电缆拉管轨迹优化设计.docx

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1、电缆拉管轨迹优化设计定向钻进的轨迹优化设计方案，包括了设计方法和手段的选择、轨迹控制参数的确定及方案优化三大部分内容，本文将首先对比现有的轨迹设计的原理与方法，提出适用于电力电缆保护管定向钻进的设计方法，其次对现有相关的规程规范进行梳理，对轨迹控制参数、交叉穿越的安全距离取值进行对比，结合各个规程制定的意图，提出最适合本工程定向钻进穿越安全距离的取值；随后，对依托工程的水平定向钻进敷设电力电缆管道的轨迹进行优化设计，提出最优的技术方案；最后，简要介绍了工程的施工过程，验证优化设计方案。一、钻进轨迹设计的原则与内容轨迹设计的基本要求及原则如下：充分掌握原始资料；明确拟铺设管线的性质、目的和材料，

2、确保轨迹设计满足工程需要；考虑施工方便和安全钻进，要避免急弯，非必要时不采用急弯，否则会使修孔工作量增大，钻具与孔壁的摩擦加剧，钻杆折断和管线损坏事故增多，甚至产生键槽，使地下钻具受卡和管线推拉困难；尽可能地减少施工中的辅助工序，或降低辅助工序施工的难度,以达到较好的经济效益。在遵循设计的一般原则的基础上，钻孔轨迹设计的主要内容包括:确定钻孔类型和钻孔轨迹形式;确定造斜点；确定曲线段的曲率半径；确定钻孔孔身轨迹参数；预估经济效益。二、轨迹设计方法定向钻进的轨迹优化设计包括了以下几个部分，即管道规格选型、管道的排列布置方式、采用的优化设计方法、主要的控制性参数取值等方面。2.1轨迹设计方法对比及

3、电缆工程推荐方法对于定向钻进管线的轨迹设计方法，目前主要采用的是作图法或计算法，本节将对7本规程的设计方法进行归类比较，详见下表：表不同规程的轨迹设计方法对比序号规程名称设计方法1管线定向钻进技术规范(DG/TJ08-2075-2010)作图法或计算法2/水平定向钻进管线铺设工程技术规范(DBJ13-102-2008)作图法或计算法3/定向钻进敷设电力电缆管道工程标准(Q/GDW-1797.1-2013)一4/水平定向钻进技术规程(非开挖行业标准)(2016年版)/作图法或计算法5/水平定向钻法管道穿越工程技术规范(CECS-382:2014)。公式法d+6/油气输送管道穿越工程施工规范(GB

4、-50424-2007)作图法d7油气输送管道工程水平定向钻穿越设计规范(SYT6968-2013)J公式法国网的企业标准未提出相应的轨迹设计方法，仅要求理想状态下的轨迹为“斜直线一一曲线段一一水平直线段一一曲线段一一斜直线段”的组合，而通过对其他行业的规程进行对比可知，目前不同行业对于水平定向钻进的轨迹设计还是以作图法和计算法(公式法)为主,电力线缆的定向钻进设计采用国网企业标准推荐的作图法是合适的。2.2定向钻进轨迹控制参数对比定向钻进轨迹的控制参数主要包括入土角、出土角、曲率半径的要求等几个参数，本节针对7本规程的相关规定，对比不同规程在相应参数指定上的异同点。去不同规程的轨流设计参数对

5、比规程名称(烷程号)一轨迹控制参数材质,曲率半径Q入土角度;出土角度,管线定向钻进技术规范(DGTJO8-2O75-2O1O)a钢管1200。*j8-20*-*8塑料管75。水平定向站迸管线Wi设工程技T规范(DBJl3102-2008)钢窗1200。3f-20*70-15塑料管叫0“一2师定向砧迸敷设电力电缆管道工程标推(QGDWl797b2013)电力首i2o*j-2075-12*a水平定向砧进技术规程(非开整行业标准)(2016年版),钢管200。，820小甲2塑料管厂家规定一水平定向钻法管道寻越工程技术规范(CECS3822014)3钢管1200Dlr放，二72一塑料管。250D*38

