曲线拉管在220 kV电缆穿越河流中的应用

2011-09-04李鲁邱昌胜赵东旭王丽娜

综合智慧能源 2011年9期

李鲁，邱昌胜，赵东旭，王丽娜

(国核电力规划设计研究院，北京 100094)

0 引言

20世纪90年代以来，在我国的城市化建设进程中，非开挖施工技术已经在市政给排水、油气管道等工程中广泛应用，非开挖技术包括盾构、顶管、拉管等多种施工技术。为了适应城市建设的需要以及减少施工对城市人民生活的影响，长距离、大口径、小口径、深埋、浅埋等拉管技术在电力管线工程中发展很快，电缆拉管材料由钢管发展到以合成材料为主的PE拉管。PE拉管以其适合温度范围大、抗压、抗冲击性强、耐酸碱、耐老化、使用寿命长等特点越来越受到欢迎。推进管子的轨迹由直线拉管发展到曲线拉管，曲线形状也越来越复杂，不仅有单一曲线，也有复合曲线(如S形曲线);不仅有水平曲线，也有竖直曲线以及水平和竖直兼而有之的复杂曲线等。从曲线拉管的应用范围来看，管道内径可达1650～3500 mm，一次顶程最大可达1200m，曲率半径最小不到400 m，并且发展到双管近间距(间距不到管外径的一半)曲线拉管。这种技术的优点是:不开挖地面;不拆迁，不破坏地面建筑物;不影响交通;不破坏环境;施工不受气候和环境的影响;不影响管道的段差变形;省时、高效、安全，综合造价低。

曲线拉管施工质量总体上较好，但也出现了一些问题，本文结合具体工程实例，对曲线拉管施工中的一些关键技术问题进行分析。

1 工程背景

某变电站至某牵引站之间根据规划以地埋方式敷设电缆，其中某段电缆敷设需要穿越一条河流，河段宽约25 m，为单式河槽，水深约3.0 m，左(北)岸筑有堤防，堤高约1 m，宽约50 m，右(南)岸河堤尺寸同左岸。该河已规划为景观河道，刚刚经过整治，河道断面规整，河道顺直、稳定，未发现冲刷、坍塌现象。现场历史洪水记录表明，该河道在遭遇历史最大洪水时未曾发生洪水漫堤情况，现场排水条件较好。勘测资料显示，线路沿线地下水位埋深较浅，勘测期间，地下水稳定水位埋深均大于6.00 m。据调查，沿线常年最高地下水位为1.00 m。地下水类型为第四系孔隙潜水，以大气降水、灌溉入渗为主要补给源，以蒸发及人工取水为主要排泄方式。土层0.0～10.0 m为粉土，黄褐色，稍密，稍湿到较湿。其地基承载力特征值为120 kPa。

查阅水利部门的相关资料可知，该河无通航规划，无展宽、改道、堤坝加高等规划，设计河底高程按13 m考虑，电缆应布置于设计河底高程2.5 m以下，施工时应取得河道主管部门的同意。由于景观要求，不允许沿桥明设，最终确定电缆穿河采用曲线拉管方式穿越。拉管曲线长度约240 m，曲线弯曲半径约750 m。拉管两头接电缆隧道，拉管覆土层平均厚为3.3～10.0 m。拉管管材选用PE电缆保护管，电缆保护管型号为 DE710－PE100－1.0 MPa。曲线拉管穿河示意图如图1所示。

