電力隧道斷面選型與機(jī)械化施工

彭 源，張華宇

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院重慶有限公司，重慶 401121)

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)展，電力電纜的應(yīng)用日益廣泛，特別是在架空線路走廊緊張的城鎮(zhèn)，電纜得到大量應(yīng)用。傳統(tǒng)的人工開挖、鉆爆開挖等方式效率低，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大，已不適應(yīng)當(dāng)代城市發(fā)展的需要，因此，施工的機(jī)械化程度越來越高。

隧道機(jī)械化在公路隧道、鐵路隧道施工中已經(jīng)大范圍使用，成熟的機(jī)械設(shè)備早已被投入到工程實(shí)際中。這些機(jī)械設(shè)備如挖掘機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等由于普遍服務(wù)于大斷面隧道，體積往往較大。而電力隧道作為電纜敷設(shè)的通道，截面尺寸較小，大型設(shè)備無法進(jìn)入，這導(dǎo)致了電力隧道的機(jī)械化程度不高。要提高機(jī)械化施工使用范圍，一方面可以從隧道截面入手，結(jié)合現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備尺寸對(duì)電力隧道截面進(jìn)行調(diào)整。另一方面也可以結(jié)合電力隧道的特點(diǎn)，引導(dǎo)設(shè)備廠家生產(chǎn)出適合電力隧道施工的機(jī)械設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)電力隧道全過程機(jī)械化施工。

1 電力隧道特點(diǎn)

1)電力隧道大多數(shù)位于城市核心區(qū)域，所經(jīng)過區(qū)域常有重要企事業(yè)單位的建筑和構(gòu)筑物，重要交通設(shè)施，或?yàn)槿藛T密集的商業(yè)等，傳統(tǒng)爆破施工常因受到限制而無法實(shí)施。

2)電力隧道作為敷設(shè)高壓電纜的通道，隧道截面大小主要由電壓等級(jí)和電纜數(shù)量決定，隧道斷面尺寸往往較小。

3)受制于斷面尺寸，電力隧道無法像普通大斷面公路或者鐵路隧道一樣，二襯結(jié)構(gòu)緊跟初襯進(jìn)行，電力隧道通常是先開挖，貫通后再澆筑二襯結(jié)構(gòu)。

4)電力隧道作為電纜敷設(shè)的通道，建設(shè)的目的是敷設(shè)電纜，截面通常采用直墻+拱的型式。這種斷面型式的空間會(huì)因電力數(shù)量和排列方式得到充分利用。

5)電力隧道內(nèi)除電纜外，還布置了監(jiān)測(cè)、通信、自動(dòng)巡檢通風(fēng)、排水、照明、防火等各類綜合監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 電力隧道內(nèi)部布置圖

2 隧道開挖分析

目前，電力隧道開挖施工主要分鉆爆或者水鉆開挖和出渣、支護(hù)等3個(gè)主要環(huán)節(jié)。其中，由于城區(qū)爆破常常被限制，通常采用人工水鉆開挖。由于工序較多，各工序銜接時(shí)間不緊湊，特別是隧道開挖和出渣環(huán)節(jié)會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，安全風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)致整個(gè)施工周期受到嚴(yán)重影響。人工水鉆開挖需要搭設(shè)簡易設(shè)備施工平臺(tái)，沿隧道開挖邊線一周后進(jìn)行掘進(jìn)，一次進(jìn)深60～70 cm。關(guān)于出渣方面，目前大斷面隧道機(jī)械化施工所使用的裝載機(jī)、挖掘機(jī)設(shè)備品種較多，也基本上能達(dá)到與運(yùn)輸設(shè)備配套的要求，如圖2所示。但是這一方法無法在小斷面隧道中運(yùn)用，因此在出渣運(yùn)輸方面也需要進(jìn)一步考慮如何加快機(jī)械化程度。

圖2 大斷面隧道機(jī)械化施工

3 機(jī)械化施工

隧道機(jī)械化施工常采用盾構(gòu)法，頂管法實(shí)為盾構(gòu)法的一種。頂管法施工中，在主頂工作站的作用下，由始發(fā)井開始，通過可控頂管機(jī)或盾構(gòu)機(jī)，將所要頂進(jìn)的管道從目標(biāo)井頂出，可以實(shí)現(xiàn)直線或曲線頂進(jìn)。一般情況下，頂管機(jī)的操作和控制可以直接在地下的工作現(xiàn)場(chǎng)由操作人員來完成。

工作面上巖石的破碎可以通過人工破碎、機(jī)械破碎或者水力分步破碎的方法來實(shí)現(xiàn)，也可以用機(jī)械巖盤頂管機(jī)進(jìn)行全斷面破碎。破碎下來的巖粉或泥土可以通過壓力墻上的開口進(jìn)入頂管機(jī)，并經(jīng)過已鋪設(shè)好的管線運(yùn)至地表。頂管施工技術(shù)是一種既安全又經(jīng)濟(jì)的短距離穿越的有效方法。目前機(jī)械頂管機(jī)主要以圓形截面為主，適用于巖石地區(qū)的頂管機(jī)直徑主要為2～3 m。盾構(gòu)法與頂管法最大的區(qū)別在于盾構(gòu)的襯砌為管片，頂管的襯砌為管節(jié)。盾構(gòu)法通常適用于大斷面速遞，頂管法適用于小斷面隧道，因此對(duì)于電力隧道，頂管法用得更廣。