6、*-WQ4-20油气输送衡M导越工程施工规范(GB50424-2007)钢管31200DN6-20-4-123油气输送工程水平定向钻身越设计规范(SYT6968-2013)-120003r-20412-注.为抬肝外径iD为管道外径.由对比表格可以看出，不同规程对于不同材质的管道的最小曲率半径、入土角、出土角都有所不同。目前电力电缆的保护管多以MPP管（高密度聚丙烯）居多，应选用塑料材质管道的轨迹控制参数，对于曲率半径，不小于钻杆外径的1200倍和厂家规定的管道外径即可,对于入土角度，基本规定类似，以经验值为宜。而出土角度的规定差异较大，在轨迹满足要求的情况下，以遵循国网企业标准为宜，当无法满足

7、要求时，可结合管道的力学性质及机械能力后，参考其他的规程规定。2.3轨迹设计方法及设计参数取值与此同时，由于定向技术自身的一些工艺特点，使得其工程实践要求领先于理论研究水平，且应用过程存在一些瓶颈，目前，地下电力线缆定向钻进施工技术在电缆工程中应用时常常碰到以下一些关键问题亟待解决：（1）目前，电力行业内部对于定向钻进法在不同水文地质条件下的适用性及适用范围尚未达成统一的认识。国家电网公司虽然新出台了相关企业标准定向钻进敷设电力电缆管道工程标准（Q/GDW1797.1-2013）o但相关规定过于笼统，且未能考虑电力行业自身的特点（如所敷设电力电缆及其保护管的一些特殊要求等），因此，基于水文地质

8、条件进行地下线缆定向钻进技术适用性和适用范围的研究，补充和完善相关行业和企业标准，对定向钻进技术在电力行业的广泛应用和大力推广具有重要的意义；（2）水平定向钻进轨迹的设计是该技术的核心内容，直接关系到铺管的成败。钻进轨迹一般由两个造斜段和一个直线段组成，弯曲段的半径R可分别由不同曲率半径的多段圆弧组成，弯曲程度与施工空间、管道要求的埋深、钻具本身的曲率半径、地层的弹性模量和阻力、导向板的面积大小和安装角度、钻机能力以及铺设管线允许的曲率半径等因素有关。目前的轨迹设计方法多采用经验取值方法，除了管线允许的曲率半径外，不考虑前述其他影响因素，这就会使得施工过程中的钻进及回拖管道的轨迹受现场因素影响

9、而与设计要求存在一定的出入，存在较大的安全风险。如何结合较大直径电缆曲率半径、保护管允许曲率半径以及机械施工能力、地层地质特征、交叉穿越情况等因素，进行合理、可行的钻进和回拖轨迹设计，是定向技术在输电线路工程中应用亟待解决的问题；（3）定向在钻进施工，地下钻头的深度、工具面向角、仰角等一些指标，只能通过导航与间接测量得到，由于监测手段的制约，测量精度较差，经常超过探头深度的5%,而在交叉穿越要求较高的电力电缆工程中，势必要考虑施工误差对交叉穿越间距的影响，研究轨迹控制技术及分析误差组成，对整个定向钻进工作也尤为必要；（4）一般采用非开挖技术敷设管道施工时，其上覆的多为管线密集、交通繁忙的市政道

10、路，或者是具有驳岸结构、流域宽度适中的河流，此时，定向轨迹设计就必须考虑与各类地下管线及建（构）筑物的交叉穿越间距。电力行业设计常参照的现行规范和手册如：电力基建工程施工工艺手册中规定拉管穿越地下现有管线的安全距离需50c,其他相关的规范规程也有类似的规定。但是，交叉穿越间距的影响因素众多，涉及定向机械能力、电力保护管规格、地层地质条件、被穿越管线或构筑物的物理力学性能等方方面面，甚至还受到被穿越构筑物的安全等级的影响，因此，该要求在实践中过于笼统,按照该要求进行设计在部分工程中并不安全，甚至发生了事故。如何针对电力管线定向钻进常见交叉穿越构筑物的一些技术特征，选择安全、经济的交叉穿越间距，是

