城市高压电力隧道常用施工方法技术经济比较

城市高压电力隧道常用施工方法技术经济比较
李 猛 陈志宏 赵立丰 高 鹏
（河北省送变电公司 石家庄 050051；河北省电力公司 石家庄 050051）
【摘要】介绍几种城市高压电力隧道的常用施工方法，主要包
括暗挖法、人工顶管和机械顶管法。介绍了主要的施工工艺、施工
步骤和注意事项。对几种常见施工方法进行技术经济比较，论述了
各自的优缺点，并对各自的适用范围给出了建议性意见。
【关键词】电力隧道；施工；方法；技术经济
0. 前言
随着我国城市用电负荷的不断增加，迫切需要在城市中心建设
高电压等级变电站及相应的高电压输电线路，各大中城市相继采用
了地下敷设电缆结合城市中心变电站的方式进行城市供电，由于
220kV 及以上的高电压等级长电缆不适合直埋敷设，所以普遍采用
了隧道敷设的方式。电力隧道的断面相对较小，一般断面面积在
3-8m2 之间，个别电缆接头间位置断面面积可达到近20m2，一般采
用明挖、暗挖、人工顶管和机械顶管四种方法。本文主要介绍常用
的暗挖、人工顶管和机械顶管三种方法。
1. 施工方法简介
1.1 暗挖施工。一般适合在土质地层、砂质地层中应用。施工
时，要先开挖施工竖井，达到设计深度和土质要求后，进行横向开
挖，采用人工挖土、人工运输、竖井机械提升的施工工艺。施工中
严格控制地表沉降，遵循管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封
闭、勤量测的原则进行施工。
1.2 人工顶管。人工顶管适合在土层中使用，是最早发展起来
的一种顶管施工工艺，由于它采用了一定的辅助措施后便具有施工
操作简便、设备少、施工成本低、施工进度快等优点，所以目前还
具有一定的应用价值。人工顶管时先建立一个工作井和接收井，工
作井中在浇底板时同时布设导轨，在井面安装一个支架式的起重设
备以做出土用。
1.3 机械顶管。机械顶管适合在土层中或穿越河道、公路时使
用，通过泥水平衡顶管掘进机、等推力油缸、汽车吊液压动力站、
液压注浆泵、污泥泵等机械的作用，运用传力顶铁和导向轨道，用
支承于基坑后座上的液压千斤顶将管压入土层中，同时挖除并运走
管正面的泥土。
2. 施工技术指标分析
2.1 暗挖施工
2.1.1 暗挖法隧道施工原则。根据地质情况，编制合理的施工
技术措施和计划，控制地表沉降，最大限度减少对地表建筑物及地
下构筑物的影响。严格遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、
快封闭、勤量测”十八字施工原则，施工组织严格遵守暗挖法施工
原则，并做到先加固、后开挖，加固一段、开挖一段，封闭一段。
2.1.2 超前支护施工。隧道初衬支护采用格栅钢架、纵向连接筋、
挂钢筋网片、喷射防水混凝土和超前支护采用超前小导管对掌子面
土体进行支护，并且根据现场实际地质情况进行加密加固，土层注
浆预加固相结合。小导管选用φ32 长3000mm钢花管，外倾角8 ～ 10
度，纵向水平搭接长度1000mm ；小导管一般间距为300mm，钢筋
网φ6 ＠ 100mm×100mm（φ6 ＠ 120mm×120mm），格栅间距为
500mm。超前小导管注浆施工包括吹孔、安设小导管、注浆、固砂
（砂土）效果检验等工序。
2.1.3 隧道土方开挖。隧道开挖时一定要做好隧道施工的监控
量测及超前注浆工作，确保开挖地层周边围岩的稳定。土方开挖采
取人工掘进，在开挖作业中现场施工人员要观查周边围岩的地层变
化情况，对地面建筑物及附着物进行监控量测，并检查超前支护的
