摘要：近年来，随着电力技术的发展和城市现代化建设的需要，其城市品位、景观要求和安全供电的不断提高，越来越多城市高压输电线路改用地下电缆敷设。在广东许多城区，分布着大大小小的河流，随着电缆线路建设增多，电缆通道经常遇到如何穿越河道的问题，本文结合东莞110kV石龙至黄洲双回电缆线路工程，探讨电缆通道过河可行设计方案，为相关工程提供参考。
关键词：城市桥梁、水平定向钻、顶管、螺旋钢管
1.工程概况
110kV黄洲站位于东莞市石龙镇新城区（黄洲区）裕兴路和青林路交口处东侧，于上世纪90年代投产运行，2009年全站完成综合自动化改造，主要供电范围为石龙镇黄洲区。随着石龙镇负荷发展，黄洲站2台主变已接近重载（高峰负荷时刻全站负载率为67.4%），主变故障或检修时，需要通过下级电网来转供负荷，扩建#3主变可以使黄洲站满足“N-1”要求，提高供电能力和可靠性。
黄洲站扩建#3主变的配套线路由110kV石龙站新建两回电缆接入黄洲站，做为黄洲站新扩建主变的电源线路。电缆线路总体来讲是东西方向走线，需要穿越东江北干流，河面宽约390m。
备注：绿线为最初单回路电缆走石龙东桥过河方案，红线改为双回路水平定向钻穿越河道方案。
2.电力电缆通道过河方案设计
2.1利用城市桥梁过河
电缆通道一般建在人行道、绿化带或自行车道上，遇到穿越河流时，如果能利用河道上桥梁这个载体，就可以大大降低施工难度及工程造价。
利用城市桥梁过河大致有两种方式，其一，利用桥梁人行道板预留专用电力电缆通道；其二，抽空箱梁建设电缆专用通道；方案三，在桥外侧建电缆通道，一般通过盖梁悬挑或预埋外置支架作为通道支撑点。
经与东莞市城市道路管理处沟通，石龙东桥一侧人行道板下预留有专用电力电缆通道，但仅能敷设一回电缆，而本工程需要新建两回电缆。方案二和方案三需要桥梁设计时就要考虑建设专用电缆通道，一般只有在桥梁规划设计阶段就提出通道建设规模要求并得到相关部门审批后，桥梁建设方才考虑采用本方案预留电缆通道，由于石龙东桥已运行多年，之前都没有考虑新建电缆的规划设计。
2.2采用水平定向钻方式过河
水平定向钻施工又称非开挖拖管施工。定向钻进施工时，按设计的钻孔轨迹，以扩孔钻头带铺设管线，钻头从河一边入地穿过河底在河另一边出地，在回拉扩孔钻头的同时，将待铺设的电缆保护管（一般采用MPP管）线拉入钻孔，完成铺管作业。
采用水平定向钻具有施工速度快、施工精度高、成本相对较低、不影响城市景观等优点，目前广泛应用于电力电缆管线敷设施工中。但受工艺限制需将电缆保护管捆绑敷设，本方案也存在电缆管排列紊乱无序，电缆通道容量受限，后期扩容建设难等缺点。
随着城市规模的扩张以及人们绿色工程意识的进一步增强，非开挖埋管技术的应用越来越广泛。该技术还具有少开挖、少拆迁、保护地表植被、不影响正常交通等优点。
2.3采用顶管方式过河
顶管法是指隧道或地下管道穿越铁路、道路、河流或建筑物等各种障碍物时采用的一种暗挖式施工方法。
在施工时，通过传力顶铁和导向轨道，用支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中，同时挖除并运走管正面的泥土。当第一节管全部顶入土层后，接着将第二节管接在后面继续顶进，这样将一节节管子顶入，作好接口，建成涵管。
顶管电缆通道具有电缆敷设方便、容量大、运行检修方便、不影响城市景观等优点，但由于顶管施工技术难度大、工程造价高，目前一般只在电缆隧道工程中要求人员可全线通行检修时才采用顶管方式，本工程敷设回路少，仅有两回，且不需要预留通道。
3过河方案的选择
3.1过河方案的选择
