肖平成，譚志成，張涌泉，王家超

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102）

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場日益成熟，電力需求持續(xù)增長，導(dǎo)致城市電力供需失衡趨勢明顯。尤其是在大城市核心區(qū)，供電負(fù)荷巨大、建筑密集、土地資源緊張，傳統(tǒng)地面變電站面臨一系列挑戰(zhàn)，如占地面積大、選址困難、環(huán)境影響等。經(jīng)過不斷摸索實(shí)踐，目前地下變電站已經(jīng)成為了緩解城市電力負(fù)荷與土地緊張矛盾的有效解決方案。我國越來越多的城市已經(jīng)建成或正在規(guī)劃地下變電站。

1 發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

世界上第一座地下變電站于1952年在日本東京建成。作為研究起步及投入應(yīng)用最早的國家，日本有著相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。東京在20世紀(jì)80年代建造的地下變電站多達(dá)130座，占當(dāng)時世界變電站總數(shù)的30%。除此之外，法國于1975年在巴黎建成容量1×105kVA的地下變電站；加拿大于1984在溫哥華年建造了容量4×105kVA的廣場地下變電站；澳大利亞于1998～2004年對悉尼的供電系統(tǒng)全面升級為地下變電站。

我國20世紀(jì)60年代開始進(jìn)行地下變電站的發(fā)展建設(shè)，雖然起步略晚，但發(fā)展速度快。北京、上海作為中國發(fā)展最快的兩個城市，在地下變電站建設(shè)方面走在了前列。1969年，我國第一座地下變電站——北京東城35 kV戰(zhàn)備用地下變電站建成投運(yùn)，而上海在1987年建成了35 kV錦江變電站。在20世紀(jì)80年代，我國社會經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展的黃金時期。在隨后的幾十年中，北京又陸續(xù)建成了110 kV、220 kV的半地下、全地下變電站四十余座，上海更是在2009年建成投運(yùn)了目前國內(nèi)規(guī)模最大的500 kV靜安世博地下變電站。此前，500 kV地下變電站國際上也僅有日本東京的新豐洲地下變電站。除此之外，地下變電所也陸續(xù)建設(shè)于天津、重慶、青島、廣州、武漢、廈門等大中城市。資料顯示，截至2016年年底，我國34個省級行政區(qū)域中建成有地下變電站的有18個。

2 地下變電站結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國有關(guān)地下變電站建設(shè)方面的研究主要集中于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析和施工技術(shù)方面，少部分關(guān)于建筑節(jié)能設(shè)計。

2.1 地下變電站抗震設(shè)計及地震響應(yīng)分析

在地下變電站結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算中，主要從以下6個方面考慮地震的影響：①地震時地層發(fā)生變形的影響；②上覆土的影響，較嚴(yán)格的應(yīng)考慮上覆土豎直方向的慣性力；③地震時的土壓力的影響；④結(jié)構(gòu)自身的慣性力的影響；⑤液化效應(yīng)的影響；⑥水壓和浮力的影響。

地下變電站的抗震設(shè)計在一定程度上能參照現(xiàn)有的地鐵車站的抗震設(shè)計方法，但對于自身特點(diǎn)也必須有所考慮，如結(jié)構(gòu)開孔、兩層側(cè)墻、開挖施工工法等對結(jié)構(gòu)抗震有利及不利的影響。此外，在抗震設(shè)計計算的同時還必須充分發(fā)揮抗震構(gòu)造措施的作用以避免地下變電站由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備荷載大等特點(diǎn)引起的安全問題。

地下變電站結(jié)構(gòu)在地震時的響應(yīng)研究是進(jìn)一步完善相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范的一大重點(diǎn)。文波、楊金熹等完成了一系列關(guān)于城市地下變電站結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部電氣設(shè)備的動力特性及地震反應(yīng)規(guī)律的研究。以西安市快速軌道交通二號線張家堡地下變電站為工程背景，基于粘彈性人工邊界理論和有限單元法，首先通過半空間自由場模型驗(yàn)證了地震動輸入方法的有效性，然后對地下變電站系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和動力時程分析，得出了該類結(jié)構(gòu)的動力特性和地震響應(yīng)規(guī)律，從而建立了考慮土體-結(jié)構(gòu)-設(shè)備動力相互作用的三維有限元計算模型。研究表明，在8級罕遇地震中，地下變電站內(nèi)的電氣設(shè)備加速度放大系數(shù)明顯超過了規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力增長的主要原因是地震作用下結(jié)構(gòu)上覆土體和電氣設(shè)備產(chǎn)生的慣性力。為此，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.2 施工技術(shù)