注浆效果，信息要及时反馈，并确保施工安全。
2.1.4 格栅钢架加工制作及安装。格栅钢架在加工厂冷弯分段
制作，钢架各段之间采用连接板、高强螺栓连接，在组装前应在地
面进行试拼并捡查各部尺寸，合格后方可使用，组装后应在同一
个平面内，拼装后允许偏差为：周边拼装允许误差为+30mm，平
面翘曲小于20mm。格栅钢架安装使用激光导向仪控制其轴线及高
程，应架设在与隧道轴线垂直的平面内，允许偏差为：安装间距
±50mm，高程±50mm，倾斜度±2°。安设正确后，纵向必须用
纵向连接筋连接牢固，格栅钢架保护层厚度40mm，其背后喷射混
凝土应密实。
2.1.5 初衬砼喷射（早强C30P8）。喷射混凝土的原材料进场均
应进行速凝效果的试验，确定速凝剂的品种和最佳掺量，要求初凝
不超过5min，终凝不超过10min。喷射作业前应检查开挖断面尺寸、
清除松动的浮石、土块和杂物，清除基脚下的堆积物，用高压风吹
净，埋设控制喷射混凝土厚度的标志，调整好锚喷机的风压、水压。
喷射作业分段、分层进行，喷射顺序由下而上，对悬挂在网筋上的
混凝土结团应及时清除，保证喷射混凝土的密实。
2.2 人工顶管
2.2.1 人工顶管的施工顺序为：工作井施工→后背墙制作与安
装→顶进设备安装调试→吊装砼管→连接好工具管→装顶铁→开启
油泵顶进→出泥→管道贯通→拆工具管
2.2.2 导轨安装。在工作井底板浇注砼，将导轨直接放置在工
作井的底板上。严格控制导轨的中心位置和高程，确保顶入管节中
心及高程能符合设计要求，严格控制导轨顶面的高程，其纵坡与管
道纵坡一致。导轨采用浇注砼予以固定，导轨长度2~3m，间距可
根据管径要求做相应调整，一般以便于测量为宜。
2.2.3 后背墙的制作与安装。顶管顶进作业时，顶力反作用于
后背及工作井后背土体，这就要求后背墙强度和刚度必须满足顶进
控制的最大允许顶力，并在施工、安装过程中应保证力的传递均匀
和整体受力，以避免发生安全事故、影响周围环境和顶进。装配式
后背墙宜采用方木、型钢或钢板等组装，底端宜在工作坑底以下且
不小于50cm，组装构件应规格一致、紧贴固定，后背土体壁面应
与后背墙贴紧，有孔隙时应采用砂石料填塞密实；利用已顶进完毕
的管道作后背时，待顶管道的最大允许顶力应小于已顶管道的外壁
摩擦阻力，后背钢板与管口端面之间应衬垫缓冲材料，并应采取措
施保护已顶入管道的接口不受损伤。后背墙平面与掘进轴线应保持
垂直；表面应坚实平整，能有效地传递作用力。
2.2.4 千斤顶和顶铁的安装。千斤顶宜固定在支架上，并与管
道中心的垂线对称，其合力的作用点应在管道中心的垂直线上；当
千斤顶多于一台时，宜取偶数，且其规格宜相同，当规格不同时，
其行程应同步，并应将同规格的千斤顶对称布置；千斤顶的油路应
并联，每台千斤顶应有进油、退油的控制系统；顶铁单排使用长度
不大于1.5 米，双排使用不大于2.5 米，顶进时顶铁必须与后背垂直。
2.2.5 施工工艺。设备安装完毕后即可进行试顶，首先校测设
备的水平及垂直标高是否符合设计要求，合格后即可顶进工具头，
然后安放混凝土管节，再次测量标高，核定无误后进行试顶，待调
整各项参数后即可正常顶进施工。顶进施工时，主要利用人工在前
面取土，一般的粘性土可用铁锹挖土，遇到较硬的土层时，可用空
气压缩机加风镐作为挖土设备，用斗车、垂直牵引的卷扬机作为出
土设备，千斤顶出镐在后背不动的情况下向前顶进。在施工过程中，
做到勤挖勤顶勤测，加强监控。
2.3 机械顶管
2.3.1 机械顶管的施工工序为：工作井施工→装配式后背墙安
