芮學寶

（中鐵第六勘察設(shè)計研究院集團有限公司，天津 300250）

0 引言

目前，城市化建設(shè)速度不斷加快，軌道交通同樣也取得了迅速發(fā)展，由于軌道交通車站內(nèi)部具有大量的強電和弱電設(shè)施，而這些機電設(shè)備在運行過程中必須要符合安全接地的要求，所以需要在整個車站的底板土層設(shè)置綜合接地網(wǎng)。接地系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括自然接地和人工接地網(wǎng)2個部分。在裝配式站，其裝配段不能引出自然接地極，人工接地極穿過結(jié)構(gòu)裝配管也比傳統(tǒng)站難度大。因此，該文還專門針對裝配式地鐵車站的接地系統(tǒng)進行全面設(shè)計。

1 一般綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計原則

接地網(wǎng)絡(luò)是任何設(shè)施穩(wěn)定運作的必要前提，在地鐵設(shè)計的國家規(guī)范要求當中，對各項電器設(shè)備的接地方面提出了明確指示。

地下車站的人工接地網(wǎng)絡(luò)一般所處的位置是在最底層的回填土中，其包括垂直、水平接地極以及接地引出裝置這3個部分，詳細的結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外，還需要考慮具體的埋藏深度，不同深度下的土壤電阻率也有一定的差別，一般來說，至少應該將其鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)底板的0.8 m以下的位置。另外，在軌道交通的地下車站內(nèi)，結(jié)構(gòu)底板應該埋藏在20 m以下這部分區(qū)域。如果在部分城市巖層較淺，針對這樣的情況，可以適當減少其埋藏深度，這樣可以降低整個工程的工作量。

水平接地極采用的材料往往是規(guī)格為5 mm×50 mm的紫銅帶。所處的位置在變電站正下方，紫銅帶在邊緣區(qū)域應該封閉為圓角矩形，垂直部分接地極同樣也采用相同規(guī)格的材料，兩者相交接的地方應該進行焊接。

而接地絕緣引出裝置往往采用的是無磁鋼管，鋼管上還應該有扁銅，它與鋼管之間的連接應該運用硅橡膠，另外還要加入止水環(huán)，并將其保溫并固定，將其鑲嵌在整個底板上。在施工過程中，最為關(guān)鍵的是要保證引出裝置可以和結(jié)構(gòu)鋼筋實現(xiàn)絕緣，并防范滲水現(xiàn)象的發(fā)生。另外引出裝置所處的位置需要加設(shè)站臺夾層，電纜不能設(shè)置在樁基附近。一般來說，總的引出極可以為4組，也可以為2組，4組的情況具體可以參考圖1中的P1～P3，而2組的情況則為P4～P6。強弱電之間的接地引出極間距應該保持在20 m以上。

2 綜合接地系統(tǒng)接地電阻值的確定

2.1 總接地電阻

針對電阻來說，目前許多國家都要求城市軌道交通地下車站總的接地電阻要小于0.5 Ω，這項數(shù)值的確定并沒有明確的標準，大部分是根據(jù)實際的施工經(jīng)驗得出的，另外也有部分學者提出，在弱電類設(shè)備系統(tǒng)當中，除了做好電纜屏蔽之外，還要給精密的集成電路提供參考電機極，所以最終將接地電阻大小確定為0.5 Ω[1]。

針對其他的特殊情況來說，在實際計算公式過程中，應該結(jié)合以下公式，如公式（1）所示。

式中：R為季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；IG為計算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障部隊稱電流有效值，A。

圖1 人工接地網(wǎng)示意圖

對于弱電設(shè)備來說，在參考電位接地方面并不需要考慮防雷效果，而需要考慮高頻電流接地。該系統(tǒng)的接地效果主要取決于對應頻段的阻抗，因此公平電阻值在此時的作用并不明顯，即使它達到了規(guī)定0.5 Ω的接地電阻，也有可能導致該設(shè)備并不能正常運作。對于弱電設(shè)備的接地來說，更應該對其阻抗進行合理地選擇，運用接地電纜來實現(xiàn)接地。

綜上所述，在整個接地系統(tǒng)內(nèi)，將接地電阻規(guī)定為0.5 Ω并不是強制性的1項規(guī)定，所以在工程建設(shè)中也沒有必要為了這0.5 Ω而大大增加整體的工程造價，提升工程的建設(shè)難度。