综上所述，电缆上桥具有建设成本低、运行维护方便、电缆敷设施工简单等优点，但运行管理部门只同意利用现有10kV电缆沟槽，该沟槽只能敷设一回，其它方案不同意；而顶管具有电缆敷设方便、容量大、运行检修方便、不影响城市景观等优点，但由于顶管施工技术难度大、工程造价高，目前一般只在电缆隧道工程中要求人员可全线通行检修时才采用顶管方式，该方案也不合理，设计上推荐采用水平定向钻过河方案，不仅可以降低工程造价，还可以缩短施工工期，保证工程顺利推进，达到了经济、适用、安全的目的。本工程河面宽约390m，考虑到穿越深度及两岸河堤管线情况，河道穿越距离约540m，设计上推荐采用顶大管方式，大管里再套用电缆保护管。广东省现已投运多条过河水平定向钻电缆，至今运行良好，珠海琴韵～澳门莲花220kV电缆线路，共3回路，穿越十字门水道，河面宽580m，水平定向钻施工长度为630m，水平定向钻套用螺旋钢管，2012年投运至今运行良好；珠海220kV南拱线下地改造工程，共2回路，穿越前山河，河面宽320m，水平定向钻施工长度为350m，2012年投运至今运行良好。
从跨越河道初勘地质情况来看，该段河道沿线地质较复杂，主要覆盖有淤泥层、粘土层、砂层，而且沿线土层极不均匀，从初步水平定向钻断面来看，大部分需要穿越砂层。钻杆钻进、扩孔及拖管施工过程中，容易出现塌孔情况。为了解决这一技术难题，电力工程上通常先顶一大管，再在大管里套电力保护管。
3.2 水平定向钻管材的选择
从材质分类来看，工程上采用较多大管有钢管和钢筋混凝土管两种，采用不同的管材，其施工方案就有所不同，如果采用钢筋混凝土管，因混凝土管为一节一节拼装起来的，弯曲弧度较小，只适合水平顶管，这样一来，两侧的发射井及接收井较深，结合本工程情况，井深约15.0m；如果采用钢管，钢管为一节一节焊接起来，而且，钢材具有一定的塑性和韧性，弯曲弧度较大，水平定向钻可以成一弧线，这样一来，两侧的发射井及接收井较浅，井深只有约4.0m即可。设计上推荐采用钢管比较合理，极大减小了两侧工作井施工难度。
4 过河水平定向钻工程设计
4.1穿越规模
过河水平定向钻采用两根水平排列螺旋钢管（D820×13），管间间距不少于4米，非开挖水平定向钻穿越河道，路径水平长度540米。管顶距河道底部最小距离不少于8米。
每根钢管内铺设4根Φ250×17mm的MPP电缆保护管和1根Φ110×8mm的MPP光缆保护管。
4.2钢管回拖力计算
4.2.1 钢管特点
水平定向钻施工中钢管的应用也很普遍，钢管因其制造工艺及所用管坯形状不同而分为无缝钢管（圆坯）和焊接钢管（板，带坯）两大类。
水平定向钻用大口径钢管多采用焊接钢管，焊接钢管采用的坯料是钢板或带钢，因其焊接形式的不同分为直缝焊管和螺旋焊管两种。钢管通常选用Q235B（A3）镇静钢钢板制作，它的强度高，管材及管件易加工。在加工完成以后，钢管一般还需根据不同的要求涂上防腐材料。
水平定向钻所用钢管的壁厚与其埋设深度以及推进长度有关。如果埋设浅些，管子的壁厚可以取得薄一点。如果埋设得比较深，管道所受到的土压力等比较大，容易产生变形，钢管的壁厚应取得厚一些，以确保钢管有足够的刚度。
钢管由于是焊接而成，不适合曲线水平定向钻。另外钢管的外防腐在水平定向钻过程中造成一定麻烦。最后是昂贵的费用制约了钢管在工程中的大量使用。
但是从管材性能分析，钢管的抗拉强度、屈服极限高，因而管道抗外力破坏、抗扭曲能力强，在穿越距离较长或穿越深度较深时，为了保证穿越管道的稳定性，钢管有较强的适用性。
4.2.2 曲率半径
