曲線拉管在220 kV電纜穿越河流中的應用

李魯，邱昌勝，趙東旭，王麗娜

(國核電力規劃設計研究院，北京 100094)

0 引言

20世紀90年代以來，在我國的城市化建設進程中，非開挖施工技術已經在市政給排水、油氣管道等工程中廣泛應用，非開挖技術包括盾構、頂管、拉管等多種施工技術。為了適應城市建設的需要以及減少施工對城市人民生活的影響，長距離、大口徑、小口徑、深埋、淺埋等拉管技術在電力管線工程中發展很快，電纜拉管材料由鋼管發展到以合成材料為主的PE拉管。PE拉管以其適合溫度范圍大、抗壓、抗沖擊性強、耐酸堿、耐老化、使用壽命長等特點越來越受到歡迎。推進管子的軌跡由直線拉管發展到曲線拉管，曲線形狀也越來越復雜，不僅有單一曲線，也有復合曲線(如S形曲線);不僅有水平曲線，也有豎直曲線以及水平和豎直兼而有之的復雜曲線等。從曲線拉管的應用范圍來看，管道內徑可達1650～3500 mm，一次頂程最大可達1200m，曲率半徑最小不到400 m，并且發展到雙管近間距(間距不到管外徑的一半)曲線拉管。這種技術的優點是:不開挖地面;不拆遷，不破壞地面建筑物;不影響交通;不破壞環境;施工不受氣候和環境的影響;不影響管道的段差變形;省時、高效、安全，綜合造價低。

曲線拉管施工質量總體上較好，但也出現了一些問題，本文結合具體工程實例，對曲線拉管施工中的一些關鍵技術問題進行分析。

1 工程背景

某變電站至某牽引站之間根據規劃以地埋方式敷設電纜，其中某段電纜敷設需要穿越一條河流，河段寬約25 m，為單式河槽，水深約3.0 m，左(北)岸筑有堤防，堤高約1 m，寬約50 m，右(南)岸河堤尺寸同左岸。該河已規劃為景觀河道，剛剛經過整治，河道斷面規整，河道順直、穩定，未發現沖刷、坍塌現象?，F場歷史洪水記錄表明，該河道在遭遇歷史最大洪水時未曾發生洪水漫堤情況，現場排水條件較好?？睖y資料顯示，線路沿線地下水位埋深較淺，勘測期間，地下水穩定水位埋深均大于6.00 m。據調查，沿線常年最高地下水位為1.00 m。地下水類型為第四系孔隙潛水，以大氣降水、灌溉入滲為主要補給源，以蒸發及人工取水為主要排泄方式。土層0.0～10.0 m為粉土，黃褐色，稍密，稍濕到較濕。其地基承載力特征值為120 kPa。

查閱水利部門的相關資料可知，該河無通航規劃，無展寬、改道、堤壩加高等規劃，設計河底高程按13 m考慮，電纜應布置于設計河底高程2.5 m以下，施工時應取得河道主管部門的同意。由于景觀要求，不允許沿橋明設，最終確定電纜穿河采用曲線拉管方式穿越。拉管曲線長度約240 m，曲線彎曲半徑約750 m。拉管兩頭接電纜隧道，拉管覆土層平均厚為3.3～10.0 m。拉管管材選用PE電纜保護管，電纜保護管型號為 DE710－PE100－1.0 MPa。曲線拉管穿河示意圖如圖1所示。

2 曲線拉管的施工原理

圖1 曲線拉管穿河縱斷面示意圖

在直線拉管中，管節在機頭的引導下不是直線運動，而是上下左右變化的，通過糾偏掘進。曲線拉管就是通過一定的方法(如曲線內外/側的不同挖土量、糾偏千斤頂的不同行程、改變兩側土體特性等)使機頭產生偏心，有控制地改變方向，為后續管節折線前進提供條件。在這里，曲線的形成和保持是技術的關鍵，它與管道曲率半徑、管節接縫開口值、單節管節幾何尺寸、管徑大小、管節接縫形式、土體特性、機頭形式和設備性能等有關。曲線拉管的施工過程為:先根據預先設計好的輔管路線驅動裝有楔形鉆頭的鉆桿從地面鉆入，地面儀器接收由地下鉆頭內傳感器發出的信息，控制鉆頭按照預定的方向頂進，鉆頭在出口出土后卸下，換裝適當尺寸和特殊類型的回程擴大器，使之能夠在拉回鉆桿的同時將鉆孔擴大至所需直徑，并將需要鋪裝的管線同時返程遷回鉆孔入口處。在整個工作過程中，特別混合組的鉆孔混合液不斷從鉆頭的鉆口嘴噴出，用以潤滑鉆頭、鉆桿和鉆道，以提高工作效率。

3 曲線拉管施工注意事項

3.1 導向施工注意事項

曲線頂進中軸線控制一般遵循2個原則:

(1)由直線進入曲線時，應在設計起彎點前數米處提前轉彎;

