水平定向钻铺设钢管内敷设高压电缆技术研究

高飞 罗辑 屠越

(国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏南京 210005)

0 引言

随着城市经济的快速发展和城市化进程的加快，高压电缆工程建设项目日益增多。受河流、道路等障碍物、周边环境、交通状况及城市中错综复杂的市政管线的影响，开槽铺设电缆管道越来越不适应城市发展的需要，顶管、盾构、水平定向钻等非开挖施工工艺的应用则越来越多。

不论是顶管或是盾构施工，对高压电缆工程施工而言皆存在施工周期长、资金投入大、施工风险高等缺点。水平定向钻与顶管或盾构相比，开挖孔径小、施工风险小、施工周期短、综合成本低，在电力工程建设中普遍应用。但常规铺设的电缆塑料保护管极易受到外力的破坏，给电缆的安全运行带来很大的安全隐患［1，2］，且电缆处于小口径塑料保护套中，散热性差，电缆往复的热伸缩变形易使金属护套老化，国网江苏省电力有限公司已发文严格控制非开挖定向钻技术的应用［3］。为避免常规塑料保护管敷设电缆的安全隐患，本文就水平定向钻铺设钢管内敷设高压电缆相关技术进行介绍，以供参考。

1 工程概况

秦淮—滨南220 kV线路工程位于南京市河西地区，路径全长约8 km，敷设截面为2 500 mm2的高压220 kV电缆。线路在大胜关大桥附近需穿越秦淮新河，与河道呈85°夹角，穿越处河底深度约13 m，河面宽度约为260 m，且秦淮新河为通航河道，需采用非开挖技术进行电缆通道施工。不论是顶管或是盾构施工工艺，均需在秦淮新河两岸设置开挖深度达30 m深的工作井，且该处邻近长江，地貌单元为长江河漫滩，地质条件较差。为减小工程建设对秦淮新河河堤的影响，并加快施工进度、减小投资，本工程确定采用水平定向钻铺设钢管内敷设高压电缆技术，首先采用水平定向钻技术对秦淮新河进行穿越，多级扩孔至所需孔径后将D790 mm×14 mm钢管回拖形成电缆通道，然后在钢管内敷设220 kV高压电缆。

目前，钢管内敷设电缆的方式有两种，第一种方式是在钢管内增设电缆塑料保护管，并利用大功率液压牵引机作为牵引设备，输送展放电缆［4］。由于电缆长度长，电缆与保护管间的摩擦力大，此种方式需大功率液压牵引机，且施工过程中对牵引力的控制要求极高，易对电缆造成损伤。第二种方式是为减小电缆敷设的牵引力，采用移动电缆抱箍固定电缆，在牵引设备的作用下，电缆移动抱箍带着电缆在钢管内部轴向滑动，完成电缆的敷设。此种方式将电缆敷设时电缆与管道的摩擦力转化为滑动力，电缆受力较小，大大降低了电缆敷设时的损伤风险。经综合比选，本工程采用第二种方式进行电缆敷设。

2 电缆抱箍装置

目前的高压电缆均是通过上下开合的夹具固定在通道内，但本工程由于钢管和电缆的热伸缩性能差异较大，因此在高压电缆敷设到河底钢管中后，电缆和钢管热胀冷缩的程度不同时，电缆与夹具之间的收缩程度不同，相互之间形成摩擦，易造成电缆表皮的破损，另外上述的固定方式的夹具，因钢管内径较小，不便于在封闭的钢管内部布置敷设电缆。

针对现有电缆在管道内敷设存在的电缆摩擦以及安装难题，本工程设计一种移动式电缆抱箍，通过抱箍与管道内壁之间的滑移，能够方便地将电缆敷设至内部空间较小的管道中，避免电缆与管道摩擦阻力大拉伤电缆。同时，在电缆发生温度变化时，管道内电缆通过与之固定的移动支架做适应性位置调整，减小电缆与管道壁发生相对运动时的摩擦阻力，实现电缆随温度变化在管道内的轴向伸缩运动，有效减小对电缆的损伤。

图2 移动式电缆抱箍实物图

图1 移动式电缆抱箍设计图

该移动式电缆抱箍装置(如图1，图2所示)为分体结构，包括若干拼合的夹体，夹体的内侧设置紧贴电芯外壁的弧面，每个夹体内侧弧面分别同时紧贴相邻的电缆外壁，保证三角形布置的电缆夹紧。移动式抱箍沿电缆轴线方向分段均匀布置，使电缆整体沿钢管轴线平直。夹体的外侧连接设置若干滚轮作为移动支架与铺设管道内壁之间的滚动滑移部件，同时支撑移动支架和线缆，可实现电缆和移动抱箍沿铺设管道的内部轴向滑动。

