周金海，周虹霞，王 鑫，張慶賀

(1.上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025;2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海 200092)

電力輸送專(zhuān)用隧道及地下超高壓變電站的規(guī)劃和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是城市電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的重要組成部分。根據(jù)預(yù)測(cè)，上海電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景負(fù)荷在2020年將達(dá)到32 000 MW以上，中心城區(qū)最高負(fù)荷將維持在總量的50%～55%[1]，大型地下變配電設(shè)施深入中心城區(qū)勢(shì)在必行。將城市架空高壓電纜轉(zhuǎn)入地下，不僅使得供電更加安全，而且凈化城市環(huán)境。電力隧道的建設(shè)是保障電力通道輸送容量和提高通道資源利用率的必要措施。

據(jù)了解，上海市已建或在建的電力隧道工程很多，主要包括靜安世博輸電隧道、半淞園路頂管段電力隧道、楊高中路(源深站—羅山路開(kāi)關(guān)站)頂管段電力隧道、于田路曹安路電力隧道、西藏南路(新疆路—復(fù)興中路)盾構(gòu)段電力隧道、宛平南路頂管段電力隧道、新江灣城進(jìn)線段電力隧道工程等。

北京目前已至少修建了400 km的地下電力電纜隧道，另外在成都、廣州、福州等城市的電力隧道已在建設(shè)之中，臺(tái)灣[2-3]等地也在修建此類(lèi)大截面的電力隧道及變配電設(shè)施。

國(guó)內(nèi)，在電力隧道工程設(shè)計(jì)中除采用了頂管法、沉井法、和SMW圍護(hù)工法等以外，還考慮了電纜敷設(shè)的使用要求，以及隧道內(nèi)部通風(fēng)、供配電、照明以及監(jiān)控等附屬設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。特別是在世博輸電隧道中已成功實(shí)施的一些新技術(shù):采用新型的弧形支架，增加了隧道內(nèi)電纜敷設(shè)回路數(shù);支架橫擔(dān)首次采用0Cr18Ni9不銹鋼矩形方管，增加其剛度和穩(wěn)定性;采用新型電纜夾具以承受因短路電流產(chǎn)生的動(dòng)力沖擊;在夾具兩側(cè)采用蝶形支架，支架表面黏結(jié)氯丁橡膠，緊貼電纜的受力面，很好地保護(hù)和固定了電纜[4-5]。

國(guó)外方面，德國(guó)在建設(shè)地下共同溝等重大工程中使用先進(jìn)的信息管理技術(shù)、三維顯示資料、先期數(shù)值仿真、三維動(dòng)態(tài)管理等，采用先進(jìn)的非開(kāi)挖技術(shù)進(jìn)行地下管道鋪設(shè)、更換或修復(fù)。英國(guó)地下管路系統(tǒng)的修建可追溯到維多利亞時(shí)代，實(shí)踐證明城市主干道一次性修建地下共同溝，共同埋設(shè)電力電纜、通信電纜、給水和燃?xì)夤艿赖?，可以避免路面的重?fù)挖掘。日本電力電纜的地下化始于1903年，包括共同溝式輸電和電力專(zhuān)用輸電兩種線路系統(tǒng)。據(jù)相關(guān)資料，21世紀(jì)初日本在縣政府所在地和地方中心城市等80個(gè)城市的干線公路下建成共同溝總長(zhǎng)約1 100 km。

本文結(jié)合上海電力隧道工程，針對(duì)其設(shè)計(jì)、施工難點(diǎn)，對(duì)電力隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)新理念及結(jié)構(gòu)、構(gòu)造設(shè)計(jì)新技術(shù)進(jìn)行歸納與總結(jié)，希望為今后同類(lèi)工程設(shè)計(jì)及施工提供借鑒和幫助。

1 電網(wǎng)總體及電力隧道規(guī)劃

電力隧道線路規(guī)劃應(yīng)結(jié)合中心城區(qū)總體規(guī)劃，其難點(diǎn)主要包括①隧道線型設(shè)計(jì)及埋深確定;②工作井選址;③變電站布點(diǎn)三方面內(nèi)容。相對(duì)工作井和變電站選址而言，電力隧道的路網(wǎng)規(guī)劃受到更多現(xiàn)實(shí)條件的制約及不確定因素的影響。應(yīng)根據(jù)城市和電網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，首先統(tǒng)一規(guī)劃電力隧道網(wǎng)絡(luò)。