(2)曲線段的施工軸線要控制在設計軸線的內側。

在導向孔鉆進過程中使用無線控向系統，在出、入土點兩側中心線布置地面信標系統，鉆桿內連接的通信裝置將鉆具的位置反饋回控向室以便司鉆隨時掌握工具面及方位，利用地面信標系統準確找出穿越中心線的方位角，同時有效防止外來磁場的干擾。在開鉆前利用經緯儀找出穿越中心線的準確位置并做好標記，以此為基準控制導向的左、右偏差。導向孔鉆孔精度目標為:出土點沿設計曲線的縱向偏差應不大于穿越長度的1%且不大于0.30 m;橫向偏差應不大于穿越長度的 1.5%且不大于0.45 m。

3.2 曲線拉管的頂力控制技術

當頂力值過大，后背結構或管材強度不能承受全部頂力時，就應采取適當的輔助措施，如采用膨潤土泥漿潤滑減摩。當頂距較長，采用減阻措施不能滿足要求時，就要在中間段設置中繼間進行接力頂進。該工程采用注漿減摩措施。

3.2.1 泥漿控制

(1)泥漿是定向穿越中的關鍵因素。由于穿越所經地層為粉質黏土，對泥漿成孔、固壁性能要求較高。為此將采取以下措施:按照事先確定好的泥漿配比用一級鈉基膨潤土加上泥漿添加劑配出符合要求的泥漿，使用的泥漿添加劑有降失水劑、固壁劑、潤滑劑等類型。為確保泥漿的性能，保證膨潤土有足夠的水化時間，將采用2套加料配漿系統，延長泥漿循環周期。現場配備泥漿回收處理系統，使泥漿循環使用，最大限度地減少環境污染。

(2)選用打井或運輸的淡水，水的pH值為9～10時最適合膨潤土的水化。

(3)根據穿越段地層情況，穿越泥漿黏度控制在45～60 S。

3.2.2 壓漿工作

鑒于曲線拉管的施工特點，壓漿工作顯得尤為重要。首先，對漿液要求較高，膨潤土泥漿的運動流限與靜止流限之比應控制在1∶10～1∶6，當頂進時，泥漿觸變呈溶膠狀態，可起潤滑作用;而停頂時，泥漿呈凝膠狀態，可起支撐作用。其次，為了均勻地使管壁外側充滿漿液，壓漿孔的布置很重要，其壓漿孔數量和縱向間距布置應滿足前部多于后部的原則;操作時應同步注漿。

3.3 回拉擴孔技術

導向孔完成后，卸下起始桿和導向鉆頭，換回擴鉆頭進行回擴。回擴過程中始終保持合適的泥漿量，對泥漿各性能參數進行不定期檢測，以調整泥漿性能指標。根據地層的實際特點，合理控制回擴鉆進速度，以利排渣。擴孔分3～5次完成，最后一次回擴需采用相應的擠擴式鉆頭，若回拖力和回擴扭矩較大，則需多回擴1次，以利于孔壁成形和穩定。

在回拉擴孔階段，要求嚴格按照擴孔級別進行擴孔，不允許越級擴孔。擴孔孔徑為設計管徑的1.2～1.5倍，超出這個范圍，容易發生塌孔事故，而且會加大注漿工程量，增加施工成本，甚至還會影響管道的高程。如果孔徑小于1.2倍，拉管過程中泥漿不易排出。

3.4 PE管連接技術

PE管的連接非常重要，該工程PE管的連接可采用熱熔連接方式，即用熱熔焊機將2根連接管道的端面進行加熱，使其熔化，然后迅速將其粘接，保持一定的壓力，經冷卻后達到熔接的目的。該方法經濟、安全、可靠，由于接口壁厚增加，其接口在承壓和承拉時強度均比管材本身強度高。PE管長度較長，有一定的彎曲半徑且需穿越河流，對密封性要求高，所以熱熔時對接加熱板溫度、焊接壓力、卷邊高度、吸熱壓力、焊接對接時間、切換周期要符合規范要求，從而確保焊接質量。

3.5 拉管技術

在回拉過程中，總的回拉力、軸向拉伸應力及扭應力構成了影響回拉施工技術的主要因素，以下對這些影響因素進行研究并提出相應的優化措施。

3.5.1 定向穿越回拉過程中總的回拉力

在PE管管材回拉過程中，管材承受摩擦拖動阻力(由管材和鉆孔或泥漿之間的摩擦拖動、地面上的摩擦拖動產生)、沿鉆道彎曲產生的“絞盤力”、流體力學推力產生的流體阻力等。根據美國塑料管協會(PPI)資料，其受力計算公式為

式中:Fp為摩擦拖動阻力，N;f為管材與鉆探泥漿之間的摩擦因數(一般取0.25)或管材與地面之間的摩擦因數(一般取0.40);WB為單位長度管材豎直方向上的合力，N/m;L為管材長度，m。

