电力隧道断面选型与机械化施工

彭 源，张华宇

(国核电力规划设计研究院重庆有限公司，重庆 401121)

随着电力系统规模的不断扩展，电力电缆的应用日益广泛，特别是在架空线路走廊紧张的城镇，电缆得到大量应用。传统的人工开挖、钻爆开挖等方式效率低，施工安全风险较大，已不适应当代城市发展的需要，因此，施工的机械化程度越来越高。

隧道机械化在公路隧道、铁路隧道施工中已经大范围使用，成熟的机械设备早已被投入到工程实际中。这些机械设备如挖掘机、盾构机等由于普遍服务于大断面隧道，体积往往较大。而电力隧道作为电缆敷设的通道，截面尺寸较小，大型设备无法进入，这导致了电力隧道的机械化程度不高。要提高机械化施工使用范围，一方面可以从隧道截面入手，结合现有机械设备尺寸对电力隧道截面进行调整。另一方面也可以结合电力隧道的特点，引导设备厂家生产出适合电力隧道施工的机械设备，最终实现电力隧道全过程机械化施工。

1 电力隧道特点

1)电力隧道大多数位于城市核心区域，所经过区域常有重要企事业单位的建筑和构筑物，重要交通设施，或为人员密集的商业等，传统爆破施工常因受到限制而无法实施。

2)电力隧道作为敷设高压电缆的通道，隧道截面大小主要由电压等级和电缆数量决定，隧道断面尺寸往往较小。

3)受制于断面尺寸，电力隧道无法像普通大断面公路或者铁路隧道一样，二衬结构紧跟初衬进行，电力隧道通常是先开挖，贯通后再浇筑二衬结构。

4)电力隧道作为电缆敷设的通道，建设的目的是敷设电缆，截面通常采用直墙+拱的型式。这种断面型式的空间会因电力数量和排列方式得到充分利用。

5)电力隧道内除电缆外，还布置了监测、通信、自动巡检通风、排水、照明、防火等各类综合监控系统，如图1所示。

图1 电力隧道内部布置图

2 隧道开挖分析

目前，电力隧道开挖施工主要分钻爆或者水钻开挖和出渣、支护等3个主要环节。其中，由于城区爆破常常被限制，通常采用人工水钻开挖。由于工序较多，各工序衔接时间不紧凑，特别是隧道开挖和出渣环节会耗费大量时间，安全风险大，导致整个施工周期受到严重影响。人工水钻开挖需要搭设简易设备施工平台，沿隧道开挖边线一周后进行掘进，一次进深60～70 cm。关于出渣方面，目前大断面隧道机械化施工所使用的装载机、挖掘机设备品种较多，也基本上能达到与运输设备配套的要求，如图2所示。但是这一方法无法在小断面隧道中运用，因此在出渣运输方面也需要进一步考虑如何加快机械化程度。

图2 大断面隧道机械化施工

3 机械化施工

隧道机械化施工常采用盾构法，顶管法实为盾构法的一种。顶管法施工中，在主顶工作站的作用下，由始发井开始，通过可控顶管机或盾构机，将所要顶进的管道从目标井顶出，可以实现直线或曲线顶进。一般情况下，顶管机的操作和控制可以直接在地下的工作现场由操作人员来完成。

工作面上岩石的破碎可以通过人工破碎、机械破碎或者水力分步破碎的方法来实现，也可以用机械岩盘顶管机进行全断面破碎。破碎下来的岩粉或泥土可以通过压力墙上的开口进入顶管机，并经过已铺设好的管线运至地表。顶管施工技术是一种既安全又经济的短距离穿越的有效方法。目前机械顶管机主要以圆形截面为主，适用于岩石地区的顶管机直径主要为2～3 m。盾构法与顶管法最大的区别在于盾构的衬砌为管片，顶管的衬砌为管节。盾构法通常适用于大断面速递，顶管法适用于小断面隧道，因此对于电力隧道，顶管法用得更广。

顶管机主要以圆形截面为主，矩形顶管机很少，一般需特殊研发。机械顶管常见规格有直径1 200 mm，直径1 500 mm，直径1 800 mm，直径2 000 mm，直径2 200 mm，直径2 400 mm，直径2 600 mm，直径 2 800 mm，直径3 000 mm。一般直径≥2 000 mm的顶管为大口径顶管，可以实现人员在隧道内检修作业。

4 隧道断面选型

以往电力隧道工程隧道断面型式往往做成直墙+拱顶型式。下面以四回110 kV隧道为例，对四回规模的不同截面型式进行分析比较。

当线路路径较短(一般不大于600 m)时，直墙+拱形断面(如图3所示)这种人工开挖方式的费用相对较低，若按圆形断面并采用机械施工，那么费用相对高昂，主要是设备一次性进场费较高。当线路路径较长时，同等规模电力隧道如果采用圆形断面(如图4所示)，并配合机械顶管施工，折合下来每米工程量会减少很多。另外，当隧道规模大于四回，或者敷设方式改变，导致顶管直径大于3 m无法选择设备时，也可以采用两种不同规格的顶管并行施工，再把工期进度因素考虑进去，那么带来的经济效益肯定大于人工开挖这种施工方式。如表1所示。

表1 不同断面工程情况及造价对比

图3 直墙+拱型断面

图4 圆形断面

隧道机械化设备比较多，如炮机、挖掘机、单臂掘进机等适用于大断面隧道，要想在小断面隧道中实现机械化，建议从隧道断面出发，将以往直墙+拱形隧道改为圆形断面隧道，再配合小型顶管机或者小型盾构机，就可以大规模实现电力隧道机械化。这样施工风险降低，工期进度加快，施工单位也愿意采用。这种对常规断面型式进行的调整，看似粗犷，实则从整体把握了工程造价、工期进度，使工程安全高效，最终能实现电力隧道机械化施工标准化。

5 机械化新设备

上述是根据目前已有的机械设备特点来调整电力隧道断面尺寸，进而满足机械化施工要求。目前市面上的机械设备都是为挖掘公路或者铁路隧道研发的，电力隧道作为新时代输电线路的通道，最近几年得到迅猛发展。电力施工单位可以引导设备厂家，针对电力隧道特点进行研发，这未尝不是一个方向。

图5所示为一种专门为电力隧道研发的机械，前方有两个旋转头可以调节角度和开挖大小，能满足一般电力隧道开挖的断面要求，但经过施工现场测试，其还需要进一步改进。随着电力事业的大力发展和市场需求的迫切，会有越来越多的机械设备被研发出来并被运用到工程实践中。

图5 多头水钻机

6 结语

目前扩大电力隧道机械化施工可以从两方面入手。一种方式是通过改变隧道断面型式，减少断面尺寸种类，结合现有机械设备尺寸归并出几个适用范围广的隧道断面尺寸。推动机械化施工，特别是长线路，可降低施工风险，提高安全性，还能缩短工期，提高经济性。另一种方式是随着电力隧道工程的增多，鼓励设备厂家研发适用于电力隧道特点的机械设备，有市场就有动力，通过不断改进，电力行业肯定能推出一套完整机械化施工设备，最终让机械化施工成为隧道建设主流。