鉆越高速公路電纜隧道方案的比選及設計

安忠海 王文明 鄭和華 滕雪松

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

鉆越高速公路電纜隧道方案的比選及設計

安忠海 王文明 鄭和華 滕雪松

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

以某電纜隧道鉆越高速公路工程為例，提出了2種鉆越方案，通過方案比選，推薦采用頂管方案。進行了頂管關鍵環節設計，得出頂管方案的各項指標符合要求，在技術上可行。

電纜隧道，鉆越，高速公路，頂管，沉降

0 引言

隨著城市的發展，一些工程的建設需要占用已有高壓輸電線路走廊，此時需要進行電力線路遷改。電纜隧道和電纜頂管方式由于不占用地上空間，在城市高壓輸電線路遷改中已成為趨勢。電纜隧道適用于建設場地較開闊，且地下管線和地上建筑對工程施工影響較小的區域；電纜頂管適用于建設場地較緊湊，不適宜大開挖施工的區域。城市電纜線路與現有道路交叉在所難免，而當前城市對工程的環保、安全、社會影響等要求越來越高，電纜線路鉆越高速公路、城市道路、鐵路時，鉆越方案的選擇越來越重要。

1 工程背景

為保證某地鐵車輛基地的順利建設，需對車輛基地內的高壓電力線路進行遷改，結合各部門意見，車輛基地內2回220 kV，2回110 kV高壓電力線路遷改后改為電纜敷設方式，220 kV電纜規格為ZC-YJLW02-Z127/220 kV 1×1 600 mm2，110 kV電纜規格為ZR-YJLW03-Z 64/110 kV 1×630 mm2，電纜隧道外截面尺寸為2.4 m×2.4 m，選定路徑需鉆越沈海高速公路。

2 鉆越高速公路方案的比選

2.1方案設計

現場踏勘后，經與高速公路管理部門和地鐵業主溝通，形成以下初步方案。

2.1.1方案一:橋下鉆越

結合現場實際情況，利用已有高速公路橋梁，電纜隧道從高速公路橋梁下方鉆越，然后繼續沿現狀道路敷設，鉆越橋洞處斷面如圖1所示。

2.1.2方案二：頂管鉆越

采用非開挖頂管鉆越高速公路，頂管的頂進井和接收井分別設置在高速公路兩側綠化帶中。頂進井、接收井距高速公路排水溝邊9.7 m，距高速公路路沿石20 m，頂管總長度67 m，如圖2所示。

2.2方案比選

1)方案一：該方案沿既有橋洞鉆越高速公路，對高速公路或路堤基本無影響，也沒有路面沉降的風險，但存在以下問題：由于橋洞凈寬5.6 m，一側有寬2.0 m的排水溝，電纜隧道可利用寬度為3.6 m，隧道自身寬度3.0 m，開挖深度4.0 m，隧道外壁距橋梁側壁為0.6 m<1.0 m，極易引起橋梁基礎的滑移，難以保證橋梁的安全。而且在高速公路下開挖不環保，對社會影響較大。

該方案電纜隧道長度200 m，采用開挖施工，需考慮高速公路橋梁基礎加固及道路恢復費用，總造價約860萬元。

2)方案二：經勘查，頂管路段地質條件較好，不存在軟土，地層分布情況見圖3。頂管所在層為第④層中風化泥質砂巖，巖石強度小于15 MPa，適合頂管施工[1]。頂管為非開挖，對社會影響小，環境友好，但是需要做好高速公路路面沉降控制等關鍵環節設計。

該方案電纜隧道長度63 m，電纜頂管長度67 m，電纜隧道部分采用開挖施工，電纜頂管部分采用非開挖施工，考慮高速公路綠化帶補償費用，總造價約750萬元。

2.3方案確定

方案一在技術上可行，總造價較高，但安全上存在較大風險，施工難操作，而且在高速公路下大開挖不環保，對社會影響較大。方案二采用非開挖技術，在技術上可行，總造價較低，且基本無安全風險和社會影響，施工技術成熟。最終選定方案二為設計推薦方案。

3 頂管設計

采用直線頂管法施工，管道凈尺寸φ2 600，壁厚235 mm，外截面尺寸φ3 070，混凝土等級C50，允許頂力12 300 kN[8]，土層物理力學性質見表1。

表1 土層物理力學性質參數表

為了滿足規范要求[1]和防止由于覆土過小產生的地面隆起及頂進偏差，高速公路兩側坡腳處頂管覆土取9.0 m>4.6 m(1.5倍管道外徑)，高速公路路面正下方頂管覆土13.0 m，高速公路車輛的活荷載對頂管管身基本無影響[2]。