2 曲线拉管的施工原理

图1 曲线拉管穿河纵断面示意图

在直线拉管中，管节在机头的引导下不是直线运动，而是上下左右变化的，通过纠偏掘进。曲线拉管就是通过一定的方法(如曲线内外/侧的不同挖土量、纠偏千斤顶的不同行程、改变两侧土体特性等)使机头产生偏心，有控制地改变方向，为后续管节折线前进提供条件。在这里，曲线的形成和保持是技术的关键，它与管道曲率半径、管节接缝开口值、单节管节几何尺寸、管径大小、管节接缝形式、土体特性、机头形式和设备性能等有关。曲线拉管的施工过程为:先根据预先设计好的辅管路线驱动装有楔形钻头的钻杆从地面钻入，地面仪器接收由地下钻头内传感器发出的信息，控制钻头按照预定的方向顶进，钻头在出口出土后卸下，换装适当尺寸和特殊类型的回程扩大器，使之能够在拉回钻杆的同时将钻孔扩大至所需直径，并将需要铺装的管线同时返程迁回钻孔入口处。在整个工作过程中，特别混合组的钻孔混合液不断从钻头的钻口嘴喷出，用以润滑钻头、钻杆和钻道，以提高工作效率。

3 曲线拉管施工注意事项

3.1 导向施工注意事项

曲线顶进中轴线控制一般遵循2个原则:

(1)由直线进入曲线时，应在设计起弯点前数米处提前转弯;

(2)曲线段的施工轴线要控制在设计轴线的内侧。

在导向孔钻进过程中使用无线控向系统，在出、入土点两侧中心线布置地面信标系统，钻杆内连接的通信装置将钻具的位置反馈回控向室以便司钻随时掌握工具面及方位，利用地面信标系统准确找出穿越中心线的方位角，同时有效防止外来磁场的干扰。在开钻前利用经纬仪找出穿越中心线的准确位置并做好标记，以此为基准控制导向的左、右偏差。导向孔钻孔精度目标为:出土点沿设计曲线的纵向偏差应不大于穿越长度的1%且不大于0.30 m;横向偏差应不大于穿越长度的 1.5%且不大于0.45 m。

3.2 曲线拉管的顶力控制技术

当顶力值过大，后背结构或管材强度不能承受全部顶力时，就应采取适当的辅助措施，如采用膨润土泥浆润滑减摩。当顶距较长，采用减阻措施不能满足要求时，就要在中间段设置中继间进行接力顶进。该工程采用注浆减摩措施。

3.2.1 泥浆控制

(1)泥浆是定向穿越中的关键因素。由于穿越所经地层为粉质黏土，对泥浆成孔、固壁性能要求较高。为此将采取以下措施:按照事先确定好的泥浆配比用一级钠基膨润土加上泥浆添加剂配出符合要求的泥浆，使用的泥浆添加剂有降失水剂、固壁剂、润滑剂等类型。为确保泥浆的性能，保证膨润土有足够的水化时间，将采用2套加料配浆系统，延长泥浆循环周期。现场配备泥浆回收处理系统，使泥浆循环使用，最大限度地减少环境污染。

(2)选用打井或运输的淡水，水的pH值为9～10时最适合膨润土的水化。

(3)根据穿越段地层情况，穿越泥浆黏度控制在45～60 S。

3.2.2 压浆工作

鉴于曲线拉管的施工特点，压浆工作显得尤为重要。首先，对浆液要求较高，膨润土泥浆的运动流限与静止流限之比应控制在1∶10～1∶6，当顶进时，泥浆触变呈溶胶状态，可起润滑作用;而停顶时，泥浆呈凝胶状态，可起支撑作用。其次，为了均匀地使管壁外侧充满浆液，压浆孔的布置很重要，其压浆孔数量和纵向间距布置应满足前部多于后部的原则;操作时应同步注浆。

3.3 回拉扩孔技术

导向孔完成后，卸下起始杆和导向钻头，换回扩钻头进行回扩。回扩过程中始终保持合适的泥浆量，对泥浆各性能参数进行不定期检测，以调整泥浆性能指标。根据地层的实际特点，合理控制回扩钻进速度，以利排渣。扩孔分3～5次完成，最后一次回扩需采用相应的挤扩式钻头，若回拖力和回扩扭矩较大，则需多回扩1次，以利于孔壁成形和稳定。

