非开挖电力拉管注浆保护技术的应用

朱奕弢

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

非开挖电力拉管注浆保护技术的应用

朱奕弢

(国网浙江省电力公司湖州供电公司， 浙江 湖州 313000)

针对目前非开挖电力拉管运行过程中遭受外力破坏事故频发的现状，结合工程实际，对多种注浆施工方法进行分析比较，提出可行的注浆保护方案，并对施工工艺和材料选择进行研究，旨在提高非开挖电力拉管的运维可靠性.

非开挖拉管； 注浆保护； 施工方案

0 引 言

近年来，由于适用性强、经济性佳、无须开挖等优势，非开挖拉管技术在国内电力电缆工程中得到广泛的应用，在许多道路、河流、建筑物不适宜开挖的地段，大量使用了水平定向钻进非开挖拉管技术敷设电缆.由于受水平定向钻进技术的限制，非开挖拉管轨迹的运维资料很难达到高度精确，电力电缆管线位置和埋深不够清晰，且水平定向钻进用的管道在地下是裸露的，极易受到外力的破坏，给电缆的安全运行和工程建设带来很大的安全隐患.

全国各地已经多次发生地下穿越施工“撞车”事故，在电力系统内部也造成过多次电缆非开挖管线破坏导致的跳闸故障，带来很大的经济损失和负面的社会影响，因此亟需采用技术手段对电力拉管进行结构性保护.注浆保护是实用性、经济性较强的一种保护方式.本文从理论分析、施工方案比较、注浆工艺、材料优选等方面对拉管注浆保护技术的应用进行分析.

1 研究背景

1.1电力拉管技术发展及现状

电力拉管技术是非开挖钻探技术在地下电力管线工程中的拓展和延伸，是利用岩土钻掘、定向测控等技术手段，在不开挖地表的条件下进行地下管线铺设，有效减少电缆施工对地面设施和交通的影响.

随着我国城市化进程的高速发展，电力电缆工程使用非开挖拉管在敷设方式中所占的比例越来越高，其它地下管线也日趋增多，而精确的施工控制技术和定位技术却没有跟上发展的步伐，地下廊道呈现密集化、杂乱化，并逐渐形成了管线杂乱→管线位置冲突→路径随意避让→管线更为杂乱→更多冲突的恶性循环，连年来在市政管线施工过程中由于受多种因素的影响，如野蛮施工、沟通不到位、电力电缆定位信息误差等，电缆拉管遭受机械性外力破坏的事故时有发生，造成了相当大的民生和经济损失.

1.2电力拉管保护技术的研究现状

针对上述的非开挖电力拉管遭受外力破坏事故，国内电力行业已对拉管的保护措施进行相应的研究，并取得了一定的成果.

部分电缆使用频繁的地区已经着手开展针对拉管保护的地方性规程制定.如上海市电力公司颁布的企业标准《水平定向钻进铺设电力管道工程技术规程》第6.3.3.5规定：回拖铺管结束后，必须在回扩孔内压密注浆，固化泥浆的配制及充填应参照上海市《地基处理技术规范》(DBJ08-40-94)中有关工艺的要求进行.这些经验目前已在行业进行局部试点推广.

截止目前，尚未有全行业或国家标准对拉管注浆作出详细的技术性规定，这就使得各地、各施工单位在电力拉管注浆保护施工过程中的施工工法、质量控制、注浆工艺不尽相同，最终形成的保护程度也有较大的差别，并且由于注浆保护的最终效果难以量化确定，也没有相关的试验数据进行支撑，因此注浆保护仍停留在理论分析阶段.

2 拉管注浆施工方案的选择

2.1拉管施工方法

电力拉管技术主要包括导向孔钻进和扩孔拉管两部分：先利用导向钻机，随钻测量仪以及有关钻具沿铺设管线的设计轨迹钻进一个导向孔，然后回拉扩孔，将孔径扩大到铺管所需口径，并将管线同步或分步回拖，拉入孔内[1]，实现非开挖铺设管线.对于多回路电力电缆，通常要求每一回路的管线单独进行拖拉.