装→导轨安装→主顶千斤顶安装→油泵安装→顶铁安装→进出洞施
工及密封→管道顶进→出土→测量→纠偏。
2.3.2 装配式后背墙安装。装配式后背墙采用方木、型钢和钢
板等组装（或采用现浇钢筋混凝土，后背前再放置钢板），组装后
的后背墙应有足够的强度和刚度；后背土体必须均匀密实，壁面应
平整，并与管道顶进方向垂直；后背土体壁面应与后背墙紧贴，有
孔隙时应采用砂石料填塞密实。装配式后背墙的底端在工作坑底以
下500mm，从而使后千斤顶着力中心高度不小于后背方木高度的
1/3，这样能使着力点与墙后被动土的合力点保持一致，有助于减
少后背的倾斜。装配式后背墙垂直度允许偏差为0.1% 装配式后背
墙高度，水平扭转度允许偏差为0.1% 装配式后背墙长度。
2.3.3 导轨安装。作坑底部采用200mmC20 混凝土垫层，选
用8 根20×200mm 方木做轨枕，导轨采用钢导轨安装时和工作井
底板预埋钢板焊牢，并用型钢支撑或用混凝土围牢。导轨安装前
要先复核管道中心位置，确保导轨的高程、轴线位置准确。导轨
定位必须稳固，在顶进中承受各种负荷时不位移、不变形、不沉
降。导轨必须符合中线、高程的要求，且在安装后和顶管前，其轴
线位置、高程等必须进行验收，轴线位置偏差不超过3mm，顶面
高程偏差不超过3mm，两轨内距偏差不超过2mm。导轨端不能距
工作壁太远，一般应控制在500mm 左右，导轨安装时预留缝高度
以100 ～ 150mm 为宜，导轨以水平安装为佳，特别在软土中顶进，
不能带坡操作。
2.3.4 主顶千斤顶安装。千斤顶必须符合中线和水平要求，且
要以管道中心线为轴对称布置。主顶油缸架安装要定位准确，保证
油缸受力点的位置正确，其高程和平面安装误差应控制在3mm 以
内。安装在油缸架上的油缸中心误差控制在3mm 以内。千斤顶固
定在支架上，其合力的中心点在管道中心线上；千斤顶的油路应并
联，每台千斤顶应有进油、退油的控制系统。千斤顶的位置宜位于
管道垂直直径的1/3 ～ 1/4 处，使千斤顶合力位置和顶进抗力的位
置在同一轴线上，避免产生顶力偶，使管道发生高程误差。
2.3.5 顶铁安装。单行纵向顶铁中心线与管道轴线一致；双行
纵向顶铁的两条中心线要平行，并与管轴线距离相等，且要垂直于
管端平面。顶铁的相邻面互相垂直，顶铁上有锁定装置，顶铁放置
时应能保持稳定。纵向顶铁与管端面相接触时，必须使纵向顶铁着
力点高度位置位于外直径1/3 ～ 1/4 处，以防止着力点太高造成前
管低头。当顶力较大时，管端面应加弧形顶铁钢板，以增大管端的
受力面积，改善其受力情况，防止管子在顶力过大时损坏。
2.3.6 施工工艺。设备安装完毕后应做一次系统调试，在确定
顶进设备运转情况良好后，开始顶进工作。长距离顶进时，为减少
顶进阻力，在洞门处制作密封圈以使灌入的触变泥浆发挥减阻效果。
出洞过程中采用井内外封门的形式，以便于在井内拔除封门和封堵
建筑空隙，在井内封门外侧安装一只方形钢箱，使其包络内封门所
有双榀[16 ＃，两侧焊接在内封门外缘双榀[16 ＃上，上部开口，
以拔除双榀[16 ＃，下部与底板预埋件相连接固定。方箱上设一预
留孔。在方形钢箱外侧安装一只圆形钢套，钢套与方形箱采用焊接
方式连接可靠。其内布置有三道盾尾钢刷，并在相应两道钢刷之间
沿外圈各布置球阀。另外，在钢套后部安装两道钢环板，以安装帘
布止水橡胶带。为了确保顶管机正常出洞，防止润滑泥浆浆液及切
口泥水后窜至井内，利用圆形钢套上所预留的压注孔在三道钢刷之
间充分压注油脂，并且在顶进过程中不断地加注。由于泥水平衡式