1.1 電網(wǎng)總體規(guī)劃

中心城區(qū)主要電源應(yīng)由深入城區(qū)的500 kV終端站，現(xiàn)有和已納入計(jì)劃的220 kV中心站以及接入220 kV電網(wǎng)的地區(qū)電廠三個(gè)部分共同組成。500 kV終端站和220 kV中心站作為城市主要電源，其相應(yīng)的供電區(qū)域和出線方向應(yīng)統(tǒng)籌安排，并應(yīng)為電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展適當(dāng)留有裕度。

以上海為例，中心城區(qū)電力供應(yīng)逐年顯現(xiàn)出高負(fù)荷密度的特點(diǎn)。為達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和提高投資效益的要求，至少在中心城區(qū)建設(shè)3～6座500 kV終端站。根據(jù)目前規(guī)劃，中心城內(nèi)將引入靜安(世博)、虹楊、市西等3座500 kV變電站，并結(jié)合220 kV中心站(規(guī)劃有41座)，逐步實(shí)現(xiàn)中心城區(qū)的電纜化供電模式并達(dá)到遠(yuǎn)景供電需求。主要電源應(yīng)多布置于內(nèi)環(huán)線和中環(huán)線之間，且盡量靠近內(nèi)環(huán)線，如圖1所示。采用大容量輸變電設(shè)備，電源進(jìn)線應(yīng)考慮采用大截面電纜線路，并按隧道方式敷設(shè)，以滿(mǎn)足大容量、高可靠性的電力輸送要求。電源進(jìn)線應(yīng)當(dāng)由環(huán)線及縱向和橫向的電力隧道組成，并形成網(wǎng)絡(luò)。

圖1 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)環(huán)網(wǎng)規(guī)劃示意

變電站站址的選擇應(yīng)考慮與現(xiàn)有及規(guī)劃電力隧道網(wǎng)絡(luò)相協(xié)調(diào)，主要變電站應(yīng)沿電力隧道呈網(wǎng)格化分布，其選址應(yīng)盡可能沿電力隧道網(wǎng)絡(luò)布置，從而充分發(fā)揮電力通道網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)及其輸送電力的主干力量。

1.2 平面線路規(guī)劃

電力隧道線路規(guī)劃需根據(jù)中心城區(qū)電網(wǎng)分布結(jié)構(gòu)及電力輸送方向及方式等確定。特別是中心城區(qū)電力隧道的走向受地下建筑、立交橋、地鐵區(qū)間、車(chē)站及市政管網(wǎng)限制，電力建設(shè)部門(mén)需與各相關(guān)部門(mén)協(xié)商，確定合理的線路走向。

電力隧道的選線通常沿一些路幅寬、長(zhǎng)度長(zhǎng)、線形順直的城市主干線鋪設(shè)，例如于田路曹安路電力隧道、西藏路電力隧道及新江灣城電力隧道等。

于田路曹安路電力隧道自安亭變電站東側(cè)向南至昌吉路，敷設(shè)在于田路西側(cè)，過(guò)昌吉路后至曹安路南側(cè)，敷設(shè)在于田路東側(cè)，沿途設(shè)置5座工作井。曹安路段電力隧道始自5號(hào)井，向東至黃渡變電站，敷設(shè)在曹安路南側(cè)，沿途設(shè)置1座工作井，2座直線井和1座轉(zhuǎn)角井。

西藏路電力隧道北起新疆路、南至復(fù)興中路，全長(zhǎng)3.033 km，為頂管施工。其中一期工程北起新閘路、南至?xí)?，隧道穿越南京路地下人行通道和蘇州河，途經(jīng)申花總會(huì)大樓、沐恩堂、大世界等著名保護(hù)建筑，頂管軸線平面最小曲線半徑僅300 m。

這些實(shí)例表明，受技術(shù)條件及其他市政工程制約，一條完整的電力隧道仍需設(shè)置很多工作井或是通過(guò)減小轉(zhuǎn)彎半徑來(lái)滿(mǎn)足線路走向要求，無(wú)可避免時(shí)更是會(huì)穿越地鐵線路及重要建筑等重點(diǎn)工程。為盡量減小工程難度，在降低風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理，電力隧道平面線路規(guī)劃應(yīng)把握以下幾點(diǎn)原則:

