10kv配网外线工程中机械顶管与电缆敷设的协同施工技术优化

0引言

城镇化进程中'房地产配套10 kv配网外线需穿越复杂场景,机械顶管因对地表破坏小成为地下管孔施工的核心技术,而电缆敷设质量与效率依赖管孔精度。传统施工存在“脱节”问题,即顶管轴线偏差导致管孔弯曲半径不足,引发电缆护层破裂;管孔残留杂质增加敷设阻力与磨损风险;施工时序混乱导致管孔堵塞或工期延误。

恩平市汇银江南富湾六期10 kv专用线路工程,机械顶管总长3 485 m(1×φ160+1×φ75 HDPE管),需敷设10 kv电缆FY—YJv22—3×300共4130 m,涉及40个行车直线井、4个行车转角井。本文以该工程为依托,构建协同施工体系,通过量化计算与技术优化,解决关键问题,为10 kv配网外线施工提供支撑。

1 工程背景与协同关联分析

1.1项目核心参数与施工场景

汇银江南富湾六期10 kv专用线路由110 kv平富岗站T接供电,承担小区六期供电任务,外线核心工序包括机械顶管、电缆敷设与井体砌筑。

机械顶管采用泥水平衡式顶管机,HDPE管规格为φ160 mm(主管道,供10 kv电缆敷设)和φ75 mm (辅助管道,供接地极引线),总长度3 485 m。顶管段穿越小区道路、绿化带及地下管线密集区,砌筑40个1层2列行车直线井、4个1层2列行车转角井,井体间距80~100 m,兼顾顶管分段衔接与电缆牵引滑轮布置。

电缆敷设施工剖面图如图1所示。

本工程电缆选用10 KV交联聚乙烯绝缘钢带铠装电缆(FY-YJV22-3×300),单根最大长度500 m,设9套带保护盒中间头。电缆额定电压10 KV,25℃时长期允许载流量475 A,护层厚度≥2.5 mm,最小弯曲半径3.6 m,符合GB50217—2018《电力工程电缆设计标准》要求[1]。

1.2机械顶管对电缆敷设的制约作用

机械顶管的施工质量直接决定电缆敷设的可行性与安全性,其中轴线偏差是首要制约因素,顶管横向或竖向偏差过大会使管孔弯曲半径小于电缆最小允许值,电缆牵引时过度弯曲引发绝缘层开裂,同时增加摩擦面积,加大护层磨损风险;另外,管孔洁净度影响显著,HDPE管接口密封不严渗入的泥沙、水泥结块,或顶管机推进残留碎屑,会导致敷设阻力骤增甚至“卡缆”,需中断施工清理,延误工期。

相邻顶管段同轴度偏差超过10mm会形成“台阶”接口,电缆牵引时护层易被刮伤,钢带铠装电缆可能出现铠装层断裂,影响接地可靠性。

2协同施工关键参数量化计算

2.1机械顶管核心参数计算

机械顶管推进阻力直接影响顶管机选型与轴线控制精度,需通过量化计算确保顶进力与管材强度、土壤承载力匹配。顶管总阻力F总 由迎面阻力F迎与管壁摩阻力F摩两部分组成,计算公式如下:

F总=F迎十F摩 (1)

对于迎面阻力的计算需结合泥水平衡顶管的主动土压力特性,迎面阻力计算公式如下:

式中:γ为土壤重度,本工程施工区域为粉质黏土,经现场勘查确定γ=19 KN/m³;H为顶管机中心埋深,考虑到穿越小区道路与地下管线的安全要求,本工程平均埋深设置为3.5m;D为顶管机外径,因需匹配φ160mm的HDPE管,顶管机外径取170mm(即0.17m),以确保管材顺利推进;L刀为刀盘宽度,参考同类工程经验取0.3 m;ka为主动土压力系数,按朗肯土压力理论计算,土壤内摩擦角φ取25°,代入ka=tan² (45°-φ/2)可得到ka≈0.406。

将这些参数代入公式(2)计算得F迎≈1.38 KN。

管壁摩阻力指HDPE管与土壤之间的摩擦力,按均布摩阻力计算,计算公式如下:

式中:D管为HDPE管外径,取0.16 m;L段为单段顶管长度,本工程结合井体间距取80 m;『为管壁与土壤的摩擦系数,粉质黏土中HDPE管的摩擦系数参考DBJ33/T1283—2022《顶管工程技术规程》[2]取2.5 KN/m²。