施工技術(shù)包括深基坑工程、混凝土溫度裂縫及多層框架結(jié)構(gòu)重型設(shè)備吊運(yùn)方案等。

出于地下變電站結(jié)構(gòu)及設(shè)備的特殊性，其基坑在設(shè)計、施工、監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)存在著不同于一般基坑的特征，因此需要專門的研究。北京地區(qū)和上海地區(qū)是我國地下變電站蓬勃發(fā)展的前沿陣地，擁有我國大部分地下變電站，且北京的硬土層與低地下水位和上海的軟土高水位地況也是我國大部分地區(qū)的典型代表，并形成鮮明的對比，因此不少學(xué)者的研究均基于京滬地區(qū)的地下變電站開展。

地下變電站基坑平面形狀多為矩形和圓形，形狀相對規(guī)則、開挖深度相對較大、平面尺寸相對較小、基坑防水防滲要求高，且基坑擋土結(jié)構(gòu)水平變形控制嚴(yán)格。學(xué)者們以京滬地區(qū)地下變電站數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，對基坑總體方案設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、水平及豎向傳力體系設(shè)計、地基加固設(shè)計、基坑降水等方面對基坑的主要特征進(jìn)行了總結(jié)。不同地區(qū)的地下變電站基坑應(yīng)與本區(qū)域的地質(zhì)條件、水文條件、環(huán)境條件等條件相對應(yīng)，因此在地下變電站基坑方案設(shè)計時應(yīng)多借鑒類似地區(qū)的建設(shè)方案以指導(dǎo)施工。

對于混凝土溫度裂縫的研究，白斯宇等通過對混凝土外加劑的研究防控混凝土早期溫度裂縫的產(chǎn)生。結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用軟件模擬地下變電站的施工過程，分析地下結(jié)構(gòu)的墻體、樓板和地基底板中溫度裂縫主要發(fā)生的位置以及在整個施工過程中裂縫隨工況演變的規(guī)律，由此探討不同位置和不同發(fā)展程度的裂縫的具體的施工控制措施。

地下變電站作為重要的一種電力基礎(chǔ)設(shè)施，擁有如主變壓器等一系列大型電氣設(shè)備。在土建工程結(jié)束后，電氣安裝的過程對變電站主體結(jié)構(gòu)，尤其是全地下變電站，有著不可忽視的影響，因此針對地下重型設(shè)備吊運(yùn)方案的研究也是必要的。袁本根據(jù)地下多層框架結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合武漢徐東地下變電站的施工條件，選擇平板車運(yùn)輸與軌道滑移法兩種方案。利用Midas/Civil軟件建立空間框架模型，進(jìn)行運(yùn)輸過程模擬分析，確定較優(yōu)的吊運(yùn)方案。

2.3 結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計

對于地下變電站結(jié)構(gòu)方面的節(jié)能設(shè)計研究較少。張肖峰等以處于夏熱冬暖深圳市的某110 kV地下變電站為基礎(chǔ)，通過軟件模擬得到了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)工況下的通風(fēng)、空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)，并對其熱工參數(shù)和空調(diào)負(fù)荷的影響進(jìn)行了分析，對預(yù)測圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性具有一定的參考價值。

3 地下變電站典型結(jié)構(gòu)形式

3.1 結(jié)構(gòu)選型影響因素

現(xiàn)階段不少地下變電站的主接線選擇、設(shè)備選型、電氣布置均已較為完善。但相對于地面變電站，在和土建相關(guān)的一些問題上、如防滲水、防洪、防火、通風(fēng)取暖和大件運(yùn)輸、運(yùn)行安全等方面，還存在一些問題，選取合適的主體結(jié)構(gòu)形式更是首要考慮的。

針對不同工程的實(shí)際情況，地下變電站的主體結(jié)構(gòu)形式通常采用剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。具體采用何種結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)特定的地下變電站綜合下列因素進(jìn)行考慮：

（1）工程造價，包括主體結(jié)構(gòu)以及由相應(yīng)的基坑工程引起的附加造價。

（2）結(jié)構(gòu)體系的受力合理性涵蓋兩個層面：結(jié)構(gòu)層面和構(gòu)件層面。如應(yīng)具備抵抗豎向不均勻變形的能力，保持結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的能力和控制構(gòu)件的撓度、裂縫及軸壓比在合理范圍內(nèi)的能力。

（3）工程場地的水文地質(zhì)條件會影響到結(jié)構(gòu)的整體性要求。當(dāng)工程場地的土層條件較差、水文地質(zhì)條件較復(fù)雜時，這種要求會增加。

此外，對某一個區(qū)域而言，本地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及周邊環(huán)境的因素等也是地下變電站主體結(jié)構(gòu)形式選擇時需充分考慮到的。

3.2 結(jié)構(gòu)選型建議

具體項(xiàng)目應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件、水文條件、抗震設(shè)防烈度以及工程造價等因素，結(jié)合三類結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)，選擇適合的結(jié)構(gòu)類型。