頂管機(jī)主要以圓形截面為主，矩形頂管機(jī)很少，一般需特殊研發(fā)。機(jī)械頂管常見規(guī)格有直徑1 200 mm，直徑1 500 mm，直徑1 800 mm，直徑2 000 mm，直徑2 200 mm，直徑2 400 mm，直徑2 600 mm，直徑 2 800 mm，直徑3 000 mm。一般直徑≥2 000 mm的頂管為大口徑頂管，可以實(shí)現(xiàn)人員在隧道內(nèi)檢修作業(yè)。

4 隧道斷面選型

以往電力隧道工程隧道斷面型式往往做成直墻+拱頂型式。下面以四回110 kV隧道為例，對(duì)四回規(guī)模的不同截面型式進(jìn)行分析比較。

當(dāng)線路路徑較短(一般不大于600 m)時(shí)，直墻+拱形斷面(如圖3所示)這種人工開挖方式的費(fèi)用相對(duì)較低，若按圓形斷面并采用機(jī)械施工，那么費(fèi)用相對(duì)高昂，主要是設(shè)備一次性進(jìn)場(chǎng)費(fèi)較高。當(dāng)線路路徑較長時(shí)，同等規(guī)模電力隧道如果采用圓形斷面(如圖4所示)，并配合機(jī)械頂管施工，折合下來每米工程量會(huì)減少很多。另外，當(dāng)隧道規(guī)模大于四回，或者敷設(shè)方式改變，導(dǎo)致頂管直徑大于3 m無法選擇設(shè)備時(shí)，也可以采用兩種不同規(guī)格的頂管并行施工，再把工期進(jìn)度因素考慮進(jìn)去，那么帶來的經(jīng)濟(jì)效益肯定大于人工開挖這種施工方式。如表1所示。

表1 不同斷面工程情況及造價(jià)對(duì)比

圖3 直墻+拱型斷面

圖4 圓形斷面

隧道機(jī)械化設(shè)備比較多，如炮機(jī)、挖掘機(jī)、單臂掘進(jìn)機(jī)等適用于大斷面隧道，要想在小斷面隧道中實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，建議從隧道斷面出發(fā)，將以往直墻+拱形隧道改為圓形斷面隧道，再配合小型頂管機(jī)或者小型盾構(gòu)機(jī)，就可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)電力隧道機(jī)械化。這樣施工風(fēng)險(xiǎn)降低，工期進(jìn)度加快，施工單位也愿意采用。這種對(duì)常規(guī)斷面型式進(jìn)行的調(diào)整，看似粗獷，實(shí)則從整體把握了工程造價(jià)、工期進(jìn)度，使工程安全高效，最終能實(shí)現(xiàn)電力隧道機(jī)械化施工標(biāo)準(zhǔn)化。

5 機(jī)械化新設(shè)備

上述是根據(jù)目前已有的機(jī)械設(shè)備特點(diǎn)來調(diào)整電力隧道斷面尺寸，進(jìn)而滿足機(jī)械化施工要求。目前市面上的機(jī)械設(shè)備都是為挖掘公路或者鐵路隧道研發(fā)的，電力隧道作為新時(shí)代輸電線路的通道，最近幾年得到迅猛發(fā)展。電力施工單位可以引導(dǎo)設(shè)備廠家，針對(duì)電力隧道特點(diǎn)進(jìn)行研發(fā)，這未嘗不是一個(gè)方向。

圖5所示為一種專門為電力隧道研發(fā)的機(jī)械，前方有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)頭可以調(diào)節(jié)角度和開挖大小，能滿足一般電力隧道開挖的斷面要求，但經(jīng)過施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，其還需要進(jìn)一步改進(jìn)。隨著電力事業(yè)的大力發(fā)展和市場(chǎng)需求的迫切，會(huì)有越來越多的機(jī)械設(shè)備被研發(fā)出來并被運(yùn)用到工程實(shí)踐中。

圖5 多頭水鉆機(jī)

6 結(jié)語

目前擴(kuò)大電力隧道機(jī)械化施工可以從兩方面入手。一種方式是通過改變隧道斷面型式，減少斷面尺寸種類，結(jié)合現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備尺寸歸并出幾個(gè)適用范圍廣的隧道斷面尺寸。推動(dòng)機(jī)械化施工，特別是長線路，可降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高安全性，還能縮短工期，提高經(jīng)濟(jì)性。另一種方式是隨著電力隧道工程的增多，鼓勵(lì)設(shè)備廠家研發(fā)適用于電力隧道特點(diǎn)的機(jī)械設(shè)備，有市場(chǎng)就有動(dòng)力，通過不斷改進(jìn)，電力行業(yè)肯定能推出一套完整機(jī)械化施工設(shè)備，最終讓機(jī)械化施工成為隧道建設(shè)主流。