拉管铺设地下电力管线技术施工工艺流程为：现场勘查→导向孔轨迹设计→测量放线→开挖工作坑→配制钻进液→钻机就位→导向孔钻进→扩孔→拉管回拖→回填→牵引电缆.

拉管施工过程中，回拖是定向穿越的最后一步，也是最为关键的一步.管道焊缝和管道强度检验合格后，即可进入拉管施工.首先用现场制作的管封套将管头密封，然后在管头后端接上回扩头，管后接上分动器进行接管，将管子回接到工作井后，卸下回扩头、分动器，取出剩余钻杆，堵上封堵头，进行水压试验.施工时，拉管机操作人员要根据设备数据均匀平稳地牵引管道，切不可生拉硬拽[2].

常规的拉管施工方案中并未考虑注浆保护这一步骤，拉管注浆的施工方案应在不颠覆拉管常规施工方案的前提下选择，且应满足现有的施工机械和技术条件要求.

2.2几种拉管注浆方案

拉管注浆方案的选择应根据拉管长度、深度、管径、现场地形地质、施工机械、限制条件等因素确定，不同的条件因选择适宜的注浆方案，目前常用的有以下四种注浆方案：

第一种注浆方案：扩孔完成后回拖拉管时在管束中加入一根前端封闭、直径约为15 cm的导管(材料可与电缆拉管相同)，在导管上每隔0.3～0.5 m预先钻出直径约4～6 cm的喷浆孔，并将该注浆管与管束一同进行回拖，回拖完成后，向该管内进行加压注浆，达到理论注浆量后即完成注浆，注浆管与管孔束成为一体，永久留结于管内.

第二种注浆方案：前段工作与第一种方案相同，即扩孔完成后回拖拉管时在管束中加入一根前端封闭的导管，直径约为15 cm，但仅在导管顶部约3～5m段预先钻直径约4～6 cm的喷浆孔，随着拉管回拖过程，对注浆管顶部进行加压注浆，根据注浆速度和理论注浆量控制回拖的速度，当拖管完成时注浆工作也同时完成，注浆管与管孔束成为一体，永久留结于管内.

第三种注浆方案：前段工作与第一、二种方案相同，即扩孔完成后回拖拉管时在管束中加入一根前端封闭的导管，直径约为15 cm，在导管上每隔1.0～2.0 m预先钻直径约4～6 cm的喷浆孔，整体完成拉管回拖后，在注浆管两端分别加压向中间注浆，此时注浆压力不宜过大，以确保浆液逐渐向注浆管最低处聚合，待整管充满浆液后，加大两端注浆压力，使所有注浆孔同时注浆，达到理论注浆量后即完成注浆，注浆管与管孔束成为一体，永久留结于管内.

第四种注浆方案：扩孔阶段适度增大扩孔直径(常规情况下扩孔直径为管线束总直径的1.2～1.5倍，注浆时扩孔直径宜取较大值)，完成拉管回拖后适度对拉管进行放松，以确保拉管尽量沉淀在扩孔的下方，随即使用顶部带注浆孔的钻杆(可用钻进时注钻进液的钻杆设备)进行二次钻进，其位置尽量控制在已敷设拉管的上方，钻至对侧孔口后将钻杆回拖，同时钻杆顶部施加压力，随着钻杆的回拖过程对扩孔逐步进行注浆，根据注浆速度和理论注浆量控制钻进的速度，当钻杆在对侧扩孔拖拉出孔后，拖出钻杆，完成扩孔的注浆保护.

2.3拉管注浆方案的优劣

上述四种注浆方案在实际工程中均已得到应用，基于理论分析和工程实践反馈，对四种注浆方案进行分析，其优劣及适用情况见表1.

表1 四种注浆方案的优劣及适用范围

由于地下拉管注浆在浆体凝结后与拉管成为一体，无法采用常规手段对浆体的分布特征、强度指标和浆体纯度等数值进行精确测定，因此上述的几种注浆方案分析是基于理论的，在实际工程中应用时应根据现场条件，并结合必要的现场试验进行选择.

3 注浆施工方案优化

非开挖电力拉管注浆浆体凝结后的强度、整体性、形状和位置等因素决定了其保护性能，即浆体凝结成型后须有良好的整体性、较高的强度、较大的保护厚度，且浆体位置宜在管束的上方及侧部方能达到最佳的保护性.