1)選線應(yīng)以規(guī)劃道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，選擇合理的隧道走向，統(tǒng)一規(guī)劃，分布實(shí)施。

2)電力隧道盡量敷設(shè)在市政道路下方一側(cè)，與道路方向一致，并距離紅線5～10 m，可布置在人行道路下，或者道路綠化帶下，從而便于工作井的設(shè)置并與高層建筑物保持一定的距離。

3)與此同時(shí)，還應(yīng)盡量縮短隧道總長(zhǎng)度，保證隧道線路走向順直，從而確保電力隧道、周邊建筑物及既有管線的安全及降低工程造價(jià)。

工作井作為施工豎井以及運(yùn)營(yíng)期檢修通道，不得影響周邊地塊的建設(shè)及影響道路交通，其選址應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則:

1)受電纜制造長(zhǎng)度的限制，每一盤(pán)500 kV電纜的盤(pán)長(zhǎng)均不超過(guò)400 m，因此電纜接頭位置需設(shè)置工作井。

2)受電纜放線施工技術(shù)的制約，相鄰兩井之間的距離不宜超過(guò)1 000 m，220 kV電纜接入電力排管處需設(shè)置工作井，井內(nèi)設(shè)置排管孔。

3)電力隧道需滿(mǎn)足檢修人員工作環(huán)境及高壓電纜散熱通風(fēng)需求，但通風(fēng)井可不單獨(dú)設(shè)置，宜結(jié)合其他工作井共同設(shè)置。

4)需滿(mǎn)足城市景觀、環(huán)保的要求，可與周?chē)ㄖ嘟Y(jié)合，或者隱蔽在綠化地塊內(nèi)，避免對(duì)城市景觀造成不良影響。

1.3 線路曲線半徑

電力隧道根據(jù)其本身的使用功能，無(wú)需對(duì)線路曲線半徑做出嚴(yán)格規(guī)定。在規(guī)劃線路大轉(zhuǎn)角或是地形受限的情況，通常以多邊形或圓形的轉(zhuǎn)向工作井連接兩條電力隧道。平面曲線半徑的確定主要取決于施工技術(shù)及電纜敷設(shè)兩方面要求，其中施工技術(shù)要求往往起控制作用。對(duì)急曲線盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)要進(jìn)行多種工法比選，選擇轉(zhuǎn)彎靈活施工機(jī)具及相應(yīng)工法，如帶鉸結(jié)的土壓平衡盾構(gòu)。通常在地下管線密集，無(wú)法設(shè)置轉(zhuǎn)向工作井的情況下必須采取急曲線施工。當(dāng)工址受限于道路寬度或是到達(dá)井位置既定的工況下，采用急曲線施工可避免轉(zhuǎn)向工作井的設(shè)置。

根據(jù)目前的技術(shù)手段和查閱到的文獻(xiàn)資料[3，6]，已有工程實(shí)例，其曲線半徑最小可達(dá)到10 m，表1中列舉了相關(guān)工程實(shí)例。

表1 小半徑曲線盾構(gòu)實(shí)例

根據(jù)表中資料，目前已有盾構(gòu)外徑＞6 m的隧道，曲線半徑僅為10 m的工程實(shí)例。但急曲線盾構(gòu)施工需采取一些施工對(duì)策，特別是對(duì)于管片的設(shè)計(jì)和加固有一定的技術(shù)要求。解決技術(shù)主要包括:減小管片寬度，或同時(shí)減小管片外徑以確保必要的安裝余量;根據(jù)需要對(duì)肋、外包鋼板及接頭螺栓等進(jìn)行加固;除RC管片外，可以考慮采用鋼管片。

1.4 線路縱斷面規(guī)劃

城市淺層地下空間多為上下水、通信、煤氣(動(dòng)力)管道及地鐵隧道占用，淺層地下空間資源有限。電力隧道的深埋(約15 m以下)，能夠解決與淺層地下市政交通、管線等交叉的問(wèn)題。但埋深越淺，工作井、引出井的工程量也越小。除滿(mǎn)足隧道施工安全所要求的最小覆蓋層厚度及一定的人防要求外，綜合考慮電力隧道深埋與淺埋之間的矛盾是十分必要的。

上海電力隧道的設(shè)計(jì)掘進(jìn)深度一般 ＜40 m，土層以飽和的軟弱黏性土為主。在條件允許的情況下，結(jié)構(gòu)埋深通常＜15 m。表2列舉了一些上海電力隧道埋深的情況。

