钻越高速公路电缆隧道方案的比选及设计

安忠海 王文明 郑和华 滕雪松

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

钻越高速公路电缆隧道方案的比选及设计

安忠海 王文明 郑和华 滕雪松

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

以某电缆隧道钻越高速公路工程为例，提出了2种钻越方案，通过方案比选，推荐采用顶管方案。进行了顶管关键环节设计，得出顶管方案的各项指标符合要求，在技术上可行。

电缆隧道，钻越，高速公路，顶管，沉降

0 引言

随着城市的发展，一些工程的建设需要占用已有高压输电线路走廊，此时需要进行电力线路迁改。电缆隧道和电缆顶管方式由于不占用地上空间，在城市高压输电线路迁改中已成为趋势。电缆隧道适用于建设场地较开阔，且地下管线和地上建筑对工程施工影响较小的区域；电缆顶管适用于建设场地较紧凑，不适宜大开挖施工的区域。城市电缆线路与现有道路交叉在所难免，而当前城市对工程的环保、安全、社会影响等要求越来越高，电缆线路钻越高速公路、城市道路、铁路时，钻越方案的选择越来越重要。

1 工程背景

为保证某地铁车辆基地的顺利建设，需对车辆基地内的高压电力线路进行迁改，结合各部门意见，车辆基地内2回220 kV，2回110 kV高压电力线路迁改后改为电缆敷设方式，220 kV电缆规格为ZC-YJLW02-Z127/220 kV 1×1 600 mm2，110 kV电缆规格为ZR-YJLW03-Z 64/110 kV 1×630 mm2，电缆隧道外截面尺寸为2.4 m×2.4 m，选定路径需钻越沈海高速公路。

2 钻越高速公路方案的比选

2.1方案设计

现场踏勘后，经与高速公路管理部门和地铁业主沟通，形成以下初步方案。

2.1.1方案一:桥下钻越

结合现场实际情况，利用已有高速公路桥梁，电缆隧道从高速公路桥梁下方钻越，然后继续沿现状道路敷设，钻越桥洞处断面如图1所示。

2.1.2方案二：顶管钻越

采用非开挖顶管钻越高速公路，顶管的顶进井和接收井分别设置在高速公路两侧绿化带中。顶进井、接收井距高速公路排水沟边9.7 m，距高速公路路沿石20 m，顶管总长度67 m，如图2所示。

2.2方案比选

1)方案一：该方案沿既有桥洞钻越高速公路，对高速公路或路堤基本无影响，也没有路面沉降的风险，但存在以下问题：由于桥洞净宽5.6 m，一侧有宽2.0 m的排水沟，电缆隧道可利用宽度为3.6 m，隧道自身宽度3.0 m，开挖深度4.0 m，隧道外壁距桥梁侧壁为0.6 m<1.0 m，极易引起桥梁基础的滑移，难以保证桥梁的安全。而且在高速公路下开挖不环保，对社会影响较大。

该方案电缆隧道长度200 m，采用开挖施工，需考虑高速公路桥梁基础加固及道路恢复费用，总造价约860万元。

2)方案二：经勘查，顶管路段地质条件较好，不存在软土，地层分布情况见图3。顶管所在层为第④层中风化泥质砂岩，岩石强度小于15 MPa，适合顶管施工[1]。顶管为非开挖，对社会影响小，环境友好，但是需要做好高速公路路面沉降控制等关键环节设计。

该方案电缆隧道长度63 m，电缆顶管长度67 m，电缆隧道部分采用开挖施工，电缆顶管部分采用非开挖施工，考虑高速公路绿化带补偿费用，总造价约750万元。

2.3方案确定

方案一在技术上可行，总造价较高，但安全上存在较大风险，施工难操作，而且在高速公路下大开挖不环保，对社会影响较大。方案二采用非开挖技术，在技术上可行，总造价较低，且基本无安全风险和社会影响，施工技术成熟。最终选定方案二为设计推荐方案。

3 顶管设计

采用直线顶管法施工，管道净尺寸φ2 600，壁厚235 mm，外截面尺寸φ3 070，混凝土等级C50，允许顶力12 300 kN[8]，土层物理力学性质见表1。

表1 土层物理力学性质参数表

为了满足规范要求[1]和防止由于覆土过小产生的地面隆起及顶进偏差，高速公路两侧坡脚处顶管覆土取9.0 m>4.6 m(1.5倍管道外径)，高速公路路面正下方顶管覆土13.0 m，高速公路车辆的活荷载对顶管管身基本无影响[2]。