由于在地震中，框架結(jié)構(gòu)的框架柱通常是最先破壞以及破壞程度最為嚴(yán)重的構(gòu)件。因此剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗震性能明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。在施工階段的抗浮能力方面，剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)都能夠滿足規(guī)范規(guī)定的最低抗浮要求。在結(jié)構(gòu)整體性、地基最大沉降量以及差異沉降量等方面，剪力墻結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)最好，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)次之，框架結(jié)構(gòu)整體性最差。工程造價方面，剪力墻結(jié)構(gòu)造價明顯高于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高于框架結(jié)構(gòu)。

上海地區(qū)總體上建議采用剪力墻結(jié)構(gòu)，在土質(zhì)較好或?qū)Y(jié)構(gòu)有特殊要求的地方，應(yīng)優(yōu)先考慮使用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。一般情況下，不宜采用框架結(jié)構(gòu)。除非土層條件極好，出于節(jié)省造價的目的，可以考慮采用框架結(jié)構(gòu)。同時剪力墻結(jié)構(gòu)也僅推薦在特別重要的地下變電站中使用。對于北京地區(qū)來說，總體建議采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 存在的問題與發(fā)展方向

4.1 存在的問題

雖然地下變電站較之獨(dú)地面變電站有著隱蔽性高、對周圍居民影響小等優(yōu)勢，但也并存著以下問題。

（1）地下變電站的建設(shè)施工費(fèi)用較高。相比地面變電站，地下變電站的施工規(guī)模更大，其涉及的通風(fēng)、排水、防滲、消防等系統(tǒng)的設(shè)計安裝也更復(fù)雜，且還需要進(jìn)行基坑開挖和支護(hù)工程。同時安裝地下變電設(shè)備需要開挖大截面運(yùn)輸通道。因此地下變電站工程的總土方開挖量較大（包括地上和地下部分），土建費(fèi)用通常是地面變電站的2～2.5倍，因此工程建設(shè)費(fèi)用較高。此外，地下變電站的后期運(yùn)行維護(hù)成本也大幅上升。

（2）運(yùn)營安全風(fēng)險高。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，地下變電站的安全風(fēng)險明顯高于地上變電站。首先，地下建筑的滲水和返潮屬于常見現(xiàn)象，因此運(yùn)行條件通常比較惡劣，容易導(dǎo)致變電設(shè)備發(fā)生故障。其次，地下變電站的空氣流通性差，容易發(fā)生有毒氣體的積聚。此外，地下空間規(guī)模龐大復(fù)雜，其救援和逃生難度要遠(yuǎn)大于地面變電站。同時近年來城市頻繁出現(xiàn)內(nèi)澇，給地下變電站的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅。

（3）土地資源利用率較低。地下變電站需要布置大面積的通風(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)輸通道，這導(dǎo)致在相同電氣規(guī)模下地下變電站的建筑總體量和實(shí)際用地指標(biāo)遠(yuǎn)超地上變電站。以上海為例，在等電壓規(guī)模下，地下變電站的用地面積比同地上變電站增加了35%～50%。從土地供應(yīng)的角度來看，建設(shè)獨(dú)立地下變電站并不能體現(xiàn)其優(yōu)勢。因此應(yīng)當(dāng)通過結(jié)合建設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)土地分層使用，以充分發(fā)揮地下變電站節(jié)約用地的優(yōu)勢。

4.2 發(fā)展方向

為使城市中心區(qū)的土地資源得到最大限度的開發(fā)和利用，將地下變電站與非居建筑相結(jié)合，將成為我國今后地下變電站的主要發(fā)展方向。結(jié)合建設(shè)是指通過貼建或合建方式將地下變電站與商業(yè)中心、寫字樓等公共建筑結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)一體化的規(guī)劃、設(shè)計和施工。然而，要推動地下變電站與非住宅建筑的合建，需要研發(fā)適用的專用電氣設(shè)備，同時對地下變電站與非住宅建筑結(jié)合建設(shè)的防火規(guī)范也亟須制定。

5 結(jié)論

隨著城市用電與用地矛盾等種種原因，地下變電站的發(fā)展勢不可擋。國內(nèi)地下變電站的研究應(yīng)用雖然較國際起步較晚，但發(fā)展迅速。地下變電站的抗震設(shè)計在考慮了自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上可適當(dāng)參考已有的地鐵車站的抗震設(shè)計方法，但是地下變電站結(jié)構(gòu)的動力特性及地震反應(yīng)規(guī)律的研究也是推進(jìn)相關(guān)抗震設(shè)計規(guī)范完善的必經(jīng)之路。

關(guān)于地下變電站的典型結(jié)構(gòu)選型問題，應(yīng)參考具體工程場地水文地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)體系的受力合理性、工程造價等因素，在剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)中選擇。地下變電站在土建費(fèi)用、運(yùn)營安全風(fēng)險及土地資源利用率等方面存在的不足，以及與非居建筑合建的發(fā)展趨勢所面臨的問題需要亟待解決的。