表2 上海電力隧道埋深情況實(shí)例

世博輸電隧道起于成都北路北京西路，沿南北高架向南延伸，穿越黃浦江后，與華夏西路電力電纜隧道相接。隧道總長(zhǎng)度達(dá)15.3 km，最大直徑達(dá)5.5 m。隧道沿線共建有14個(gè)工作井，直線距離11.5 km。其中盾構(gòu)施工段9.16 km，其余為頂管施工段。世博輸電隧道從地下穿越世博園區(qū)，最大埋深達(dá)40 m。與之相連的500 kV靜安輸變電工程也是超大超深(深度33.5 m)的地下結(jié)構(gòu)工程，采用全逆作法進(jìn)行地下結(jié)構(gòu)施工。建造如此長(zhǎng)距離、大截面的電力電纜專(zhuān)用隧道在國(guó)內(nèi)尚屬首次。由此可見(jiàn)，電力隧道設(shè)計(jì)呈現(xiàn)深埋趨勢(shì)。將電力隧道深埋，主要考慮以下因素:

1)大城市供配電設(shè)施是戰(zhàn)時(shí)空襲和恐怖分子襲擊的主要目標(biāo)之一，將供電設(shè)施深埋入地下，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)防護(hù)和地面?zhèn)窝b，可以避免敵人空襲直接破壞。一來(lái)能夠提高電力設(shè)施抵抗外部影響(如人防)的能力，二來(lái)也給淺層地下交通路網(wǎng)規(guī)劃預(yù)留了足夠的空間。

2)地鐵隧道通常考慮方便客流及換乘等因素，一般埋深盡可能淺。為盡量減少與軌道交通的共線設(shè)置及交叉穿越，將超高壓輸電隧道深埋于地下交通路網(wǎng)下層較為合理。

3)干線電力隧道宜采用深埋方式，以避讓河道及既有市政管線，如水管、通信、燃?xì)夤艿赖?，并為今后的管線布置預(yù)留足夠的地下空間?？紤]到施工方便及經(jīng)濟(jì)合理等綜合因素，低壓電纜則以淺埋為宜。

高架道路和軌道交通一般均沿城市主要道路建設(shè)，這與電力隧道的選線思路相同。因此，也對(duì)電力隧道的選線造成了很大限制。在中心城區(qū)建設(shè)電力隧道，必須處理好與其它基礎(chǔ)設(shè)施之間的關(guān)系，比如與高架道路和軌道交通的建設(shè)。

選線過(guò)程中，如遇高架橋梁樁基礎(chǔ)，應(yīng)當(dāng)確切掌握地下樁位的分布，設(shè)計(jì)合理的穿越方案。上海電力隧道還會(huì)遇到穿越磁懸浮鐵路或者黃浦江等關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)工程，需要慎重對(duì)待。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)考慮采取先進(jìn)的工程技術(shù)，保證兩者近接施工的安全。

2 電力隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電力隧道的設(shè)計(jì)通常要求斷面直徑在3.5～5.5 m之間，若供電需求量有限，則考慮選用較小的隧道截面。施工方法也不僅僅局限于盾構(gòu)法，可以采用頂管法施工。通常情況下，電力隧道可根據(jù)凈空尺寸確定適合的工法，如表3所示。

表3 隧道工法的選擇

頂管法施工的隧道管徑＞3.5 m時(shí)，會(huì)導(dǎo)致頂進(jìn)阻力過(guò)大，前進(jìn)方向難以控制等問(wèn)題[7-8]。因此，直徑＞3.5 m的電力隧道可考慮采用盾構(gòu)法施工。

電力隧道可選擇矩形和圓形兩種截面形狀，矩形截面隧道的凈空利用率較高，相比之下此截面形式較為合理，見(jiàn)圖2(a)。但由于各種綜合因素的影響，采用圓形截面的電力隧道也不少。

世博輸電隧道直接從550 kV靜安變電站引出，由于輸電要求較高，選用內(nèi)徑5.5 m的圓形截面，是國(guó)內(nèi)直徑最大的輸電隧道。采用盾構(gòu)法施工，由6塊管片組成一環(huán)隧道，其管片分塊方式及厚度沿用了常規(guī)的地鐵設(shè)計(jì)方案。其結(jié)構(gòu)形式及電纜布置如圖2(b)。

