电力隧道结构设计及新技术研究

冯前伟

(上海同济工程项目管理咨询有限公司，上海 200092)

0 引言

中国城市经济发展迅速，城市用电量需求急剧增大，国内各大中城市已开展了大量的电网规划建设工作。为满足城市规划、经济发展水平与电网规划建设的协调发展，修建大型地下变配电设施及大截面的专用输电隧道势在必行。

从地下电力隧道特点和设计难点出发，结合各地电力隧道工程实际经验，针对其设计、施工难点，对电力隧道设计和规划所采用的新技术做了归纳总结，以期为此类工程设计及施工提供借鉴和帮助。

1 电力隧道设计难点

电力隧道设计尽管在很大程度上与地铁隧道类似，比如采用盾构法施工，其直径、管片分块方式及厚度等等都可以沿用常规的地铁设计方案。然而，电力隧道也需要解决一些特殊的设计问题，主要有以下几个方面:

1)选择适合的施工方法。电力隧道的设计通常要求断面直径在4.0 m～5.5 m之间，若根据供电需求不需特大的截面净空，则可以考虑选用较小的隧道截面，而施工方法也不仅仅局限于盾构法，可以采用顶管法施工。

2)截面形状的设计。电力隧道根据其使用功能和输电能力要求，一般选用圆形盾构隧道;顶管施工的隧道可选择矩形和圆形两种截面形状，而矩形截面隧道的净空利用率较高，相比之下此截面形式较为合理，但也由于各种综合因素，采用圆形顶管施工电力隧道的工程也不少。

3)内部设施的布置和荷载。电力隧道内部设施通常为横担支架、电缆以及一些其他电力设备，其布置方式将影响隧道结构的传力模式，需要在设计阶段，根据内部设施布置方案进行衬砌结构受力的合理性及稳定性的验算分析，确保工程的安全性。

4)电力隧道需要设计一定数量的电缆引出井，电力隧道内敷设的电缆线路将由电缆引出井引出。盾构隧道由管片拼装而成，管片之间或环与环间均采用螺栓连接，这种结构受力不适合承受外力集中荷载，因此给引出井的设置造成了一定困难。

5)电力隧道转弯半径在理论上是不受电缆敷设限制的，然而盾构或顶管直径越大则隧道转弯越困难，解决开挖面积与转弯半径之间的矛盾，也是电力隧道设计的一个重点课题。

2 工法选择及原则

电力隧道的设计多采用顶管法施工，而对于截面较大的隧道(比如隧道直径超过3.5 m)则通常考虑采用盾构法施工。明挖法对于城市地面交通造成很大的干扰，通常只在市郊等地允许对地表进行挖掘时采用。

通常情况下，电力隧道可根据内部尺寸确定适宜的工法，如表1所示。

表1 隧道工法的选择 m

一般来说，顶管法施工的区间隧道管径过大，则会导致顶进阻力过大、前进方向难以控制等问题，随着工程技术的进步，内径达5 m以上的顶管工程实例也日益增加，如上海静安输电隧道顶管段直径为5.2 m。

大断面的顶管工程设计除了要解决好工作井设置、顶管顶力估算、承压壁后靠结构及土体稳定问题等，还考虑以下几点因素来确保顶进方向及工程质量:

1)采用适合的顶管机械设备。

泥水平衡式和多刀盘土压平衡式顶管比较适合上海软土地区的隧道开挖。多刀盘土压平衡顶管机[1]将通常的全断面切削刀盘改成4个独立的切削搅拌刀盘，尤其适用于软粘土层的顶管，同时采用了土压平衡原理，对地面和地下建筑物影响较小，可以安全的穿越公路、铁路、河川、房屋及各种地下市政管道，但由于不是全断面切削，迎面顶力较大。

2)保证顶管接头施工质量。

不论采用何种形式的顶管接头，都应该保证槽口尺寸准确、对接性能优良;顶管橡胶圈材质致密均匀，无裂缝，钢套环应进行防腐处理，承插时外力均匀，保证橡胶圈不移位，不露出管外，顶管结束后，按要求以弹性密封膏或水泥砂浆填料填充管内间隙，从而保证顶管接头处的密封性良好，保证接头抗渗漏水性可靠。