将这些参数代入公式(3)计算得F摩 ≈100.48 KN。

综合迎面阻力与管壁摩阻力,单段顶管总阻力F总=1.38十100.48≈101.86KN,因此选用额定顶力150KN的泥水平衡顶管机,可满足施工过程中的顶进需求。

2.2电缆敷设核心参数计算

电缆敷设时牵引张力需控制在允许范围内,避免张力过大导致电缆导体拉伸或护层断裂。10 KV电缆FY-YJV22-3×300的允许牵引张力需结合导体允许牵引强度计算,铜导体允许牵引强度为270 N/mm²,导体截面积300 mm²,因此理论允许牵引张力为270×300×10^-3=81 KN,考虑施工安全系数0.9,实际允许牵引张力取72 KN。

电缆牵引张力T由摩擦阻力T摩、重力分力T重和弯曲阻力T弯三部分组成,计算公式如下:

T=T摩十T重十T弯(4)

摩擦阻力指电缆与管孔内壁的摩擦力,按滑动摩擦计算,摩擦阻力计算公式如下:

T摩=μ.G.(5)

式中:μ为电缆护层与HDPE管的摩擦系数,干燥状态下取0.3;G为单位长度电缆重量,FY-YJV22-3×300电缆经厂家参数确认重量为0.18 KN/m;L为单段电缆分次敷设长度,取50 m;R孔为管孔半径,取0.08 m。

将这些参数代入公式(5)计算得T摩=33.75 KN。

重力分力主要源于管孔倾斜时电缆自重产生的分力,本工程顶管设计为水平敷设(坡度≤0.3%),重力分力对牵引张力的影响可忽略,因此T重≈0 KN。

弯曲阻力指电缆经过井体滑轮或管孔弯曲段的阻力,按如下弹性弯曲公式计算:

式中:E为电缆绝缘层弹性模量,取1.2×10³MPa;I为电缆截面惯性矩,FY-YJV22-3×300电缆截面近似圆形,半径r=0.0425m,经计算I=πr4/4≈3.14×0.04254/4≈2.56 ×10^-6m⁴ ;θ为弯曲角度,转角井转角90°,即θ=π/2 rad;L弯为弯曲段长度,井体内部弯曲段取2 m。

将这些参数代入公式(6)计算得T弯≈2.412 KN。综合三部分阻力,电缆总牵引张力T=33.75+0+2.412=36.162 KN,远小于允许牵引张力72 KN。因此,为预留安全系数,选用额定牵引力50 KN的电动牵引机,可避免牵引机过载导致的施工中断。

3协同施工技术优化方案

3.1 顶管轴线偏差的动态控制

激光导向监测的优化需聚焦实时性与精准性,在顶管机头部安装激光导向仪,该设备可实时采集轴线偏差数据,包括横向偏差Δx与纵向偏差Δz,并通过无线传输模块将数据同步至地面控制台。为避免偏差累积,每2 m设置一个“偏差临界点”,当横向偏差Δx超过20mm时,系统 自动触发顶管机纠偏机制—通过调整两侧千斤顶的顶进速度实现轴线微调,例如监测到Δx=25 mm时,将右侧千斤顶顶进速度从5mm/min提升至7mm/min,左侧保持5mm/min,每30 s复评一次偏差,直至Δx回落至20 mm以内。

分段顶管衔接需解决同轴度偏差问题,相邻两段顶管施工前,在已完成顶管的管孔内插入φ150mm的导向套管(长度1.5 m),套管一端与已完成管孔通过固定支架同轴固定,另一端作为后续顶管的“基准入口”,通过这种方式确保两段管孔同轴度偏差≤5mm,避免形成“台阶”接口对电缆护层造成刮伤。

3.2 管孔预处理与润滑协同

顶管完成后需通过内窥镜检测与清理保障管孔洁净度,采用φ120 mm工业内窥镜(分辨率1 080 P)对管孔进行全长度检测,重点排查管孔内的水泥结块、泥沙堆积及接口错位情况。对检测出的杂质,采用“高压空气吹扫+钢丝刷通管”组合方式清理:先用0.8 MPa高压空气沿管孔一端吹扫,将松散杂质从另一端吹出;再用带钢丝刷的通管器(直径150 mm)往复拉动3次,清除附着在管壁的顽固杂质,确保管孔内壁无凸起异物。

