周 源 陳孝湘 賀 雷

(1.中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003;2.中國電力科學研究院有限公司，北京 102401)

1 概述

作為電力電纜通道最為重要的形式之一，電纜隧道內(nèi)通常敷設了回路數(shù)較多的高壓電力電纜線路或者重要性較高的電纜線路[1]，是城市生命線工程中最為基礎(chǔ)和最為關(guān)鍵的通道工程，其災害期間的可靠性和受損后的供電恢復及時性將直接關(guān)系到受災地區(qū)社會財產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)安全[2]。

電纜隧道的防災包括了建設期間和運行期間的防災。對于建設期間的防災，目前已有大量關(guān)鍵技術(shù)成果，其與隧道的建設工法、地層地質(zhì)條件、周邊環(huán)境控制要求等息息相關(guān)[4]；而運營期間的防災則與災害類型、隧道結(jié)構(gòu)自身的建設水平、地質(zhì)條件關(guān)系密切，尤其是災害類型[3]，決定了運營期間的防災策略。

自從煤礦行業(yè)探討數(shù)字化防災與救援體系及應用研究以來[4]，作為數(shù)字化技術(shù)建設先行區(qū)的福建，也已先將數(shù)字化技術(shù)廣泛應用于應急管理事業(yè)[5-9]，并取得了較多經(jīng)驗，使得應用數(shù)字化技術(shù)進行沿海城區(qū)電力電纜隧道的防災具有堅實、可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。

本文在分析沿海城區(qū)電纜隧道常見自然災害的基礎(chǔ)上，研究臺風暴雨、地震、隧道內(nèi)火災等隧道運營期間常見災害下的數(shù)字化防災技術(shù)需求和典型技術(shù)路線，為提升沿海城區(qū)電纜隧道運營期的防災能力提供支撐。

2 城區(qū)電纜隧道運營期的災害類型及其影響分析

電纜隧道的災害類型包括了各類自然災害和人類活動災害，常見的有地震、臺風暴雨、隧道內(nèi)火災、不均勻沉降、臨近工程施工、外力直接破壞等，這些災害的發(fā)生過程和對隧道結(jié)構(gòu)的影響機理各不相同，研究相應的數(shù)字化防災技術(shù)路線，需要分析不同災害類型對隧道結(jié)構(gòu)的作用過程，根據(jù)影響規(guī)律的不同，制定相應的防災技術(shù)路線。由于地震、臺風暴雨和火災發(fā)生時，隧道內(nèi)受災影響的范圍較大，災害導致破壞后的修復難度大、費用高，采用數(shù)字化防災的效益更為明顯，本文主要針對這三類運營期的災害進行分析。

2.1 地震

根據(jù)近代以來大量城市附近地震災害的調(diào)查，地震對電纜隧道等中淺層地下構(gòu)筑物的破壞主要源于地表變形和地面運動，其中地表變形包括了斷層錯動、土壤液化、河岸滑坡、地表塌陷等，而地面運動主要是指地震波的傳播效應，行進中的波可能會導致隧道的變形過大而破壞。電纜隧道呈現(xiàn)出局部加整體的破壞形態(tài)。

關(guān)于電纜隧道的地震防災，除了在工程設計和結(jié)構(gòu)設計階段，根據(jù)巖土工程勘察的結(jié)果做好地基處理和結(jié)構(gòu)設計之外，對運營期間最為重要的影響就是由于地震帶動地層運動而導致各類隧道(明挖現(xiàn)澆、明挖預制、頂管、盾構(gòu)等)的變形，由于不均勻變形而導致的隧道接口擠壓產(chǎn)生裂隙、張開量過大，導致接口各類構(gòu)造破壞進而產(chǎn)生滲漏或泥沙涌入。

2.2 臺風暴雨

對于以上海、浙江、福建和廣東為代表的沿海省份，臺風是最常見、影響最大的自然災害。2015年的“蘇迪羅”、2016年的“莫蘭蒂”等臺風，就造成了福建省沿海主要城市電網(wǎng)的巨大損失。

從以往臺風暴雨天氣發(fā)生時電纜隧道的受災調(diào)查來看，除了大風刮倒的樹木或者構(gòu)筑物倒塌在隧道露出地面設施造成毀壞外，臺風和暴雨本身對隧道結(jié)構(gòu)不會造成大的影響，主要致災原因是暴雨造成的洪澇水位超過電纜隧道各類預留孔口而引發(fā)的倒灌。倒灌發(fā)生后，隧道內(nèi)將涌入大量夾帶泥沙和垃圾的洪澇水，進而造成隧道內(nèi)部的水位上漲，各類附屬設施(通風、排水、照明、供電、監(jiān)測、通信、消防等)遇水后受損，長期浸泡也可能危及高壓電力電纜的安全運行。水位上升后，隧道內(nèi)的水泵會因長時間抽取洪澇水損壞，進一步加劇了隧道內(nèi)部水位的上升。當洪澇過后，即使隧道內(nèi)的水被抽干，在隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面、高壓電纜本體及隧道內(nèi)的其他附屬設施的不同部位，會淤積大量的泥沙和垃圾，清理不及時也將影響隧道的安全。臺風暴雨災害下的電纜隧道災害以整體受災為主。

