220kV华月线过河电缆隧道工程技术研究
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摘要：本文结合工程实例，针对地处河流下方复杂地质环境中的钢顶管技术及电缆敷设工艺进行总结研究和探讨。
关键词：华月线，梅溪河，顶管，沉井，电缆
前言：随着社会经济的快速发展，电网建设的架空模式已不适应城市空间的环境要求，城市电网地下电缆化的趋势已不可逆转。在电缆敷设工程中，采用传统的开挖埋管的施工方法，存在着作业面大、拆迁量大、劳动强度高、对周围环境的影响也较大等弱点，同时受场地、安全、文明施工以及周围建筑物和地下管线等因素的制约，采用开槽埋管施工比较困难，在这种情况下，就必须采用暗挖方式来敷设电缆。顶管作为暗挖法的重要方式之一，依靠其便捷的施工方式，在城市地下管道的施工中得到了广泛应用，但其施工引起的地表变形对周边环境的影响应引起足够的重视。
本文结合220kv华月线电缆隧道工程顶管穿越梅溪河的工程实例，重点分析顶管施工中的地面沉陷及隆起等变形的原因、预防措施，以及电缆敷设工艺的研究。
工程概况
1.1 工程概况
过梅溪河电缆隧道工程，位于汕头市金风西路金风桥南侧，为钢顶管工程，管道中心标高为－11.00~-11.55m，埋深为13.92~15.27m。过河管道工程范围和走向:自梅溪河东岸始发工作井～跨越梅溪河水域～梅溪河西岸接收工作井，隧道全长323米，设置两个顶管工作井。该管道与金风大桥和自来水公司的过河管相邻。
工程由以下部分组成：①内径为Φ1800mm、长度约为323m的钢顶管；②顶管工作井，圆形沉井结构，内径Φ10m，有效深度18.55 m；③顶管接收井，圆形沉井结构，内径Φ8m，有效深度17.03m。
1.2工程地质和水文条件
顶管管道穿越地层为灰色淤泥质粘土，层底标高为-12.5米，夹薄层状粉砂、粉土。地下水位标高为3.4米。
顶管总体设计方案
2.1设计原则及技术标准
2.1.1结构设计原则
①施工过程中须满足工程自身安全要求。
结构安全等级为二级；砼结构的耐久性满足二类环境类别。
③结构设计荷载分析按最不利荷载组合进行分析计算。
④管道稳定抗浮安全系数为1.1。
⑤抗震设防烈度为7度。
2.1.2防水、防腐设计原则
① 防水等级为三级。
② 结构设计在满足强度和刚度的前提下，同时满足防水要求。
2.1.3设计应遵循的技术规范
设计除满足“工程设计合同”中的技术要求外，尚需遵循国家及行业设计规范。
2.2顶管总体设计
工程位于金风大桥南侧，和自来水管相邻。顶管穿越断面的地势，两岸平坦。本顶管段长度约323.0m，全段横穿梅溪河河道。穿越陆地场地地形较为平坦，地面标高约2.1~2.6m。
在梅溪河东岸侧设置工作井，用作顶管工具头和每节过河管的进入口，井内逐段焊接钢管，由后座千斤顶逐段定向顶向对岸接收井。在梅溪河西岸侧设置接收井作为顶管的最终出口和用作工具头的回收，工作井和接收井为钢筋混凝土结构，采用沉井法施工。
过梅溪河电缆隧道不考虑人员通行，隧道内拟充填砂料，两端封堵，但隧道内需预留电缆管孔以便将来维修和电缆更换。
顶管工作井位于现有主河道东侧，接收井位于现有主河道西侧平地。两井北侧为自来水管和金风桥；南侧紧邻民宅和厂房。
本工程顶管轴线成～0.16%坡度，最小覆土深度6m。
沉井设计
3.1沉井结构计算
分别按施工和使用阶段进行结构内力与稳定性计算、强度和裂缝开展宽度验算。结构分析模拟按以下原则和假定进行：
⑴反映周围地层的影响，按板膜（壳）支承在弹性地基上的空间结构进行内力和变形分析。
(2) 根据坑底土层的工程力学指标进行基底土的抗隆起和抗管涌稳定性验算。
(3) 结构计算根据施工过程分阶段进行内力计算，并对结构进行强度、变形验算。
(4) 井壁与底板之间采用伸出钢筋相连接，顶管过程其结合面按刚接考虑。
3. 2荷载取值
结构设计荷载分为永久荷载、 可变载荷、 偶然载荷。永久荷载包括结构自重、地层压力、静水压力及浮力、侧向地层抗力及地基反力；可变载荷包括地面车辆载荷引起的侧向土压力、施工载荷等；偶然载荷本处即为地震作用。
3.3 主要技术要求
⑴沉井施工精度见下表：
沉井制作精度要求
项 次 项 目 允 许 偏 差
1 平面尺寸
(1). 长、宽
(2). 曲线部分半径
(3). 两对角线的差异
±0.5%;并不得大于100mm
±0.5%;并不得大于50mm
1%对角线长
2 井壁厚度 ±15mm
⑵沉井下沉精度：刃脚平均标高与设计标高的偏差一般不得超过100mm；高差允许偏差为±50mm，左右允许偏差为±50mm。
顶管设计
4.1 顶管结构设计
顶管内径1.80m，壁厚20mm，全长323m，管节长度定为6m，钢材选用Q235镇静钢，管节之间采用K型剖口焊接连接。
4.3 主要技术要求
⑴管节几何尺寸允许偏差
管节几何尺寸允许偏差表