管道的弯曲半径的大小与土质、管径、顶力有关。土体承载力高，弯曲半径可以小一点；反之，承载力低，弯曲半径要大一点。管道口径大，弯曲半径要大一点；反之，管道口径小，弯曲半径可以小一点。管段较长，弯曲半径要大一点；反之，管段较短，弯曲半径可以小一点。施工顶力较大，弯曲半径要大一点；反之，顶力较小，弯曲半径可以小一点。
铺设钢管的最小允许弯曲半径可用下列公式计算。但是，为了利于铺管，最小弯曲半径应尽可能大。
Rmin=206•D•S / K2 （m）
Rmin —最小弯曲半径 （m）
206—常数 （Nm/mm2）
D——管子的外径 （mm）
S—安全系数，S=1～2
K2—管子的屈服极限 （N/ mm2）
本工程钢管曲率半径取值1200D=1200*0.83米=996米，纵断面轨迹曲线采用“弧-直-弧”形式。
4.2.3 管道回拖力
管道回拖力是管道在回拖过程中产生的摩擦阻力、局部阻力等的组合力。由于钢管管材抗拉强度大，管道本身能承受较大的回拖力，因此采用钢管能够穿越较宽的障碍。
套钢管的水平定向钻，钢管回拖力可按以下公式计算：
其中：𝑭——计算的拉力（t）；
𝑳——穿越管段的长度（m）；
𝒇——摩擦系数，取0.1～0.3；
𝑫——管子的直径（m）；
——泥浆的密度（t/m3）；
——管子的壁厚（m）；
𝒌——粘滞系数，一般取0.01～0.03，粘性大时取大值，粘性小时取小值。
经计算，钢管水平定向钻的最大回拖力计算值为94t，依据《油气输送管道穿越工程施工规范》要求，设计值取计算值的1.5～3.0倍，按照以往工程经验，本工程设计值取设计值的2倍，故最大设计回拖力取188t，建议采用200t回拖力的水平定向钻机。
根据最大回拖力，计算管材的技术参数，提出横断面设计如下：
横断面上为两个Φ1200mm的回扩孔，每个回扩孔内铺设一条D820×13mm的螺旋缝埋弧焊钢管（简称螺旋钢管）。
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4.4锚固及防腐要求
为保证本工程的水平定向钻敷设不受温差或外力迁移变形，水平定向钻两端进入工作井处采取单向防滑锚固措施，即螺旋钢管两端各伸入工作井0.5m，端口处垂直焊接一圈200mm宽度的钢板。
根据单向防滑锚固设计，螺旋钢管径向伸长变形不受限制，径向收缩能承受1.55×10-3的变形。按照温差折算，能承受降温129℃的变形。
本工程的D820×13mm的螺旋缝埋弧焊钢管采用内、外表面涂3PP防腐涂层的措施，防止钢管被腐蚀。
4.5水平定向钻进铺设管线工艺流程
水平定向钻进穿越铺设施工普遍采用：首先钻进导向孔，然后扩孔，最后回拉铺管的施工技术工艺。
5结论
水平定向钻作为广泛认可的铺管施工技术，已广泛应用于电力管线铺设施工中。水平定向钻材质选用钢管，具备强度高，承受拉力大，拖拉管长度大等特点。本工程穿越河道，采用水平定向钻施工方式、管道材质选用钢管，可满足工程过河水平定向钻穿越距离较长、穿越深度较深等特殊要求，且施工速度快、对周围环境影响小、可穿越地下障碍物，故方案具有可行性，从而达到经济、适用、安全的目的，为以后工程可提供参考。
参考文献：
[1]《油气输送管道穿越工程设计规范》（GB50423-2007）.2008年3月1日实施。
[2]《油气输送管道穿越工程施工规范》（GB50424-2007）.2008年5月1日实施。
作者简介：
郭贤松（1979-），男，湖北武汉，本科学历，工程师，从事电力线路结构设计工作。
论文作者:郭贤松
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/23
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