在回拉扩孔阶段，要求严格按照扩孔级别进行扩孔，不允许越级扩孔。扩孔孔径为设计管径的1.2～1.5倍，超出这个范围，容易发生塌孔事故，而且会加大注浆工程量，增加施工成本，甚至还会影响管道的高程。如果孔径小于1.2倍，拉管过程中泥浆不易排出。

3.4 PE管连接技术

PE管的连接非常重要，该工程PE管的连接可采用热熔连接方式，即用热熔焊机将2根连接管道的端面进行加热，使其熔化，然后迅速将其粘接，保持一定的压力，经冷却后达到熔接的目的。该方法经济、安全、可靠，由于接口壁厚增加，其接口在承压和承拉时强度均比管材本身强度高。PE管长度较长，有一定的弯曲半径且需穿越河流，对密封性要求高，所以热熔时对接加热板温度、焊接压力、卷边高度、吸热压力、焊接对接时间、切换周期要符合规范要求，从而确保焊接质量。

3.5 拉管技术

在回拉过程中，总的回拉力、轴向拉伸应力及扭应力构成了影响回拉施工技术的主要因素，以下对这些影响因素进行研究并提出相应的优化措施。

3.5.1 定向穿越回拉过程中总的回拉力

在PE管管材回拉过程中，管材承受摩擦拖动阻力(由管材和钻孔或泥浆之间的摩擦拖动、地面上的摩擦拖动产生)、沿钻道弯曲产生的“绞盘力”、流体力学推力产生的流体阻力等。根据美国塑料管协会(PPI)资料，其受力计算公式为

式中:Fp为摩擦拖动阻力，N;f为管材与钻探泥浆之间的摩擦因数(一般取0.25)或管材与地面之间的摩擦因数(一般取0.40);WB为单位长度管材竖直方向上的合力，N/m;L为管材长度，m。

式中:Fc为绞盘力，N;e为自然对数的底数，e=2.71828;β 为管材的弯曲角度，rad。

式中:FHK为流体阻力，N;p为流体压力，Pa;DH为钻孔直径，m;DOD为管材外径，m。

式中:FT为总回拉力。

由此可见，在施工过程中，为了减小摩擦因数f，可采取以下措施:

(1)钻进线路尽量笔直。

(2)尽量连续回拖，减少间断回拖(利用动摩擦力小于相同状态下最大静摩擦力的原理)。

(3)回拉过程中注意保持稳定的泥浆环流。

通过减小入、出土角，可减小管材弯曲角度，从而减小绞盘力Fc，所以，在场地允许的情况下，开挖管道的曲线要尽量平缓。

3.5.2 轴向拉伸应力及扭应力

(1)轴向拉伸应力。在考虑实际问题时，应保证最大的轴向拉伸应力不超过管材的安全拉伸强度。最大的轴向拉伸应力等于由回拉摩擦拖动阻力、流体阻力在管材中产生的拉伸应力和由于管材弯曲产生的弯曲拉伸应力的总和。根据美国塑料管协会(PPI)资料，回拉过程中管材壁中的拉伸应力计算公式为

式中:σT为轴向拉伸应力，Pa;δ为管材壁厚，m;ET为随时间变化的拉伸模量，Pa;R为管材在钻孔中的弯曲半径，m。

(2)扭应力。在扩孔和回拉阶段，可采用一个分动器(或称旋转接头)将旋转的扩孔钻头与被拉的管材隔开，减小扭应力。对于标准尺寸率(SDR)为7～17的厚壁高密度PE管，由于使用了分动器，管材上的扭应力很小，不需进行详细的工程分析。

在施工过程中，清孔钻头出土后，迅速组织人员、设备进行拉管施工。拉管施工时，必须沉着，匀速回拖;时刻关注回拖压力表、水压表、旋转压力表的变化情况，切忌紧张、急躁;遇到问题及时组织人员处理，当压力表数值短时间剧烈变化时，属于正常情况时可继续拉管施工，切不可停;如果长时间压力表数值偏大，则需要立即调动其他设备辅助拉管施工，切不可拖延。