3)采用中继环结构，增加顶进距离[2]。

在长距离的顶管工程中，当顶进阻力超过主千斤顶的容许总顶力、管节容许极限压力，或工作井承压壁后靠土体极限反推力之一，无法一次达到顶进距离要求时，应采用中继接力顶进技术。当置于管道中的中继环数量超过3只时，应当采用中继环自动控制技术，将每隔3个中继环同时顶进，则可以解决长距离顶管中继环施工的工效问题。

4)顶进方向控制技术。

超长距离大口径钢管顶管工程，最主要的技术难点就是顶进方向控制问题。根据一般工程经验，钢管是焊接成一个整体的，当它顺着弯曲的土洞前进时必定会出现弹性的弯曲变形，容易发生顶进方向失控的事故[3，4]，而混凝土管可以很灵活地顺着弯曲的土洞前进，纠偏较容易。

5)触变泥浆减阻措施。

将一定配合比制成的膨润土泥浆压入顶进管节外壁，在管壁外周形成一个泥浆外环，能够大大减小顶管施工过程中的前进阻力，从而提高工程效率，增加管段顶进长度。将管外注浆与机头注浆、管道补浆相结合，顶管后期用迟凝泥浆置换触变泥浆。

3 电缆支架设计

电力隧道工程除需要对线路规划、管道结构等进行详细的设计外，同时对其内部设施和布置进行优化设计，提高整个电网工程的供电能力也十分重要，传统的支架设计方案及电缆敷设方式都亟需改进。比如上海市新江湾城电力隧道工程[5]设计中，电力隧道设计除采用了顶管法、沉井法和SMW围护工法以外，还考虑了电缆敷设的使用要求，以及隧道内部通风、供配电、照明以及监控等附属设施优化设计等。

上海世博输电隧道也对电缆敷设及电缆支架的设计提出了更高的要求[6，7]:

1)为提高隧道断面利用率，采用新型的弧形支架;弧形支架与支架横担间的连接多采用螺栓连接，减少了焊接施工，提高了安装效率，也提升了安装质量(见图1)。

2)电缆采用蛇形敷设方式，避免电缆线位变化、滑落或是电缆及附件的损坏。上海静安世博电力专用隧道采用三角形布置方式，以减少电缆支架的涡流损耗影响和降低电缆金属护套感应电压;隧道内电缆采用连续垂直蛇形敷设方法，蛇形节距在盾构和明挖段为6 000 mm，在顶管段为6 250 mm。

3)为保证电缆支架耐久性和承载力要求，500 kV电缆支架横担首次采用不锈钢矩形方管，材质为0Cr18Ni9;500 kV电缆重量约为220 kV电缆的2倍，因此支架横担以抗弯刚度较大的矩形截面管取代普通的等肢角钢，从而保证支架的强度和稳定性。

4)采用新型电缆夹具及蝶形支架。目前可采用的铝合金夹具增加了夹固件对电缆的接触面和紧固力，能够有效防止电缆由于电动力产生的位移，能够承受因短路电流产生的点动力的冲击。同时在夹具两侧采用了蝶形支架，很好的保护和固定了电缆。

4 结语

随着城市供电需求和电网建设规划发展，地下电力传输及变配电设施正在逐步的发展和完善，电力隧道结构及内部设施设计都面临着新的问题和挑战。

本文就现代电力隧道修建过程中所遇到的技术难点及所采用的新技术进行了归纳总结，为今后电力专用输电隧道结构及电缆支架设计提供可借鉴的技术和经验。

[1]刘小利，焦如义.钢质管道非开挖顶管技术与装备[J].油气储运，2010，29(7):553-556.

[2]王树理.地下建筑结构设计[M].北京:清华大学出版社，2008:130-131.

[3]杨国新，孙焕斌.超长距离大口径钢管顶进方向控制技术[J].特种结构，2010，27(2):102-104.

[4]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京:人民交通出版社，2003.

[5]薛丽伟，潘国庆.新江湾城电力电缆隧道设计[J].上海电力，2006(3):232-237.

[6]周 辉，方 浩，张永隆.新型电缆支架在长距离500 kV电力隧道中的应用[J].华东电力，2010，38(4):1549-1551.

[7]姚炜峻，王振伟.电力电缆隧道内的技术创新和应用[J].上海电力，2006(6):621-625.