3 电缆敷设施工

首先采用水平定向钻技术铺设D790 mm×14 mm钢管，包括导向、扩孔、回拖等流程。钢管铺设完成后，需对钢管内壁用氧气进行吹扫，清除管内的障碍物和其他杂物及毛刺，确保管内畅通无阻。同时在气密条件下，利用空气压缩机产生的高压气体将连接有6 mm钢丝绳的活塞穿过钢管，然后依次连接绞磨机、葫芦、防绕器、拉力表、伸缩节及电缆牵引头(见图3)。

图3 电缆敷设示意图

根据设计要求和现场实际情况，清理一条正对钢管长约50 m～70 m的直线通道，通道内架设A，B，C三相电缆大盘架设，电缆大盘品字形排列。钢管一端至每个大盘间各固定4台电缆输送机，钢管的另一端设一台牵引机，牵引机与输送机同时工作，提供电缆敷设动力。当电缆进入管道内部前，每隔5 m固定一副圆环形移动电缆抱箍(见图4)，抱箍带着电缆在钢管内部轴向滑动，直至完成整根电缆的敷设。电缆进入管口时保持电缆头平直，如有弯曲采用电缆校直机进行校直。

图4 电缆敷设安装图

4 电缆伸缩补偿装置

电缆在钢管内敷设就位后，由于钢管沿纵断面呈抛物线形，电缆放置于管道中，因温度变化管道内的电缆会产生热胀冷缩现象，以及电缆在自身重力作用下有沿着管内壁下滑的趋势，为防止膨胀时电缆在管道内被折损，收缩时拉伤，必须采取吸收补偿伸缩的装置。

图5 电缆在钢管内受力示意图

电缆在钢管内受力如图5所示，电缆在钢管的圆弧段因自身重力存在较大沿圆弧面向下的分力F1，圆弧段电缆对直线段电缆形成向左的挤压力F2，直线段电缆敷设后处在轴向受压状态下。当电缆运行后，电缆温度升高，刚度随之下降，直线段电缆在挤压力F2作用下产生弯曲变形，随着变形量的增大可能导致电缆折损;另外当电缆温度升高时，直线段电缆伸长趋势，对圆弧段电缆产生向上推力F3，只有当该推力F3＞F2时，直线段电缆才会伸长。因此为保证电缆在热应力的作用下能够自由伸缩，必须根据电缆的刚性最大可能地减小圆弧段电缆沿圆弧面向下的分力F1。为此，本工程设计一种电缆伸缩补充装置，该装置一方面能够通过配重和动定滑轮组实现减小沿圆弧面向下的分力F1，另一方面电缆能够在装置下部滚轮的作用下沿电缆轴向方向运动，确保电缆能够自由地伸长和缩短。

图6 电缆收缩补偿装置平面图

图7 电缆收缩补偿装置侧面图

图8 电缆伸缩补充装置现场安装图

电缆伸缩补偿装置(如图6～图8所示)由含配重机构的滑动装置(如图9所示)和补偿段滚轮装置(如图10所示)组成。滑动装置(图6，图7中标记1)通过配重产生拉力，以此来减小钢管圆弧段电缆由于自重对直线段电缆形成的挤压力，同时装置下部滑轮能使电缆不同状态下沿轴向自由地伸长和缩短，实现电缆的安全运行［5］。

图9 配重机构示意图

补偿段滚轮装置(图10，图6，图7中标记2)由上下两组滑轮组成，上侧可滑动滚轮通过螺杆与竖向立杆固定，具有一定下压力。当电缆穿过上下两组滑轮时能够向下弯曲，通过调节上下滑轮的间隙使得电缆的变形在一个比较固定的区域内。

图10 可滑动滚轮示意图

5 结语

本技术针对穿越江河时长距离高压电缆敷设难题，综合运用一系列的先进技术，包括采用水平定向钻铺设钢管形成电缆通道、特制圆环形移动电缆抱箍进行电缆敷设提高工作效率、设置滑动式电缆伸缩补偿装置吸收电缆热伸缩变形确保电缆运行安全可靠，有着较好的应用前景。