的勘察手段。

(2)電纜隧道涉及多個巖土特殊參數，需積極應用新手段、新技術，有針對性地提供可靠的巖土設計、施工參數。

(3)電纜隧道周邊環境復雜，勘察施工中需做到文明施工和安全施工。

(4)鑒于目前電纜隧道巖土勘察的現狀，宜盡早編制相應的行業勘察規程、規范或單位內部的技術標準，保證勘察質量，更好的指導設計與施工。

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Discuss on Several Mostly Problems of Geotechnical Engineering Investigation in City's Cable Tunnel

LIU Yi-ping, GE Hai-ming, REN Ya-qun
(Jiangsu Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

It analyze the actuality of city cable tunnel geotechnical engineering investigation, and from the angle of underground electric power engineering design and construction, analyze cable tunnel geotechnical engineering characteristic in different structure configuration and funnel mechanism. Discuss on several difficulties in cable tunnel surveying, several suggestion has put forward. It has stated guidance significance for the future cable tunnel surveying work.

cable tunnel; geotechnical characteristic; geotechnical parameter.

TU4

B

1671-9913(2011)05-0011-07

2011-08-08

劉益平(1982- )，男，江蘇如皋人，碩士，工程師。