2.3 隧道內(nèi)火災

隧道內(nèi)的火災大部分屬于運行期間的機械性外破或電纜線路事故導致的災害，不屬于自然災害，也并非沿海城區(qū)電力電纜隧道運營期間特有的災害，但是由于其發(fā)生的概率較大、事故后果嚴重，災害一旦發(fā)生，將影響整個區(qū)段的通道安全，故也需要開展針對性的數(shù)字化防災研究。

當隧道內(nèi)的火災發(fā)生時，由于事故點臨近兩側(cè)隧道內(nèi)的空氣補給，在一定時間內(nèi)燃燒的條件充分，如若采用的不是阻燃電纜或者耐火電纜，則火災可能在較大范圍內(nèi)延燃，直至隧道內(nèi)的氧氣被耗盡為止。

隧道內(nèi)火災對隧道結(jié)構(gòu)的影響較大，一旦發(fā)生，則隧道的修復難度大，一般情況下無法從地面開挖，只能優(yōu)先考慮洞內(nèi)修復。根據(jù)隧道內(nèi)火災的試驗和模擬，隧道火災發(fā)生后，隧道周邊的溫升規(guī)律為頂板最高、側(cè)壁次之，最后是底板。

等了許久，屋里靜悄悄的，沒一個人出門，也聽不到一點聲響。甲洛洛開始吸煙，一根、兩根、三根……當抽到第七根的時候，嘎絨出門了，后面一個人也沒有，懷里的東西也不見了。

3 不同災害下的數(shù)字化防災

防災技術(shù)路線的制定需要考慮不同的災害類型，也需要結(jié)合不同災害類型作用下的隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生的受損特性，但首先分析典型災害類型作用下的隧道結(jié)構(gòu)的數(shù)字化防災需求。

3.1 地震

地震對電纜隧道結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)地震波行進中帶動隧道及其周邊土體作往復運動，或者隧道地基土的破壞性變形導致隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生不均的變形，進而造成隧道結(jié)構(gòu)的開裂或者防水措施的失效，導致泥沙涌入等，對于隧道結(jié)構(gòu)的受損評估和災后的修復，主要需要考慮的是隧道結(jié)構(gòu)在地震災害作用下的結(jié)構(gòu)變形量、短時鋼筋或混凝土應力的增幅等。

對于運營期的防災，主要以結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和滲漏監(jiān)測為主，在數(shù)字化的防災信息采集方面，除了地震本身的信息外，應該注重隧道結(jié)構(gòu)的變形和接縫處滲漏水量的數(shù)字化監(jiān)測。

3.2 臺風暴雨

對于運營期的隧道而言，地面建(構(gòu))筑物受臺風作用倒塌直接毀壞隧道出露地面各類孔口的概率較小，即使發(fā)生該類型破壞，不僅不影響隧道內(nèi)的電纜線路安全，而且其災后可以快速修復，因此，除了加強結(jié)構(gòu)設計的必要冗余之外，不需要進行特殊防災。

臺風暴雨對電纜隧道的主要影響在于降雨發(fā)生的積水短時內(nèi)無法通過城市的排水系統(tǒng)排出，導致內(nèi)澇，當內(nèi)澇水位超過電纜隧道出露地面的各類孔口，而孔口又未能及時做好臨時的防水封堵，就會發(fā)生大量洪澇積水倒灌，此類災害是臺風暴雨條件下沿海城區(qū)電纜隧道的主要災害。

面對以洪澇水位為主的倒灌風險，需要在電纜隧道出露地面的各類孔口布設不同的水位監(jiān)測設施，用以監(jiān)測預留孔口高程以下一定高度范圍內(nèi)(如10cm～50cm)的水位，同時輔以隧道內(nèi)集水井等部位的水位監(jiān)測，當?shù)孛娴目卓诎l(fā)生倒灌時，進一步掌握隧道內(nèi)水位的上升過程，便于隧道內(nèi)各類設施的災后隱患排查。