管孔润滑处理需精准控制润滑脂用量与涂抹均匀度,电缆敷设前向管孔内注入电缆专用润滑脂(型号KL-202,粘度150~200 mm²/s)。润滑脂用量按管孔与电缆之间的环形空间体积计算,公式为V=π(R孔²-R缆²)L,其中R缆为电缆半径,取0.0425 m。本工程单段管孔润滑脂用量经计算为3.14×(0.08²-0.042 5²)×500≈7.21 L,通过专用注脂设备将润滑脂均匀注入管孔,确保电缆与管壁间形成连续润滑层,可将摩擦系数从0.3降低至0.15,牵引张力进一步降低至19.287KN。

3.3施工时序与井体滑轮协同

施工时序优化采用“三段式”规划,将机械顶管与电缆敷设划分为“顶管施工→管孔检测清理→ 电缆敷设”三个阶段,每个阶段设置独立的质量验收节点,避免交叉作业导致的工序干扰。具体时序安排为:第1~3天完成单段(80 m)顶管施工,验收内容包括轴线偏差、管孔密封性,确保顶管质量符合要求;第4天开展管孔内窥镜检测与杂质清理,验收管孔洁净度,不合格则需重新清理;第5天敷设单段(500 m)电缆,验收电缆牵引张力、护层完整性,确保敷设质量达标。

井体滑轮需与顶管施工同步安装调试,在顶管施工的同时,完成井体内部电缆牵引滑轮的安装:直线井安装2个平行滑轮,通过激光定位确保滑轮轴线与管孔轴线对齐;转角井安装3个导向滑轮,根据转角角度调整滑轮位置,形成与转角匹配的“弧形牵引路径”。所有滑轮槽内均粘贴5 mm厚橡胶垫,避免电缆护层与金属滑轮直接接触导致磨损,同时在滑轮轴处涂抹润滑油,减少滑轮转动阻力。

4 工程应用效果

在汇银江南富湾六期10 Kv专用线路新建工程中,上述协同施工优化技术的应用效果可通过施工质量与效率两大维度验证。在施工质量方面,单段顶管的横向偏差最大为28 mm,纵向偏差最大为65 mm,满足协同施工设定的“横向≤30 mm、纵向≤80 mm”要求,管孔实际弯曲半径经测算≥4.2 m,大于10 Kv电缆FY-YJv22-3×300的最小弯曲半径3.6 m,为电缆敷设提供了充足的空间条件。

电缆敷设过程中,牵引张力最大为5.8 KN,无张力超标现象;敷设完成后对所有电缆开展10 Kv耐压试验(试验电压27 Kv,持续1 min),绝缘性能全部合格,经外观检查无护层磨损、绝缘层开裂情况。9套电缆中间头的接地电阻均≤3.5 Ω,通过局部放电试验(放电量≤10 pC),符合GB 50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》要求[3],确保投运后无接地故障风险。

在施工效率方面,优化前单段(80 m顶管+500 m电缆敷设)施工需7天;优化后通过时序协同与工序衔接优化,单段施工仅需5天,整个外线工程(3 485 m顶管+4130m电缆敷设)工期从原计划45天缩短至33天,工期缩短12天,施工效率提升26.7%。同时,因电缆无磨损、中间头无返工,材料损耗率从原计划2%降至0.5%,减少了电缆、中间头等材料的浪费,经济效益显著。

5 结束语

本文以恩平市汇银江南富湾六期10 kv专用线路新建工程为实践载体,针对10 kv配网外线工程中机械顶管与电缆敷设协同性不足的问题,通过系统分析两者技术关联、构建量化计算模型、提出优化方案,形成了可落地的协同施工技术体系。该技术体系有效解决了传统施工“脱节”问题,为穿越道路、绿化带等复杂场景的10 kv配网外线工程提供了可推广的协同施工方案,具备较高的工程应用价值。

[参考文献]

[1] 电力工程电缆设计标准:GB 50217—2018[S].

[2] 顶管工程技术规程:DBJ33/T 1283—2022[S].

[3] 电气装置安装工程电气设备交接试验标准:GB 50150—2016[S].

《机电信息》2025年第23期第20篇