在拉管注浆保护施工过程中，注浆材料与保护体的强度直接相关，注浆量、注浆速度关系到浆块最终的整体性和形状，注浆管的布置则与浆块的形状和位置有关，这几项施工工艺决定了注浆保护的效果.以下是对此的分析研究.

3.1注浆材料

注浆材料的选择在一定程度上决定了拉管注浆的强度和施工时间，基于拉管注浆的工程特性，对注浆材料也有较为特殊的要求.

注浆材料的主要目的是在拉管上方形成结构性保护，水泥浆液、硅化浆液均满足这一要求，考虑到经济性和施工便利性，通常使用水泥浆液作为首选材料.注浆材料的性能应根据地质条件、地下水等因素确定，注浆前需进行浆液配比试验和现场注浆试验，确定设计参数，检验施工方法和设备.

拉管注浆最终成型并非理想的环状或板状，而是呈不规则状，这使得不同部位的浆块厚度有较大的差别，即保护可能存在薄弱点，甚至在未收到外界冲击时就出现自发性整体断开的现象，严重影响保护性.为实现最佳的保护性能，要求注浆材料应具有较好的强度和很好的韧性.

根据已有的工程经验，C30强度的水泥浆已完全能够满足浆体的抗压要求，继续提高水泥浆的抗压等级只会造成无谓的浪费，但水泥浆的韧性即抗弯能力是不足的，即使提高水泥浆等级也效果不佳，尤其是在有地下水流动的地段，可以考虑在水泥浆中适度加入添加剂，以增强浆体的韧性和防渗性，确保浆块最终成型的整体性和抗弯性能.

注浆材料的初凝时间应在满足施工方案的前提下尽量缩短，以减少浆体在孔内往下流动的趋势，尽量提高管孔上部的注浆量，可在水泥浆中适度加入速凝剂，这已是一种十分成熟的技术.

3.2注浆量

拉管注浆量与最终浆块的形态、整体性有着极为密切的关系，合理地确定注浆量，不仅有利于注浆保护性能的提升，也能避免不必要的浪费.在实际工程中，注浆量取决于地基土的性质和浆液的渗透性，拉管保护注浆的理论注浆量和实际注浆量是不同的.

拉管保护注浆的理论注浆量计算方法为：

V=π(D2-d2)L/4.

式中：V为理论注浆量(m3)；D为扩孔直径(m)；d为管束直径(m)；L为拉管总长度(m).

在施工过程中，实际注浆量可能与理论注浆量存在差别：当注浆时间较长，或由于护壁措施不利，扩孔出现缩孔现象时，实际注浆量会小于理论注浆量；当注浆压力较大或土质为淤泥，喷浆过程中浆液将孔壁击溃时，则可能出现超灌现象.

上述两种情况会降低拉管注浆的实用性：注浆量过少会造成浆体厚度无法达到保护要求；超灌量过大则会使注浆保护方案的经济性下降，因此在实际工程中，应在施工前明确地质情况，制定扩孔保护方案，尽可能使实际注浆量接近理论注浆量，当由于地质条件引起超灌可能时，宜遵循注浆量宁多勿少的原则.

3.3注浆速度和注浆压力

不同的施工方案对拉管注浆的时间有不同的要求，注浆时间应确保以下几个条件：

(1) 注浆时间应短于浆液的初凝时间；

(2) 注浆时间应满足施工机械的要求；

(3) 当注浆管与拉管同时回拖时，注浆时间应满足拉管回拖的施工要求.

拉管的理论注浆时间计算方法为：

t=V/nk.

式中：V为理论注浆量(m3)；n为总注浆孔数；k为注浆速度(m3/s).