電力隧道內(nèi)部設(shè)施通常為橫擔(dān)支架、電纜、冷卻管、照明及通風(fēng)等電力設(shè)備，其布置方式將影響隧道結(jié)構(gòu)的傳力模式，需要在設(shè)計(jì)階段，根據(jù)內(nèi)部設(shè)施布置方案進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)合理性及穩(wěn)定性的驗(yàn)算分析，確保工程安全性。

圖2 電力隧道截面布置示意(單位:cm)

世博輸電隧道盾構(gòu)段作為國(guó)內(nèi)最大的電力專(zhuān)用隧道，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)部設(shè)施布置都具有獨(dú)到之處。為充分利用隧道凈空，在隧道中部水平設(shè)置橫梁，將隧道分成上下兩部分。橫梁中間安裝上、下中柱，整個(gè)隧道被分成4個(gè)電纜布置分區(qū)。支架橫擔(dān)一部分分層安裝在中柱兩側(cè)，其余則分層安裝在與隧道管片連接的角鋼上，這種新型的支架設(shè)計(jì)及內(nèi)部空間布置方式極大地滿(mǎn)足了電力設(shè)施布置的現(xiàn)階段及遠(yuǎn)景需求。

橫梁為預(yù)制構(gòu)件，連接預(yù)埋件與管片同時(shí)澆制，待隧道襯砌結(jié)構(gòu)完成后，將橫梁與管片預(yù)埋件焊接起來(lái)，形成隧道內(nèi)橫隔板，即圖中所示橫梁。預(yù)制構(gòu)件及預(yù)埋件在隧道內(nèi)安裝非常方便，且結(jié)構(gòu)安全可靠，能夠達(dá)到縮短工期的目的，非常有效。

橫隔板的設(shè)置使整個(gè)管片結(jié)構(gòu)的受力模式不同于地鐵隧道。中柱上的電纜及本身的荷載首先傳遞到橫隔板上，再由橫隔板與襯砌結(jié)構(gòu)共同承受由中立柱及各支架傳遞來(lái)的荷載等。研究表明，橫梁本身剛度較大，使管片結(jié)構(gòu)水平向變形大為減小，圓環(huán)呈扁鴨蛋形式，總體受力得到改善。借用地鐵區(qū)間隧道管片作為電纜隧道管片襯砌，在結(jié)構(gòu)受力上是偏安全的[9]，可適當(dāng)減小斷面厚度及環(huán)向配筋率，并對(duì)此類(lèi)電力隧道結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，以降低工程造價(jià)。

3 結(jié)論

隨著城市供電需求和電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃發(fā)展，地下電力傳輸及變配電設(shè)施正在逐步的發(fā)展和完善，采用專(zhuān)用輸電隧道輸送電力是城市電網(wǎng)規(guī)劃的發(fā)展趨勢(shì)。

1)都市中心區(qū)電力供應(yīng)逐年顯現(xiàn)出高負(fù)荷密度的特點(diǎn)，主要電源應(yīng)布置于內(nèi)環(huán)線和中環(huán)線之間，電源進(jìn)線宜按隧道方式敷設(shè)，并由環(huán)線及縱向和橫向的電力隧道組成并形成網(wǎng)絡(luò)，以滿(mǎn)足大容量的電力需求。

2)電力隧道選線應(yīng)以道路網(wǎng)為基礎(chǔ)，選擇合理的隧道走向，盡量縮短隧道長(zhǎng)度，保證線路走向順直;變電站選址應(yīng)與現(xiàn)有及規(guī)劃電力隧道網(wǎng)絡(luò)相協(xié)調(diào)，主要變電站沿電力隧道呈網(wǎng)格化分布。

3)電力隧道宜采用深埋方式，以提高電力設(shè)施抵抗外部影響的能力，同時(shí)給淺層地下交通路網(wǎng)預(yù)留發(fā)展空間;電力隧道的深埋能夠避免與其他市政管線及建筑的相互影響，降低工程難度及風(fēng)險(xiǎn)。

4)大截面電力隧道由橫隔板及盾構(gòu)管片共同承受由中立柱及各支架傳遞來(lái)的荷載，結(jié)構(gòu)總體受力得到改善，可對(duì)其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化，以降低工程造價(jià)。

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