2.2 人工接地網(wǎng)的接地電阻計算

對于水平接地網(wǎng)來說，采用的材料規(guī)格為50 mm×5 mm的紫銅排管，所處的位置是該變電站的下方位置，在電阻方面具體計算可以結(jié)合公式（2）完成[4]。

為了便于計算，令

可得

而符合接地極的形狀系數(shù)

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；Re為等值方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；S為接地網(wǎng)總面積，m2；d為水平接地極的等效直徑，m；h為水平接地極的埋設(shè)深度，m；L0為接地網(wǎng)的外緣邊線長度，m；L為水平接地極的總長度，m；ρ為土壤電阻率；B為方形接地網(wǎng)形狀系統(tǒng)。

3 裝配式車站介紹

3.1 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)基本概況

目前我國城市軌道交通發(fā)展得較為迅速，提升速度的關(guān)鍵是預制技術(shù)，在綜合軌道交通建設(shè)過程中，預制技術(shù)應用得越廣，相應的建設(shè)速度也會更快，也體現(xiàn)了更高的技術(shù)水平[2]。未來部件的預制化必然也是工廠的主要發(fā)展趨勢，這項技術(shù)不僅能夠幫助改善整個工程的質(zhì)量，同樣也可以使工期以及成本得到更好的控制，另外，這對于改善地下工程的施工環(huán)境來說也具有突出貢獻。

具體的裝配式車站結(jié)構(gòu)可以參考圖2，這個結(jié)構(gòu)具體包括了ABCD 4種不同的構(gòu)件，每一個構(gòu)件兩者之間是借助于螺紋鋼實現(xiàn)連接。中板主要運用現(xiàn)淋結(jié)構(gòu)制作而成。在完成拼裝之后再實現(xiàn)現(xiàn)澆，最后運用交圈梁連接而成，頂上的部分需要覆蓋土壤，厚度為4 m～5 m。

3.2 裝配式車站施工流程

當完成了基坑的挖掘工程之后，為了進一步減少構(gòu)件拼裝過程存在的誤差，首先必須要完成基底精平條帶的施工，接下來再拼裝2個A塊，然后在左右兩邊分別拼裝B塊，最后再完成C和D這2個部分的拼裝。

3.3 裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計存在的問題

就接地方面來說，裝配式車站和一般車站兩者相比，其特殊的地方主要包括以下2個方面[3]：1） 由于裝配式車站的裝配段為預制拼裝結(jié)構(gòu)，所以車站的綜合接地引上極在裝配段操作起來較為困難。如果在拼裝管片上預留引上孔，孔洞的現(xiàn)場封堵和防水問題很難處理。2） 裝配段的結(jié)構(gòu)缺乏自然的接地體。

3.4 裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計注意事項

裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計注意事項：1） 應該在整體的結(jié)構(gòu)底板0.8 m以下這部分設(shè)置水平、垂直接地體。2） 要在主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆段這個區(qū)域內(nèi)將接地引上線引出，如果現(xiàn)澆段強、弱引出極距離不能滿足20 m的間距，可在裝配段下部的水平接地體取點，然后焊接銅排至現(xiàn)澆段再引上至站臺板下。只要在水平導體路徑上強、弱電引出極保證20 m間距即可（如圖3中的 P4、P5、P6引上點）。3）根據(jù)現(xiàn)有工程的實際情況，有部分工程裝配式車站不設(shè)置自然接地體，主要為了防止防止雜散電流對主體結(jié)構(gòu)的影響。從人身安全的角度考慮，結(jié)構(gòu)鋼筋應用綜合接地網(wǎng)進行等電位連接，而結(jié)構(gòu)鋼筋在被雜散電流鈍化后其影響也微乎其微。所以，還是應該利用現(xiàn)澆段中的結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置自然接地體（如圖3中的 Z2）。4） 此外，對于裝配管片內(nèi)部的鋼筋，應做好管片和管片之間、管片與金屬設(shè)備及管線間的電氣絕緣，以免因電位差造成人生安全事故。

4 自然接地極與雜散電流

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：“結(jié)構(gòu)鋼筋不應用作排流網(wǎng)”。部分學者指出地鐵網(wǎng)絡(luò)中道床部分主雜散電流收集網(wǎng)絡(luò)可能會在該地鐵線長期運行之后受到自然界的腐蝕而失效。此時，如果不全線停運更換雜散電網(wǎng)采集網(wǎng)，結(jié)構(gòu)鋼筋將被迫參與雜散電流的采集。

