非开挖水平定向钻应用于高压电力电缆线路的适用性分析

黄寅茂

（中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司，广东广州510000）

0 引言

目前非开挖水平定向钻技术由于具有对交通干扰小、对原状地貌及构筑物影响少等优点，广泛应用于我国城市高压电力电缆线路建设中。然而，由于对非开挖水平定向钻技术的适用性理解不够透彻，时常导致其在高压电力电缆线路设计及建设过程中没有被恰当使用，从而给高压电力电缆线路的建设过程及后期运维带来较多困扰。因此，有必要在设计和施工过程中对其适用性进行认真探讨。

1 非开挖水平定向钻技术的发展及应用

非开挖技术起源于美国，英语称之为“TrenchlessTechnology”（即无开挖技术），是指利用各种岩土钻掘设备和技术手段，在地表不开挖沟槽的条件下，铺设、更换或修复地下管道设施[1]。水平定向钻是指采用水平定向钻机成孔并敷设管道的方法，简称HDD（Horizontal Directional Drilling），其主要施工工艺要点包括钻导向孔、扩孔、铺管、构筑工井等环节。

早在20世纪80年代，非开挖定向钻技术已经开始在美国、日本等发达国家的市政管线施工中广泛应用并形成完整成熟的产业[2]；20世纪末，该技术得以引入我国，并首先在上海等发达城市的市政管线施工中使用，经过近20年的发展，其已成为我国市政管线施工中最常用的铺管施工方式之一。

2 采用非开挖水平定向钻铺设高压电力电缆的特点

与供水、燃气、通信等其他市政管线相比，采用非开挖水平定向钻铺设高压电力管线时具有一些其独有的特点：

（1）110 kV及以上电压等级的高压交流电缆线路往往采用单芯电力电缆，每一回路包含三相电缆，当采用非开挖铺管时至少需配置三根保护管，一般运行部门还要求备用一根保护管，因此具备一回（一孔）多管的特点；

（2）由于需要一回（一孔）多管，使得其单孔孔径较大，例如常见的110 kV单回电缆采用孔径达600 mm（4根φ200电缆保护管+1根φ100光缆保护管），当应用在220 kV电力电缆线路或采用双回单孔时其单孔孔径可达900 mm或更大；

（3）高压电力电缆转弯半径要求较高（一般为2～3 m），使得选用非开挖水平定向钻时其两头的配套构筑物尺寸较大；

（4）由于高压电力电缆铺设施工时阻力较大、牵引拉力受限，单段非开挖水平定向钻的长度一般为100 m左右。

3 采用非开挖水平定向钻铺设高压电力电缆的优点

由于其“非开挖”的最主要特点，非开挖水平定向钻技术应用在高压电力电缆建设中的优点是显而易见的，主要有如下几点：

（1）对周边交通干扰较小；

（2）对周边原有构筑物损坏少；

（3）施工占地少，对周围经营活动影响小；

（4）施工效率高；

（5）路径协议获取难度低；

（6）施工不易受周边居民阻挠。

正是由于这些优点，非开挖水平定向钻在城市电力电缆线路建设过程中被广泛采用。

4 采用非开挖水平定向钻铺设高压电力电缆的缺点

在其众多优点基础上，还需清醒地看到采用非开挖水平定向钻铺设高压电力电缆也存在一些缺点，而这些缺点往往是限制其在高压电力电缆线路建设中应用的重要因素。

4.1 限制了高压电力电缆线路的载流量

非开挖水平定向钻单孔中的电缆保护管排列紧密，敷设电缆后各相电缆距离较近，同时由于定向钻路径上没有经过开挖换土等处理其土壤热阻率较高，这些条件对铺设其中的电力电缆散热是十分不利的。在工程同等条件下，常规敷设方式中（电缆沟、槽盒、直埋排管、非开挖铺管）采用非开挖定向钻铺管敷设电缆的载流量的计算结果最低已成为行业共识，往往是一条高压电力电缆线路载流量中瓶颈限制部位，其输送容量同等条件下一般为电缆沟（回填沙）的70%～80%。往往仅局部区段采用了非开挖铺管，导致整条线路的最大载流量下降，从而限制了线路的输送能力；或者当必须采用非开挖定向钻铺管敷设方式时，为满足输送容量而不得不加大电缆导体截面，从而使整条电缆线路的整体造价大幅增加。