实际工程中，若使用中小型机械，拉管的长度一般在300 m以下(超过300 m需使用大型机械，属于非常规拉管)，常规的拉管管孔集束(单回路)直径在40 cm左右，扩孔直径为管线束直径的1.2～1.5倍，即扩孔孔径在48～60 cm之间，按最大扩孔孔径计，其截面空隙约为1 500 cm2，按每隔1 m开一个注浆孔，每孔注浆速度200 cm3/s计，完成一个直径60 cm、长度100 m管孔的注浆大约需要12 min左右，可满足浆液的初凝时间和施工要求.类似的拉管注浆时间可依此方法进行计算，当拉管长度过大时，由于注浆压力沿孔损失值的增加和总注浆量的上升，需要对注浆方案进行特殊设计，避免浆体不能满充整个扩孔或注浆时间超过浆体的初凝时间.

如果采用的施工方案是拉管回拖与注浆同时进行，则注浆速度还应满足拉管回拖的施工要求.

在淤泥或淤泥质粉土地质带，注浆压力宜控制在0.2 MPa以下，并应满足全管喷浆压力的要求；在黏性土中，注浆压力宜控制在0.2～0.3 MPa之间，对于其它特殊的地质条件，应结合试验进行喷浆压力的调试取得最佳值，以满足全管喷浆，并避免过度超灌为准[3].

3.4注浆管布置形式

注浆管的布置与浆体最终在孔内的形态有直接关系，若注浆管处于管束下方，则绝大部分浆液在重力的作用下会沉淀在孔的底部，对拉管最易受损的上部几乎无法起到保护作用，因此在注浆管的牵拉过程中，应尽量确保注浆管位于管束的上方，再辅以浆液的速凝性能，方能确保大部分浆体处于管孔上方及侧部.

实际施工时，若注浆管与拉管同时回拖，则会在拖拉时的扭力作用下产生扭转，即使两端进出口注浆管位于管束上方，也难以确保注浆管在地下的位置，这也是推荐使用注浆管二次拖拉或喷浆钻杆二次钻进方案的主要原因.

4 应用前景及存在的问题

注浆是目前对拉管进行保护的最具可行性、效果最明显的方案，但由于受技术、施工质量、注浆材料特性、施工等因素的影响，对非开挖拉管的保护尚未达到理想状态，无法确保包浆位置位于拉管上方及两侧最需要保护的位置，大部分浆体沉淀在扩孔的侧下方，严重影响了注浆对拉管的保护性能；由于浆体在喷射中与周围泥浆混杂，大大降低了最终的水泥强度，只能承受较小的冲击荷载，一旦拉管受到冲击性的机械打击，水泥极易开裂，失去保护性能.

基于上述问题，在今后拉管注浆保护技术发展的研究中，应着重改良注浆材料的性质，并依托试验针对不同地质、水文条件下合理的注浆量和注浆速度进行进一步分析，以满足推广应用的要求.

5 结 语

随着城市化建设的推进和地下管网的日趋密集，非开挖拉管在电力电缆设施中的应用日益增多.对非开挖电力拉管采取保护措施是拉管施工的发展趋势.本文通过对拉管注浆这一目前最佳的保护方案进行理论分析，对不同施工方案进行比较，并对注浆工艺和材料选择提出优化方案，其研究结果不仅可在电力拉管施工中广泛推广使用，也对其它市政管线施工有一定的指导意义.

[1] 阮文军.注浆扩散与浆液若干基本性能研究[J].岩石工程学报,2005,27(1):69-73.

[2] 杨米加,陈明雄,贺永年.注浆理论的研究现状及发展方向[J].岩石力学与工程学报,2001,20(6):839-841.

[3] 刘聪.浅谈电力拉管建设管理中存在的问题及解决方法[J].天津电力技术,2007(2):36-38.

OntheApplicationofGroutingProtectionTechnologyinNon-excavationElectricPowerPipe

ZHU Yitao

(Huzhou Power Supply Company, Zhejiang Electric Power Corporation, State Grid, Huzhou 313000, China)

Non-excavation electric power pipe is often damaged by external force, so the methods of grouting protection were analyzed in the paper. The construction technology and material selection were studied, and the plans of grouting protection were presented in order to improve the operational reliability of non-excavation electric power pipe.

non-excavation electric pipe; grouting protection; construction plan

2016-10-20

朱奕弢,工程师,研究方向:输电路结构技术研究.E-mail：37567972@qq.com

TU994

A

1009-1734(2017)08-0039-05

[责任编辑吴志慧]