圖2 裝配式車站結(jié)構(gòu)

圖3 裝配式車站綜合接地網(wǎng)局部

部分學者并不支持將結(jié)構(gòu)鋼筋同時作為自然接地級以及雜散電流采集體[1]，但是在筆者看來并不是這樣，由于地鐵在最初建設(shè)的過程中，鋼軌和道床本身具有良好的絕緣性，牽引供電回流該過程都是從鋼軌開始的，而在道床和結(jié)構(gòu)鋼筋當中存在的雜散電流比較小。在這一前提下，雜散電流存在的平均正向偏移以及在整體結(jié)構(gòu)鋼筋中存在的漏電流密度相對安全，并且也會控制在標準要求的范疇內(nèi)。此時可以認為雜散電流影響的主要是鈍化。在結(jié)構(gòu)鋼筋中可能存在的雜散電流也是被控制在可控范圍內(nèi)的。

隨著地鐵站投入運行時間的不斷加長，整個站站點內(nèi)部的情況也會越來越復雜。軌道上可能存在常年積水的現(xiàn)象，道床潔凈程度也不能得到保證，道床本身其絕緣性會逐步受到破壞。此時就可能會在結(jié)構(gòu)鋼筋中存在雜散電流的現(xiàn)象，后期工作人員需要結(jié)合雜散電流系統(tǒng)監(jiān)測的結(jié)果完成及時檢修和排查，盡量減少在結(jié)構(gòu)鋼筋中存在的雜散電流的情況。

5 綜合接地系統(tǒng)方案

在地鐵車站中，當整個車站的橫縱梁方向上的主鋼筋完成焊接以后，此時可以將其與扶梯、電纜、屏蔽門等相應的金屬體進行連接，這也是1種自然接地極，而在整個車站結(jié)構(gòu)下部應該加設(shè)人工接地網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)漏板當中的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連接，此外還需要將人工地網(wǎng)和自然接地網(wǎng)絡(luò)分開進行建設(shè)，做好其連接和分離條件的預留，只有這樣才能夠在完成建設(shè)后對單獨的接地電阻值進行測量，結(jié)合測量的相應雜散電流狀況確定是否需要將自然接地和人工接地網(wǎng)絡(luò)兩者連接。

針對通信方面的相應設(shè)施來說，包括火警、氣體報警系統(tǒng)和信號系統(tǒng)等，這些設(shè)備也要借助于弱電接地端子箱實現(xiàn)與接地電纜之間的連接。

地鐵裝配式車站綜合接地是系統(tǒng)性設(shè)計工作，在方案設(shè)計過程中應該注意以下4點：1） 在綜合接地系統(tǒng)內(nèi)，其接地的電阻值在計算過程中應該借助于最大接地故障的不對稱電流完成計算，同時也要結(jié)合實際施工情況靈活進行調(diào)整。2） 需要將人工地網(wǎng)和自然地網(wǎng)兩者之間的連接條件和分離條件等進行提前預留，然后要結(jié)合雜散電流的監(jiān)測結(jié)果確定是否需要將兩者連接。3） 在接地方案的設(shè)計上需要考慮的因素較多，不僅有車站內(nèi)的人身安全，同時還有各項設(shè)施的正常運作，是否能夠保證強弱電設(shè)備的運行等。 4） 在裝配式車站結(jié)構(gòu)當中，自然接地體應該充分運用現(xiàn)澆段部分來引出，另外還要實現(xiàn)自然接地體和人工接地體兩者之間的連接。由于傳遞段結(jié)構(gòu)鋼筋不接地，管片鋼筋電絕緣，裝配段設(shè)備外殼等安全接地應考慮等電位連接。

6 結(jié)論

地鐵裝配式車站是全新的車站建筑模式，解決了傳統(tǒng)地鐵地下車站建設(shè)難度大、周期長、投資高這一普遍性難題，國內(nèi)很多城市都在做試點推廣。配合裝配式車站相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計都需要根據(jù)具體的車站方優(yōu)化設(shè)計，該文從綜合接地設(shè)計原則、裝配式車站與傳統(tǒng)車站的區(qū)別、接地方案接地電阻的計算、裝配式車站注意事項等方面進行說明，提出了裝配式車站綜合接地優(yōu)化的設(shè)計方案，既可以達到良好的短路接地防護效果，穩(wěn)定各項設(shè)備的運作，也可以保障地鐵出行的人們的生命安全。