11、该项技术应用和推广最为重要的决定因素之一，开展专项研究十分必要。三、轨迹优化设计3.1工程地质条件(1)地形地貌拟建电缆线路沿线原始地貌属沿海冲积平原，电缆路径大致沿着公路西侧人行道分布，地形整体较为平坦，地势由北向南逐渐增高,地面高程一般为913m。(2)水文气象特征场地地下水主要为赋存于砂土层中的孔隙型潜水，水量丰富，主要受大气降水和上游渗流补给，以蒸发和向下渗流为排泄方式。地下水埋深较浅，一般为25米，年最大变化幅度为0.5米。根据附近工程资料初步判断，地下水以上土壤对混凝土结构有微腐蚀性，对混凝土结构中钢筋有微腐蚀性，对钢结构有微腐蚀性。地下水对混凝土结构有微弱腐蚀性，对混凝土结构中钢

12、筋有微弱腐蚀性，对钢结构有弱中等腐蚀性。(3)地震基本烈度线路沿线地层结构相对较复杂，存在粉细砂和含泥中砂等液化土层，对电缆沟、排管影响较小，场地整体属对建筑抗震不利地段。根据中国地震动参数区划图(GB18306-2015)的通知，拟建线路地处X镇，11类场地对应的地震动峰值加速度为0.15g,反应谱特征周期为O45s,根据中国地震动参数区划图(GBI8306-2015),厂址区地震基本烈度为7度，地震分组为第三组。(4)线路段工程地质条件根据现场调查及附近工程钻探资料，场地覆盖层很厚，一般大于40m,地层分布主要为粉细砂、中砂、黏土，向下逐渐过渡至花岗岩各风化层。由上而下描述如下：粉细砂：灰

13、黄、灰白、灰色，松散稍密，冲积成因，稍湿饱和，成分主要以石英细砂颗粒为主，级配分选性良好，局部夹有粉质黏土层。本层厚度约1025m含泥中砂：灰黄、灰白等色，稍密中密，系海相沉积，饱和，成分由石英中砂颗粒为主,含泥量约1525%,局部夹有粉质粘土层，级配分选性较差。本层厚度约3.0-10.Om0黏土：灰深灰色，湿，以粘、粉粒为主，质纯，含石英颗粒5%,无摇震反应，切面光滑，有光泽，干强度及韧性极高，粘性下伏为残积砂质粘性土和各风化岩层。3. 2水平定向钻进路径方案定向钻进敷设电力电缆保护管，平面轨迹需要考虑两方面的内容:D工作坑及接收坑位置及施工场地要求；2）管线交叉穿越范围内的地下构筑物的位置

14、。该工程在道路的南侧，沿着电缆线路方向的场地较为开阔，可作为水平定向钻进的工作坑；北侧虽然临近已有的围墙，但是还是具备摆放电缆保护管的场地，可作为接收坑。通过对电缆定向钻进轨迹范围内的地下构筑物进行调查，在钻进敷设影响范围内的不存在对变形敏感或较为重要的管线或构筑物。本工程采用平面直线定向钻进的方案。电缆选用DN250的MPP电缆保护管，3孔敷设220kV电缆，1孔备用管，合计4孔，同时还包括2根DNIoO的通信管道，合计6孔MPP管。定向钻进平面上的路径长约6080m,钻进轨迹需先后与1根给水管、1根雨水管、1根生活水管和1根高等级工业水管下穿越，实施难度大。3.4回拖扩孔截面设计水平定向钻

15、进敷设电缆保护管的主要目的是为了满足电缆的敷设需求，做标准断面优化设计之前，首先要明确电缆保护管的孔数、规格及材质。由于该工程为220kV电缆，根据载流量的计算结果，电缆含铜芯、绝缘层、护层等结构的设计的外径为HOmm,根据相关规程的要求,应选用DN250的MPP电缆保护管，管的壁厚为20mm,即每根保护管道外径为290mmo通讯管选材为DNlOO的MPP电缆保护管，管的壁厚为10mm,即每根保护管到的外径为120mm。MPP电缆保护管的材质及质量检测需遵循DL/T802.7电力电缆用导管技术条件第7部分：非开挖用改性聚丙乙烯塑料电缆导管的技术要求。图MPP电缆保护管由于该工程仅敷设单回路电缆，对于电缆本体需采用3孔保护管,加上备用电缆孔，共4孔220kV电缆保护管，同时还必须敷设2孔专用通信保护管，所需敷设的管道合计6孔，即定向钻进回拖扩孔必须含有6孔的MPP电缆保护管。考虑以往工程存在同时回拖的电缆保护管存在保护管绞在一起的情况，为了保证相间距，可以采用成