顶管机必须具备正常的泥水压力后才能正常施工，所以洞门内一定
要填充粘土，并具备一定的土压力，以形成正常的泥水平衡系统。
3. 施工经济技术指标分析
3.1 暗挖施工
3.1.1 施工成本高。常规暗挖隧道地质情况良好时，每个工作
面最快日进尺为两个循环，砂层、含砂量较高的土层、粉细砂层、
杂填土砂层每个工作面的日进尺最快为一个循环；工人劳动强度大
使身体极易疲劳；隧道本体断面较小，采用的通风设施无法将钢筋
焊接及锚喷混凝土时产生大量灰尘排出，致使工作环境较差；需要
大量混凝土和钢筋等材料，对于劳动力的需求也很高。
3.1.2 工作竖井较大。工作竖井占地较大，每座工作竖井现场
面积不小于450m2，并且竖井施工完成后可利用性很小，浪费大量
钢筋及混凝土。每座工作井现场及竖井完成工期平均为45 天，拆
除工作井现场产生大量的渣土及垃圾。但是其选择工作竖井的范围
较广，可以在对交通无影响的地点选择工作竖井，以保持交通顺畅。
3.2 人工顶管
3.2.1 施工成本低。仅需要少量设备，依靠几个劳动力便可完
成顶管施工。
3.2.2 工作井及接收井占用场地小。顶进设备及配套设备少，
占用场地小，并且工作井及接收井要求的尺寸小，所以对市政交通
的无很大影响，可保证社会车辆便利通行。
3.2.3 容易发现地下管线，清楚地做出判断，防止出现不必要
的损失。由于市政工程地下管线复杂，还可能出现高架桥桩基础及
城市供水管等情况，而人工顶进可第一时间发现管线，并做相应的
处理措施。
3.2.4 对土质要求高。由于土方开挖由人工进行，对于较于坚
硬的土壤或山石人工很难顺利施工，所以人工顶管对于土壤类别要
求较高。
3.2.5 施工进度较快。由于顶管管材厂家预置成品，进入施工
现场可进行简单处理后直接下井进行顶管施工，工序简单，进度较
快。
3.2.6 安全性高。由于人工顶管需要人员及工种少，并且随掏
挖随顶进，支护非常及时，因此安全性能高。
3.3 机械顶管
3.3.1 施工成本高。机械顶管不但顶管机及相应配套设备贵，
而且折旧费及损耗也很高。
3.3.2 工作井及接收井占用场地较大。对机械顶管，由于顶进
设备及配套设备多，占用场地大，并且工作井及接收井要求的尺寸
大，对市政交通影响不言而喻，有时甚至会造成整条道路交通瘫痪。
3.3.3 不容易发现地下管线，清楚地做出判断，防止出现不必
要的损失。机械顶管在顶进过程中无法分辨地下管线，而且容易将
现有的管线破坏，有时损失还不小，尽管目前可在顶进前可做管线
探测，但一般只能探出金属管，对混凝土管等非金属管则无法探测
出来。
3.3.4 对土质要求低。机械顶管施工土方开挖机械化，在坚硬
的土质和砂石顶进亦轻而易举。
4. 各种施工方法的推荐适用范围
4.1 暗挖施工。暗挖适用于体失圆的异形，岩石或姜石较多的
地区，暗挖法施工对地面影响较小，但埋置较浅时可能导致地面沉
陷。
4.2 人工顶管。人工顶管存在施工成本低、对交通影响较小、
清楚的辨别地下管线及施工过程简单等优点。人工顶管的经济效益
可观，对土质较好的地方或较贫困地区，在能保证施工人员安全的
前提下，人工顶管在很大程度上还有其发展空间和应用。
4.3 机械顶管。机械顶管的现代化的技术水平可解决很多人力
难以企及的方面如坚硬土质、快速的顶进速度、较高的施工精度和
较小的安全隐患等等。但其机械的高成本和折旧费是制约机械顶管
发展和应用的主要因素。
5. 结语
在进行施工过程中具体应用那种方式，还需要结合土质情况，
地质情况，周围环境以及结合工程实际情况，那种更加经济高效，
合理选择适合工程的方式。