电力电缆保护管定向钻进敷设回拖力计算及机械选型研究

国网杭州市临安区供电公司 吕 华 尤 敏 陈礼朝 国网杭州供电公司 夏 衍

电力电缆保护管在城市供电网络中起着重要的作用。根据现有的电力技术水平能用于电力电缆下穿道路的技术包括了水平、定向钻进敷设等方案，但在大型工程中这些应用都不是特别广泛，定向钻进敷设是最科学的一种办法是首选的施工方法。

1 电力电缆保护管定向钻进

1.1 特点

市政管网定向专区施工时一般会采用钢管或PVP或CPVC这样的塑料，一般电力工程多采用MPP管进行加固，都是因受电缆的影响而对保护管道的要求。而电力电缆保护管定向钻进还有一个特点是穿越间距较短，在保护管铺设完成后一般会进行一次敷设电力电缆，而又受各种天气原因、敷设电力电缆的长度一般不会超过100米、最多不会超过150米，如要进行长距离电力电缆敷设则面临大成本并需特殊生产电缆。因此电力电缆保护管定向钻井技术穿越间距大多都较短，这样成本不会太高。

其次的特点是回拖终孔孔径较大。电力电缆保护管的数量一般都需有电缆数来决定，多根电力电缆保护管都会采用一次回拖的方式进行敷设，一般回拖管道的数量都在五根以上。据现有国家相关规定，一般采用定向钻进敷设管道。定向钻进的钻孔尺寸一般在铺设管道外径的1.2倍左右，所以电缆工程的回托终孔孔径多为600毫米、800毫米和1000毫米。电力电缆保护管定向钻进工程一般都会位于城市主城区，而这些城市主城区一般对周边环境的要求都较高，所以他们的地下结构也会比较复杂，而且地下管线或地下构建物都分布密集在钻进轨迹周围，优化设计的同时还要与地下管线及构建物间的距离进行考虑，如因距离太近而造成事故是很危险的，所以施工的另外一大特点就是交叉穿越情况较为复杂。

由于交叉穿越情况较为复杂，所以工程之后的沉降要求也更为严格。电力电缆工程保护管定向钻进工程多对地下管线的路面河道泊岸等。所以，一般在施工完成后还会考虑施工对周围地形的影响，当施工导致周围地形变形时，还应考虑如何合理检修施工后的成果，并将施工对周边环境的影响降到最低且控制在允许的范围内。综上所述，电力电缆保护管工程共有五大特点，分别为采用特定材料、穿越间距较短、回拖终孔孔较大、交叉穿越情况复杂、工程作业以后沉降要求严格。

1.2 规定

电缆保护管定向钻进轨道的设计方法主要有作图法和计算法，可对供电力电缆定向钻进轨迹进行进一步设计，其中有几个规程规范的设计方法进行归类比较，公式法和计算法的做法是同一种做法。电力电缆轨迹设计时，除考虑轨迹本身的可行性和优化外，考虑钻井施工与地下管线构建间安全距离的要求，一般距离会较大，为更直观的留下这些数据并反映这些数据采用作图法是更为合适的。

电力电缆保护管的名称有很多种，如又叫电缆管或水泥保护电缆管，目前已有很多公司开始研究并制作研发电力电缆保护管且拥有自己的知识产权，目前已有很多公司申请了多项专利来保护自己的知识产权，但仍有很多公司采用电扩孔等先进工艺，通过一系列打磨工艺从而制造出新的增强版电缆保护管。在国家规定中，这些电缆保护管必须涂上一层石墨乳滑模，这样才能产生一个光滑面，从而达到减少摩擦的作用，这样可使能源消耗降低到最小。根据国家相关规定，A类电缆保护管适用于城乡电力电缆建设，B类适用于人行道和绿化带，C类则更广泛应用于高速公路、省道及国家一级公路等。

1.3 要点

一般水平定向钻井分为三个方面，分别为钻井施工、扩孔加工、清孔施工。钻井施工时须进行试用转，轨迹偏差不能大于终孔直径，避免因误差而造成退回，第一根钻杆钻进时应慢转，入土段和出土段为直线钻进，长度应控制在20米左右。而在扩孔时，更应根据中控的孔径图层条件等进行一次或多次进行施工；分次扩孔误差范围一般应控制在100至150毫米之间，而终孔孔颈应控制，在回拖管径外径1.2至1.5倍。扩孔应严格控制回泥量，转速，泥浆流量等各种重要参数。进行一次，或者多次清空。总而言之定向钻井施工的要点就是首先要进行试用转，然后在匀速慢慢钻进，小角度偏差，必须要及时纠正偏差，也不能大于出口直径，超出误差的范围应退回进行纠偏，第一根钻杆钻进时应轻压慢转，入土出土的地段都应该直线钻进，长度最好控制在20米左右。