3.1沉降预测

顶管的施工不可避免会扰动地层，产生应力重分布，引起地层变形。顶管引起的地面沉降虽是三维的，但一般简化为平面问题进行分析，主要有横向沉降分析和纵向沉降分析。目前，横向沉降分析主要采用Peck法[3]，见式(1),式(2)，纵向沉降分析主要采用修正Sagaseta公式[4]进行计算，见式(3)，该公式考虑了土体泊松比及采用椭圆形非等量径向土体移动模式。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x——距管道轴线的横向水平距离,m；

y——距管道轴线的纵向水平距离,m；

i——地面沉降槽系数,m；

φ——土的内摩擦角；

μ——土的泊松比；

h——管道中心至地面的覆土深度；

Smax——顶进管道轴线上方的最大地面沉降量,m；

S(x)——x处的地面沉降量,m；

Vs——超挖量。

按Peck法式(2)求得高速公路坡脚处最大沉降量为19.4 mm，高速公路路面处最大沉降量为14.3 mm；按修正Sagaseta式(3)求得高速公路坡脚处最大沉降量为19.6 mm，高速公路路面处最大沉降量为13.6 mm；沉降量未超过20 mm限值，满足要求[1]。

3.2顶进力估算

顶管施工中的顶进力需要克服顶进过程中的各种阻力和多种外界因素的影响，是保证整个管道系统和推进设备向前运动的力。目前我国采用的顶力估算公式都是认为顶进力由迎面阻力与管道摩阻力两部分组成[1,5-7]，如图4所示。

P=PF+F

(5)

F=πD0Lfk

(6)

式中：P——顶进力,kN；

PF——迎面阻力,kN；

F——管道摩阻力,kN；

D0——管道外径,m；

L——管道设计顶进长度,m;

fk——管道外壁与土的平均摩阻力,kN/m2。

采用触变泥浆减阻技术后，估算可得本段顶管总顶力为3 890 kN[5]，小于12 300 kN的允许顶力[8]。

3.3顶管机选型

根据地质资料选择合适的顶管机是顶管施工能否顺利进行的基本要素之一。选用顶管机要遵循适应性、可靠性、安全性和经济性的原则。加泥式土压平衡顶管机适用于N值为0～50，而一般顶管机无法适应的固结性粘土、砂砾和岩体强度小于15 MPa的软岩[3]。加泥式土压平衡顶管机具有可以向泥土仓中加泥，刀盘后部焊有搅拌棒，开口率达到100%，结构简单、重量轻的特点。本工程采用该类型顶管机符合实际地质情况，能最大限度的减少施工扰动，保证工程的顺利进行。

3.4工作井设计

工作井的尺寸要考虑管道下放、各种设备进出、人员上下、井内操作、测量等必要的空间，以及排弃弃土设施的位置等。本工程工作井采用矩形沉井形式，顶进井尺寸L×B×H=8.0 m×6.5 m×8.5 m，接收井尺寸L×B×H=5.0 m×5.0 m×8.5 m，为使沉井顺利下沉，采用四周管井降水。

3.5注浆

触变泥浆在顶管施工中的作用为：减小管道与土体的摩阻力；填补管外壁与土层之间的空隙；利用注浆压力，支撑土体，减小土体变形，稳定管洞。在施工前，在管壁上预留注浆孔，搅拌好泥浆。在管道前加一超前环，以形成10 mm～20 mm的超挖量为触变泥浆层。为减小地面的沉降，施工后在管外壁与土层之间用水泥砂浆置换出触变泥浆。

4 结语

顶管作为非开挖技术的一种，具有环境效益好，无污染，最大限度减小对交通的干扰的优点。在设计方案比选中，综合考虑技术、造价、安全、环保、社会影响等因素，选定顶管方案作为本工程电缆隧道钻越高速公路的推荐方案，经过顶管关键环节设计表明该方案满足要求，切实可行。

[1] CECS 246—2008,给水排水工程顶管技术规程[S].

[2] 王光明，萧 岩．汽车荷载对管道的作用标准值计算分析[J].特种结构，2007，24(3)：45-48.

[3] 葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[4] 魏 纲，吴华君，陈春来.顶管施工中土体损失引起的沉降预测[J].岩石力学与工程学报，2007，28(2)：359-363.

[5] DL/T 5484—2013,电力电缆隧道设计规程[S].

[6] GB 50268—2008,给水排水管道工程施工及验收规范[S].

[7] DGT J08—2049—2016,顶管工程施工规程[S].

[8] JC/T 640——2010,顶进施工法用钢筋混凝土排水管[S].

Comparisonanddesignofcabletunnelschemesfordrillingthroughtheexpressway

AnZhonghaiWangWenmingZhengHehuaTengXuesong

(ShandongElectricPowerEngineeringConsultingInstituteCo.,Ltd,Jinan250013,China)

Taking a cable tunnel drilling through the expressway project as an example, two schemes are put forward. The pipe jacking scheme is recommended by the scheme comparison. Not only the indexes of the pipe jacking scheme meet the requirements, but also it’s technically feasible by designing the key link.

cable tunnel, drilling through, expressway, pipe jacking, settlement

1009-6825(2017)30-0168-03

2017-08-13

安忠海(1983- )，男，工程师； 王文明(1987- )，男，高级工程师； 郑和华(1983- )，男，工程师；滕雪松(1986- )，男，工程师

U455.4

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