電力隧道結構設計及新技術研究

馮前偉

(上海同濟工程項目管理咨詢有限公司，上海 200092)

0 引言

中國城市經濟發展迅速，城市用電量需求急劇增大，國內各大中城市已開展了大量的電網規劃建設工作。為滿足城市規劃、經濟發展水平與電網規劃建設的協調發展，修建大型地下變配電設施及大截面的專用輸電隧道勢在必行。

從地下電力隧道特點和設計難點出發，結合各地電力隧道工程實際經驗，針對其設計、施工難點，對電力隧道設計和規劃所采用的新技術做了歸納總結，以期為此類工程設計及施工提供借鑒和幫助。

1 電力隧道設計難點

電力隧道設計盡管在很大程度上與地鐵隧道類似，比如采用盾構法施工，其直徑、管片分塊方式及厚度等等都可以沿用常規的地鐵設計方案。然而，電力隧道也需要解決一些特殊的設計問題，主要有以下幾個方面:

1)選擇適合的施工方法。電力隧道的設計通常要求斷面直徑在4.0 m～5.5 m之間，若根據供電需求不需特大的截面凈空，則可以考慮選用較小的隧道截面，而施工方法也不僅僅局限于盾構法，可以采用頂管法施工。

2)截面形狀的設計。電力隧道根據其使用功能和輸電能力要求，一般選用圓形盾構隧道;頂管施工的隧道可選擇矩形和圓形兩種截面形狀，而矩形截面隧道的凈空利用率較高，相比之下此截面形式較為合理，但也由于各種綜合因素，采用圓形頂管施工電力隧道的工程也不少。

3)內部設施的布置和荷載。電力隧道內部設施通常為橫擔支架、電纜以及一些其他電力設備，其布置方式將影響隧道結構的傳力模式，需要在設計階段，根據內部設施布置方案進行襯砌結構受力的合理性及穩定性的驗算分析，確保工程的安全性。

4)電力隧道需要設計一定數量的電纜引出井，電力隧道內敷設的電纜線路將由電纜引出井引出。盾構隧道由管片拼裝而成，管片之間或環與環間均采用螺栓連接，這種結構受力不適合承受外力集中荷載，因此給引出井的設置造成了一定困難。

5)電力隧道轉彎半徑在理論上是不受電纜敷設限制的，然而盾構或頂管直徑越大則隧道轉彎越困難，解決開挖面積與轉彎半徑之間的矛盾，也是電力隧道設計的一個重點課題。

2 工法選擇及原則

電力隧道的設計多采用頂管法施工，而對于截面較大的隧道(比如隧道直徑超過3.5 m)則通常考慮采用盾構法施工。明挖法對于城市地面交通造成很大的干擾，通常只在市郊等地允許對地表進行挖掘時采用。

通常情況下，電力隧道可根據內部尺寸確定適宜的工法，如表1所示。

表1 隧道工法的選擇 m

一般來說，頂管法施工的區間隧道管徑過大，則會導致頂進阻力過大、前進方向難以控制等問題，隨著工程技術的進步，內徑達5 m以上的頂管工程實例也日益增加，如上海靜安輸電隧道頂管段直徑為5.2 m。

大斷面的頂管工程設計除了要解決好工作井設置、頂管頂力估算、承壓壁后靠結構及土體穩定問題等，還考慮以下幾點因素來確保頂進方向及工程質量:

1)采用適合的頂管機械設備。

泥水平衡式和多刀盤土壓平衡式頂管比較適合上海軟土地區的隧道開挖。多刀盤土壓平衡頂管機[1]將通常的全斷面切削刀盤改成4個獨立的切削攪拌刀盤，尤其適用于軟粘土層的頂管，同時采用了土壓平衡原理，對地面和地下建筑物影響較小，可以安全的穿越公路、鐵路、河川、房屋及各種地下市政管道，但由于不是全斷面切削，迎面頂力較大。

2)保證頂管接頭施工質量。

不論采用何種形式的頂管接頭，都應該保證槽口尺寸準確、對接性能優良;頂管橡膠圈材質致密均勻，無裂縫，鋼套環應進行防腐處理，承插時外力均勻，保證橡膠圈不移位，不露出管外，頂管結束后，按要求以彈性密封膏或水泥砂漿填料填充管內間隙，從而保證頂管接頭處的密封性良好，保證接頭抗滲漏水性可靠。