3.1沉降預測

頂管的施工不可避免會擾動地層，產生應力重分布，引起地層變形。頂管引起的地面沉降雖是三維的，但一般簡化為平面問題進行分析，主要有橫向沉降分析和縱向沉降分析。目前，橫向沉降分析主要采用Peck法[3]，見式(1),式(2)，縱向沉降分析主要采用修正Sagaseta公式[4]進行計算，見式(3)，該公式考慮了土體泊松比及采用橢圓形非等量徑向土體移動模式。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：x——距管道軸線的橫向水平距離,m；

y——距管道軸線的縱向水平距離,m；

i——地面沉降槽系數,m；

φ——土的內摩擦角；

μ——土的泊松比；

h——管道中心至地面的覆土深度；

Smax——頂進管道軸線上方的最大地面沉降量,m；

S(x)——x處的地面沉降量,m；

Vs——超挖量。

按Peck法式(2)求得高速公路坡腳處最大沉降量為19.4 mm，高速公路路面處最大沉降量為14.3 mm；按修正Sagaseta式(3)求得高速公路坡腳處最大沉降量為19.6 mm，高速公路路面處最大沉降量為13.6 mm；沉降量未超過20 mm限值，滿足要求[1]。

3.2頂進力估算

頂管施工中的頂進力需要克服頂進過程中的各種阻力和多種外界因素的影響，是保證整個管道系統和推進設備向前運動的力。目前我國采用的頂力估算公式都是認為頂進力由迎面阻力與管道摩阻力兩部分組成[1,5-7]，如圖4所示。

P=PF+F

(5)

F=πD0Lfk

(6)

式中：P——頂進力,kN；

PF——迎面阻力,kN；

F——管道摩阻力,kN；

D0——管道外徑,m；

L——管道設計頂進長度,m;

fk——管道外壁與土的平均摩阻力,kN/m2。

采用觸變泥漿減阻技術后，估算可得本段頂管總頂力為3 890 kN[5]，小于12 300 kN的允許頂力[8]。

3.3頂管機選型

根據地質資料選擇合適的頂管機是頂管施工能否順利進行的基本要素之一。選用頂管機要遵循適應性、可靠性、安全性和經濟性的原則。加泥式土壓平衡頂管機適用于N值為0～50，而一般頂管機無法適應的固結性粘土、砂礫和巖體強度小于15 MPa的軟巖[3]。加泥式土壓平衡頂管機具有可以向泥土倉中加泥，刀盤后部焊有攪拌棒，開口率達到100%，結構簡單、重量輕的特點。本工程采用該類型頂管機符合實際地質情況，能最大限度的減少施工擾動，保證工程的順利進行。

3.4工作井設計

工作井的尺寸要考慮管道下放、各種設備進出、人員上下、井內操作、測量等必要的空間，以及排棄棄土設施的位置等。本工程工作井采用矩形沉井形式，頂進井尺寸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，為使沉井順利下沉，采用四周管井降水。

3.5注漿

觸變泥漿在頂管施工中的作用為：減小管道與土體的摩阻力；填補管外壁與土層之間的空隙；利用注漿壓力，支撐土體，減小土體變形，穩定管洞。在施工前，在管壁上預留注漿孔，攪拌好泥漿。在管道前加一超前環，以形成10 mm～20 mm的超挖量為觸變泥漿層。為減小地面的沉降，施工后在管外壁與土層之間用水泥砂漿置換出觸變泥漿。

4 結語

頂管作為非開挖技術的一種，具有環境效益好，無污染，最大限度減小對交通的干擾的優點。在設計方案比選中，綜合考慮技術、造價、安全、環保、社會影響等因素，選定頂管方案作為本工程電纜隧道鉆越高速公路的推薦方案，經過頂管關鍵環節設計表明該方案滿足要求，切實可行。

[1] CECS 246—2008,給水排水工程頂管技術規程[S].

[2] 王光明，蕭 巖．汽車荷載對管道的作用標準值計算分析[J].特種結構，2007，24(3)：45-48.

[3] 葛春輝.頂管工程設計與施工[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[4] 魏 綱，吳華君，陳春來.頂管施工中土體損失引起的沉降預測[J].巖石力學與工程學報，2007，28(2)：359-363.

[5] DL/T 5484—2013,電力電纜隧道設計規程[S].

[6] GB 50268—2008,給水排水管道工程施工及驗收規范[S].

[7] DGT J08—2049—2016,頂管工程施工規程[S].

[8] JC/T 640——2010,頂進施工法用鋼筋混凝土排水管[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，工程師； 王文明(1987- )，男，高級工程師； 鄭和華(1983- )，男，工程師；滕雪松(1986- )，男，工程師

U455.4

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