式中:Fc為絞盤力，N;e為自然對數的底數，e=2.71828;β 為管材的彎曲角度，rad。

式中:FHK為流體阻力，N;p為流體壓力，Pa;DH為鉆孔直徑，m;DOD為管材外徑，m。

式中:FT為總回拉力。

由此可見，在施工過程中，為了減小摩擦因數f，可采取以下措施:

(1)鉆進線路盡量筆直。

(2)盡量連續回拖，減少間斷回拖(利用動摩擦力小于相同狀態下最大靜摩擦力的原理)。

(3)回拉過程中注意保持穩定的泥漿環流。

通過減小入、出土角，可減小管材彎曲角度，從而減小絞盤力Fc，所以，在場地允許的情況下，開挖管道的曲線要盡量平緩。

3.5.2 軸向拉伸應力及扭應力

(1)軸向拉伸應力。在考慮實際問題時，應保證最大的軸向拉伸應力不超過管材的安全拉伸強度。最大的軸向拉伸應力等于由回拉摩擦拖動阻力、流體阻力在管材中產生的拉伸應力和由于管材彎曲產生的彎曲拉伸應力的總和。根據美國塑料管協會(PPI)資料，回拉過程中管材壁中的拉伸應力計算公式為

式中:σT為軸向拉伸應力，Pa;δ為管材壁厚，m;ET為隨時間變化的拉伸模量，Pa;R為管材在鉆孔中的彎曲半徑，m。

(2)扭應力。在擴孔和回拉階段，可采用一個分動器(或稱旋轉接頭)將旋轉的擴孔鉆頭與被拉的管材隔開，減小扭應力。對于標準尺寸率(SDR)為7～17的厚壁高密度PE管，由于使用了分動器，管材上的扭應力很小，不需進行詳細的工程分析。

在施工過程中，清孔鉆頭出土后，迅速組織人員、設備進行拉管施工。拉管施工時，必須沉著，勻速回拖;時刻關注回拖壓力表、水壓表、旋轉壓力表的變化情況，切忌緊張、急躁;遇到問題及時組織人員處理，當壓力表數值短時間劇烈變化時，屬于正常情況時可繼續拉管施工，切不可停;如果長時間壓力表數值偏大，則需要立即調動其他設備輔助拉管施工，切不可拖延。

4 結論與建議

在此次電纜穿河采用曲線拉管施工過程中，由于在導向施工、注漿減摩、回拉擴孔等曲線拉管關鍵技術上把握較好，使該頂管工程實際用時7 d就順利貫通，取得了較為成熟的經驗。

(1)頂進設備姿態控制精度高。此次頂管運用了自動測量引導系統，很好地解決了曲線測量難題，滿足了曲線頂管“勤測勤糾”和控制好頂進軸線的要求，使240 m頂程控制在±60 mm之內，機頭準確貫通進洞，向下偏差為3.2 cm，向左偏差為5.0 cm。

(2)注漿減摩效果好。此次機頭頂進總推力為5650 kN，掘進機迎面阻力為580 kN，頂進阻力小，充分說明了注漿減摩效果好。

(3)地表沉降小。地面沉降位移最大值為4.3 cm，平均沉降位移值為2.3 cm，沉降值小說明施工效果良好。

(4)注漿池要采用有效的抗滲措施，并且要遠離工作井和接收井，以免塌方。

曲線拉管施工技術屬于較新技術，目前還處于實踐階段，在220 kV電纜穿越河流的工程應用尚不多見，這就要求工程技術人員及時總結經驗教訓，進一步推動拉管技術的發展，讓拉管技術在非開挖工程實踐中發揮更大的作用。

［1］余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術［M］.北京:人民交通出版社，1997.

［2］李慧民.土木工程施工技術［M］.北京:中國計劃出版社，2001.

［3］朱合華，張子新，廖少明，等.地下建筑結構［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［4］中國非開挖技術協會.頂管施工技術及驗收規范(試行)［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［5］陳至誠.水平導向鉆進非開挖鋪管技術應用［J］.市政技術，2005(1):19－22.

［6］斯維特利克H E，張偉.向鉆進鋪管施工用高密度聚乙烯管的設計準則［J］.巖土鉆鑿工程，1998(2):66－73.

［7］于文才.聚乙烯(PE)管應用于定向鉆的探討［J］.上海煤氣，2006(5):16－17.

［8］DBJ 13－102—2008，水平定向鉆進管線鋪設工程技術規程［S］.

［9］蘄建林.水平定向鉆進技術在鋪設PE污水管道中的應用［J］.科學咨詢，2007(5):38－39.

［10］劉念晶，陳艷軍，徐愛東，等.熱控防火封堵的設計及研究［J］.華電技術，2010，32(1):18－21.

［11］陳志強，徐愛東.熱控電纜數字化布線在上灣電廠的應用［J］.華電技術，2011，33(5):31－34.