2 回拖力计算

在回脱离计算中一般有几个常量：穿越管段的长度、摩擦系数、管子直径、泥浆密度，管子壁厚和粘滞系数，计算公式FT=πL2f[0.25D2γn-7.85δ1(D-δ1)]+kπDL2。例，辽 河 穿 越 中 穿越管段长度为1109米、摩擦系数0.2、主管规格Φ1020×16、泥浆密度1.05t每平方米、粘滞系数0.02，带入公式计算得回拉力为191.53吨。计算回拖力时一般需注意管道的受力，需对管道进行受力分析，从而进一步比较和分析计算结果。从计算公式及计算结果可看出，计算电力电缆保护管回拖力一般有四种方法。

摩擦力法。是通过实践摸索和工程的总结而得出的经验公式。回拖力主要来源于管外壁作为主力和扩孔钻头迎面阻力，而这个方法的不足之处在于整个管壁完全与管孔接触，从而造成能源损耗；净浮力计算法。现在应用较为广泛，其测量数据简单且计算步骤不太复杂。不足之处是需考虑的力有很多，如泥浆压力及外壁对轨道的压力等。这种计算的优点是采集数据较少、缺点是计算量过大；土压力计算法。曹苏军最先提出，他对土压力计算法进行了简化，并发表《多管组合穿越回脱离计算方法分析》，更广泛地应用于孔洞处有隧道塌方或积水严重的情况下来计算；ATSM计算法。这种方法是参考美国ASTM标准，在美国得到了进一步优化，但管道回拖过程中须克服管道与孔壁的摩擦力和弯曲程度，而在管道回拖后则需进行作业安排，还有一个最重要的步骤是三桩埋设。最后更要关注地形地貌的回复，以确保交通畅通，这样才能取得地貌恢复证。如果政府相关部门验收没通过，则必须要指出问题及时进行整改。

3 进行机械选型

3.1 分析

设计机械首先要依据工艺要求来进一步拟定物件的形式，功率范围来进一步选出比较合适的机构类型、动力方式以及功率等，从而进行一些新机械或新机器的设计。同时还可分析其运动的精确性、实用性及安全性和可靠性等。进行机械选型一般要遵循以下步骤：

选择时应从多方面进行考虑，要在形式结构等方面进行多项指数的参考，形式结构又包括连体结构、连杆结构等多种构造结构。机构的运动规律有位移速度及加速度的变化特点，一个构件间的相对尺寸有较为密切的关系，选用时要充分考虑到或必须按照要求进行详细分析和细致的计算。从生产工艺对动件的运动特性功能等方面的具体要求选取极佳的机械构型，以实现生产中的联系或说间歇运动。这样才能保证选出的产品具有足够长的寿命。

结构要简单、尺寸要适度。在整体布局上所占空间要很小，并要达到布局紧凑的效果，这样节省下一部分原材料选择结构的同时，还考虑到结构的标准化和系列化，这样才能降低成本。

第三，制造部件的加工流程必须不能太复杂。首先可满足构建加工上的各项要求，以及满足构建的加工细致程度和表面粗糙程度的具体要求；其次更应多思考机器在维修时必须要拆装方便、不能太过繁琐，这样机器可在工作时稳定可靠。接下来还要保证一系列要求，如使用是否安全以及各构件在运转中如出现轻微震颤会不会有较大影响，最后还要保证噪音不能太大、小噪音才更环保。局部机械机构的选型还应与动力机的运动方式、功率及特性能够进一步匹配和协调，这样相邻的几个机器结构才能衔接正常、正常运转，他们间才能传递运动和力。运动的误差要控制在允许的范围内。绝对不能让机器在运转过程中发生运动的干涉，这样后果是很严重的，所以一定要以安全为首要原则、环保为第二原则、实用性排在其后。还要具有较高的生产率和机械效率，以便于上市场进一步竞争。在经济上也具有一定的竞争能力，而不至于被社会所淘汰。