输送容量是电缆线路的最核心性能，当其受限制时对电缆线路的功能发挥和长期稳定运行都是十分不利的。

4.2 易造成路径沿线地质塌陷

如前文所述，高压电力电缆中所采用的非开挖定向钻孔径一般较大，往往在600～1 200 mm，如果钻孔区土质的稳定性较差，施工扩孔过程中护壁所采用的膨润土泥浆护壁不足以对已扩孔的孔壁起到完整的支护作用，同时由于钻孔作业中的振动、撞击作用，孔壁土体容易失稳而塌落，从而造成类似于“采空区”的塌陷效应。严重时，扩孔过程中钻杆或扩孔钻头会卡在地下无法拖出而造成废孔，拖管过程中会卡住，从而造成重大损失。

同时还由于一孔多管的特点，扩孔并拖管完毕后，其扩孔内部间隙充满了膨润土泥浆，随着时间推移膨润土中的水分流失而体积缩小，会造成整个非开挖铺管钻孔中出现空隙。当地质条件不好时会造成沿线塌孔和地面沉降，有可能引起路面塌陷影响行人及交通，甚至有可能影响到交叉管线的运行安全。并且此类塌陷往往会在工程投产后相当一段时间内才逐渐显露，其修复工作将给电缆线路运行部门造成很大困扰。

4.3 施工过程中存在破坏交叉管线的风险

尽管目前水平定向钻钻孔路径可控精确度较高，但仍然没有达到随意转向、变换深度的程度，同时部分雨污水等重力流管线由于埋深较深、材质为砼或塑料从而导致根本无法精确测量，部分中低压燃气管线往往为塑料材质而无法测定埋深，在这些路段进行非开挖水平定向钻施工，其破坏管线的风险大大增加。

4.4 不利于电力电缆敷设安装作业及运行维护

由于电缆保护管的排列不规则和弯曲等原因，在非开挖铺管中敷设电缆时其牵引阻力较大。同时由于高压电力电缆的转弯半径较大，非开挖铺管两端往往需要设置较大尺寸的工作井，这在电缆敷设安装作业中均是不利因素。

同时由于单段非开挖铺管长度较长且埋深较深，对运行过程中可能出现电缆破损故障的排查和修复十分不利。

5 选用非开挖水平定向钻敷设方式的参考要点

（1）当电缆线路载流量要求较高时，应尽量避免选用非开挖水平定向钻敷设方式。在电缆线路建设过程中不应当在开挖施工受阻时即转而使用非开挖水平定向钻，从而造成电缆线路整体输送容量降低，或造成需要增大电缆导体截面而使工程整体造价大幅提高。

（2）当局部区段确实不具备开挖条件而必须选用非开挖水平定向钻方式时，应尽量采取措施改善非开挖铺管中电缆的散热条件，缩小与线路中采用其他敷设方式的载流量差距。例如双回路线路采用双孔非开挖水平定向钻，减少单孔中紧密排布电缆的数量从而改善电缆散热条件[3]。再例如可在敷设电缆后的非开挖铺管电缆保护管内填充低热阻填充剂，提高电缆通过电缆保护管向周边土壤散热的能力。

（3）设计施工过程中应对电缆路径上的地质条件进行详细的勘测和评估，避免地质不稳定区域选用非开挖铺管方式时发生塌孔和沉降。

（4）采用非开挖铺管时应考虑增加备用管，以便单相电缆破损停电时能及时替换修复。

（5）设计确定采用非开挖水平定向钻方式时，应核算全盘电缆施放过程中牵引电缆的张力，避免单段非开挖铺管过长或全盘电缆使用非开挖铺管的比例过高。

（6）电缆线路建成投产后，应对采用非开挖水平定向钻的区段加强标识和保护，例如沿线地下安装电子信息标识器、地面安装路径标识牌和标志桩等。

6 结语

非开挖水平定向钻技术在高压电力电缆线路敷设中已被广泛采用，但其不应当作为电缆敷设的优选方式，在选用过程中应综合考虑电缆线路载流量的要求，必要时采取提高载流量的措施，并对地质条件的适用性进行分析，加强建成后维护管理工作，才能使其在高压电力电缆线路建设中发挥最大效用。