3.3 隧道內(nèi)火災

隧道內(nèi)的火災將直接導致相關(guān)電纜線路停電，并損壞溫升超過一定幅度的隧道區(qū)段內(nèi)的附屬設施，而隧道的頂板、兩側(cè)壁受溫升的影響，也將導致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能劣化，進而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。

針對火災對隧道結(jié)構(gòu)的安全影響，運營期間的數(shù)字化防災技術(shù)措施，除了各類電纜本體的在線監(jiān)測裝置和在危險區(qū)域配備的各類消防設備外，還需要監(jiān)測隧道內(nèi)壁結(jié)構(gòu)上的溫度，尤其是火災發(fā)生過程中，溫度會急劇變化的隧道頂板及隧道側(cè)壁的上半部分。

3.4 電纜隧道數(shù)字化防災的技術(shù)需求分析

3.4.1 感知信息的準確性

3.4.2 傳輸?shù)募皶r性

由于隧道災害發(fā)生時，電力運行檢修部門和政府的應急管理部門需要在第一時間響應并根據(jù)預案階段所制定的防災策略共同開展搶險救災活動，故對于災害影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸應及時有效。

3.4.3 傳輸?shù)陌踩?/p>

根據(jù)現(xiàn)有的運行管理模式，分散在城區(qū)各處的電纜隧道結(jié)構(gòu)采集得到的各類災害及隧道結(jié)構(gòu)的受災信息，通過專用或者公用的網(wǎng)絡傳輸至數(shù)據(jù)分析決策端，數(shù)據(jù)傳輸過程的網(wǎng)絡安全是防災技術(shù)的安全性保障。

3.4.4 分析決策的可靠性

無論是災害未發(fā)生時，還是發(fā)生過程中，隧道的防災感知層都將采集到大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)向存儲端、分析端傳輸，數(shù)據(jù)的分析決策端都需要采用可靠的數(shù)字化技術(shù)對海量的數(shù)據(jù)進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果及時響應，故分析決策的可靠性是數(shù)字化防災的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3.4.5 感知精度的科學性

沿海城區(qū)電力電纜隧道受災發(fā)生的各種通道整體或者結(jié)構(gòu)局部的監(jiān)測要求，包含了變形、應力及應變、水量、水位、溫度等，在制定感知方案并確定設備精度時，需要根據(jù)建構(gòu)筑物及通道本身的受災響應特點，確定響應精度的感知設備量測單位，避免過精細或過大而導致各類誤報，造成不必要的搶險救災資源浪費。

3.4.6 預警機制

當大量的現(xiàn)場感知數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)綌?shù)據(jù)的存儲分析端，通過可靠的數(shù)字化分析技術(shù)，對災害的類別、影響大小和救災的可行性進行全面分析后，需要制定及時、可行和可靠的預警機制及防災方案，并根據(jù)預設的搶險救災方案，及時將救災需求傳遞至協(xié)作部門，共同在第一時間開展搶險救災工作，將災害引發(fā)的損失降至最低。

3.5 適用于電纜隧道防災的數(shù)字化技術(shù)

隨著數(shù)字福建的不斷推進，數(shù)字技術(shù)的應用已經(jīng)深入到生產(chǎn)、生活的方方面面，并且又進一步推動了數(shù)字技術(shù)的進步。從現(xiàn)有的主流技術(shù)來看，隧道的數(shù)字孿生技術(shù)、工程現(xiàn)場狀態(tài)感知技術(shù)、北斗衛(wèi)星定位技術(shù)、5G傳輸技術(shù)、AI智能分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)、邊緣計算等，都適用于電纜隧道的數(shù)字化防災體系的建設。

圖1為采用現(xiàn)場感知設備(含位置、變形、應力、應變、溫度、水位、水量等)、北斗定位、隧道局部相對定位、無線傳輸、5G專用電力切片、大容量數(shù)據(jù)存儲和分析、邊緣計算、AI人工智能等數(shù)字化技術(shù)建立起的電纜隧道數(shù)字化防災體系及其應用技術(shù)框架。

圖1 電纜隧道的數(shù)字化防災體系及其應用技術(shù)

4 結(jié)束語

我國沿海主要城市的核心城區(qū)都向著輸配電線路入地纜化的方向邁進，城區(qū)內(nèi)將有越來越多的電纜隧道工程投入運營，而如何做好運營期間的隧道防災將成為智能電網(wǎng)安全運行的主要挑戰(zhàn)之一。數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展將改變?nèi)祟惿鐣a(chǎn)、生活的方方面面，應用數(shù)字化技術(shù)提升甚至是重塑沿海城區(qū)電力電纜隧道的防災減災能力，符合新時代技術(shù)發(fā)展的方向，也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的有力保障。