注： 1. D为管内径(mm)，t为壁厚(mm)；2. 圆度为同端管口相互垂直的最大直径与最小直径之差(mm)。
⑵顶管轴线允许偏差
高差允许偏差为±50mm，左右允许偏差为±50mm。由于本工程顶管精度要求较高，故施工测量必须须达到相应的准确度，要求施工单位须采取切实可行的测量手段，以确保顶管工程的顺利进行。
在顶管内高压气管及相关设备安装完毕后，对管内剩余空间进行水泥浆充填，以此来保证高压气管的轴线位移稳定。
顶管施工引起的地面变形原因分析
5.1地层变形的主要因素分析
（1）工具管开挖面引起的地层损失V1
根据现场实际情况，土压平衡刀盘掘进机能通过控制顶进速度来平衡挖掘面的土压力，使机头前方的主动土压力和被动土压力达到平衡，减少土体扰动和土体的损失。V1取2.5%。
（2）工具管纠偏引起的地层损失V2
由于在顶管施工过程中顶进的轴线和设计轴线不可能完全吻合，只有通过不断的纠偏使管道的顶进轴线尽量接近设计轴线，因此纠偏引起的地层损失也就在所难免。为保证地表沉降控制，并满足顶管质量要求，一般最大偏差控制在10CM以内，工具管纠偏时，其轴线与管道形成一个夹角，因此工具管在顶进中，开挖的坑道线为椭圆形，此椭圆形面积与管道外圆面积之差值，即为工具管纠偏引起的地层损失，该项地层损失按下式计算：
V2=D.π.L.α%/4=3.14x1.90x4.6x(0.1/4) % /4=0.171%
式中:D-工具管外径
L-工具管长度
α%-工具管轴线与管道轴线的夹角
（3）管道外周环形空隙引起的地层损失V3
一般工具管外径较管外径大，因此，顶管过后管道外周产生环形空隙，导致地层损失；同时，由于本段顶管长达323M，因此将采用2套中继间，而中继间的外径也大于管道外径，在管道顶进过程中将带走一些环形空隙中的泥浆，如补浆不及时，也会导致地层损失。从工程实践中可以得到这样的认识：顶管中管道外周环形空隙所引起的地层损失是产生地表沉降的主要因素。这种地层损失的计算如下：
工具管外周半径与管道外周半径之差
V31=π. D.α2.K2=3.14x1.90x0.01x0.7=4.17%
式中:D-工具管外径
α2-工具管外周半径与管道外周半径之差
K2-注浆未充满度,取0.70
中继间外径与管道外径不同而引起地层损失V32
V32=π. D.α2.K2=3.14*1.90*0.00253*0.7=1.07%
（4）工具管与管道与周围地层磨擦而引起的地层损失V4
掘进工具管在顶进中对土体发生剪切扰动，因此也产生地层损失，在工具管后的管道，因其有触变泥浆减摩，对土体的剪切扰动可减少。由于由此引起的土体损失较小，因此在此忽略不计。
（5）工具管进出洞时引起的地层损失
工具管进出工作井洞口时，因洞口空隙中发生水土流失或上体坍陷而产生局部的较大幅度的地面沉降，由于本工程工作井距铁路较远，为50米左右，且在顶管施工中已做好相应的措施，防止洞口的水土流失，由此产生的地面沉降对铁路的影响不大，也可忽略不计。
（6）管道接头及中继间与管道接头不密封，在饱和含水砂性土层中容易引起水土流失而造成地面沉降严重，但本工程顶进的土层为淤泥质粘土，而且采用的管材是“F”型接口的钢筋砼管材，密封性能良好，因此不会产生泥土流失。
2.2沉降量的计算：
对上述地层损失按派克法(Peck)公式预测沉降槽, 在正常顶管施工的条件下，预测和实测结果是比较接近的。
（1）土体总损失量：V＝V1＋V2＋V31＋V322＝7.911%
（2）沉降槽宽度系数i：i= 2.948（3）最大沉降量
hmax= 0.05873m
（4）沉降槽宽度
w=2.5i=7.37
（5）沉降槽高度比
k=hmax/w=0.05873/7.37=0.008
根据以上计算得出的结论，沉降值未超出规定的范围。但是在施工中还应采取相应的措施，以防止出现意外，确保铁路的行车安全。
隧道内的电缆敷设
电缆经由电缆沟进入隧道工作井，进而在隧道里敷设，在进入工作井时需在工作井井壁上预埋穿墙套管，并在工作井内设置支架，见下图示意：
本工程中工作井内的电缆敷设方式是依照电气安装及使用的要求来设计的，施工过程中电缆的施放比较顺利，对未来此类工程的设计思路是一个很好的参照。
电缆在顶管隧道内采用垂直蛇形的敷设方式，隧道内支架的布置图见下图：
参考文献：
夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册.中国建筑工业出版社，1999.
地基基础设计规范，上海市工程建设规范，1999.
基坑工程手册，刘建航，侯学渊，1998.
实用给水排水工程施工手册. 北京：中国建筑工业出版社，1999
张倩，朱振宇. 顶管工程产生偏差原因与预防. 黑龙江水利科技，2004.04
于思政. 顶管施工中地面变形原因及预防措施. 上海市政，2002.9
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