3)采用中繼環結構，增加頂進距離[2]。

在長距離的頂管工程中，當頂進阻力超過主千斤頂的容許總頂力、管節容許極限壓力，或工作井承壓壁后靠土體極限反推力之一，無法一次達到頂進距離要求時，應采用中繼接力頂進技術。當置于管道中的中繼環數量超過3只時，應當采用中繼環自動控制技術，將每隔3個中繼環同時頂進，則可以解決長距離頂管中繼環施工的工效問題。

4)頂進方向控制技術。

超長距離大口徑鋼管頂管工程，最主要的技術難點就是頂進方向控制問題。根據一般工程經驗，鋼管是焊接成一個整體的，當它順著彎曲的土洞前進時必定會出現彈性的彎曲變形，容易發生頂進方向失控的事故[3，4]，而混凝土管可以很靈活地順著彎曲的土洞前進，糾偏較容易。

5)觸變泥漿減阻措施。

將一定配合比制成的膨潤土泥漿壓入頂進管節外壁，在管壁外周形成一個泥漿外環，能夠大大減小頂管施工過程中的前進阻力，從而提高工程效率，增加管段頂進長度。將管外注漿與機頭注漿、管道補漿相結合，頂管后期用遲凝泥漿置換觸變泥漿。

3 電纜支架設計

電力隧道工程除需要對線路規劃、管道結構等進行詳細的設計外，同時對其內部設施和布置進行優化設計，提高整個電網工程的供電能力也十分重要，傳統的支架設計方案及電纜敷設方式都亟需改進。比如上海市新江灣城電力隧道工程[5]設計中，電力隧道設計除采用了頂管法、沉井法和SMW圍護工法以外，還考慮了電纜敷設的使用要求，以及隧道內部通風、供配電、照明以及監控等附屬設施優化設計等。

上海世博輸電隧道也對電纜敷設及電纜支架的設計提出了更高的要求[6，7]:

1)為提高隧道斷面利用率，采用新型的弧形支架;弧形支架與支架橫擔間的連接多采用螺栓連接，減少了焊接施工，提高了安裝效率，也提升了安裝質量(見圖1)。

2)電纜采用蛇形敷設方式，避免電纜線位變化、滑落或是電纜及附件的損壞。上海靜安世博電力專用隧道采用三角形布置方式，以減少電纜支架的渦流損耗影響和降低電纜金屬護套感應電壓;隧道內電纜采用連續垂直蛇形敷設方法，蛇形節距在盾構和明挖段為6 000 mm，在頂管段為6 250 mm。

3)為保證電纜支架耐久性和承載力要求，500 kV電纜支架橫擔首次采用不銹鋼矩形方管，材質為0Cr18Ni9;500 kV電纜重量約為220 kV電纜的2倍，因此支架橫擔以抗彎剛度較大的矩形截面管取代普通的等肢角鋼，從而保證支架的強度和穩定性。

4)采用新型電纜夾具及蝶形支架。目前可采用的鋁合金夾具增加了夾固件對電纜的接觸面和緊固力，能夠有效防止電纜由于電動力產生的位移，能夠承受因短路電流產生的點動力的沖擊。同時在夾具兩側采用了蝶形支架，很好的保護和固定了電纜。

4 結語

隨著城市供電需求和電網建設規劃發展，地下電力傳輸及變配電設施正在逐步的發展和完善，電力隧道結構及內部設施設計都面臨著新的問題和挑戰。

本文就現代電力隧道修建過程中所遇到的技術難點及所采用的新技術進行了歸納總結，為今后電力專用輸電隧道結構及電纜支架設計提供可借鑒的技術和經驗。

[1]劉小利，焦如義.鋼質管道非開挖頂管技術與裝備[J].油氣儲運，2010，29(7):553-556.

[2]王樹理.地下建筑結構設計[M].北京:清華大學出版社，2008:130-131.

[3]楊國新，孫煥斌.超長距離大口徑鋼管頂進方向控制技術[J].特種結構，2010，27(2):102-104.

[4]余彬泉，陳傳燦.頂管施工技術[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]薛麗偉，潘國慶.新江灣城電力電纜隧道設計[J].上海電力，2006(3):232-237.

[6]周 輝，方 浩，張永隆.新型電纜支架在長距離500 kV電力隧道中的應用[J].華東電力，2010，38(4):1549-1551.

[7]姚煒峻，王振偉.電力電纜隧道內的技術創新和應用[J].上海電力，2006(6):621-625.