深圳市110 kV草埔全地下變電站建設要點

鄭少鵬，邱建鋒，鄧若塵，劉志歡

（廣東火電工程總公司，廣州市，510730）

0 引言

國民經濟不斷發展對電力供應提出了越來越高的要求，隨著城市規模的不斷擴大，城市電網負荷不斷增長，用電負荷深入城市中心，低壓配電網供電半徑逐步縮小，必須在人口稠密、建筑密度大的商業、經濟、文化中心建設配電設施。在這些特殊區域建設變電站等電力設施，建設用地規劃越來越難，加之城市居民對變電站的電磁輻射危害存在較深的誤解，市區常規變電站建設面臨很多困難并受到周邊居民抵制，研究和實施城市110 kV全地下變電站工程是解決上述問題的方法之一。

我國地下變電站建設開始于20世紀60年代，據不完全統計，我國建成的110 kV及以上電壓等級的地下變電站有近百座，其中超過80%為110 kV全地下變電站?？梢灶A測，110 kV全地下變電站在未來仍將是地下變電站的主要發展方向，因為該電壓等級的地下變電站規模不太大，經濟上和技術上都比較容易實現，且能解決深入市區負荷中心供電的問題。在已建成的近百座地下變電站中，北京地區有45座（220 kV地下站3座、110 kV地下站42座），另外上海地區也有不少的已建成地下變電站[1-9]。

與北京和上海相比，廣州等珠江三角洲城市建成的110 kV地下變電站相對較少。2009年建成的110 kV草埔變電站是廣東省第1座全地下變電站，位于深圳市布吉聯檢站草埔立交橋東端環形匝道場地內。筆者通過參與該工程的施工建設，總結出110 kV全地下變電站工程建設要點，對類似于深圳市區地下水豐富、地下有較厚軟土層等類似地理條件的珠江三角洲地區，在土建施工、電氣及附屬系統安裝和工程造價方面有參考意義。

1 全地下變電站土建施工要點

1.1 深基坑圍護結構地下連續墻

變電站深基坑圍護結構地下連續墻（簡稱“地連墻”）是全地下變電站土建施工與普通變電站最顯著不同之處。地連墻既作為施工階段的擋土結構，又是主體結構的一部分，與內襯墻一起形成疊合結構外墻，該部分的施工質量直接關系到變電站是否存在防水隱患等質量問題和深基坑施工安全問題。

110 kV草埔全地下變電站地連墻厚800 mm。根據地質條件、抓斗尺寸、鋼筋網起吊能力、地連墻結構、混凝土灌注方法等條件確定劃分地連墻單元槽段，本工程地連墻分為26個槽段，每槽段采用6 m和5 m兩種長度，轉角槽段為2.7 m+2.7 m。地連墻槽段間采用Q235鋼板焊接加工成700 mm寬的工字鋼作為墻幅接頭。本地下變電站基坑呈矩型布置，地連墻槽段和墻幅的平面布置見圖1。

地連墻成槽施工前先施工臨時導墻，導墻采用20 cm厚“┐┌”型C25鋼筋混凝土墻，2片導墻凈間距比地下連續墻厚度大5 cm。導墻的作用是定位連續墻位置、固定槽口土方、為樁機提供移動平臺和形成泥漿循環系統等，導墻在地連墻施工完畢后進行冠梁施工前拆除。

地連墻的成槽施工采用鉆孔或沖孔灌注樁機結合液壓槽壁抓斗機進行。每槽段鋼筋網寬度5～6 m，高度超過20 m，總質量超過10 t。成槽施工完成后，鋼筋網的吊裝配備2臺起重機同時工作，使鋼筋網逐步離開地面，并改變其角度直至垂直，吊車移位使鋼筋網對準槽段的中部緩緩入槽。地連墻墻身混凝土采用導管法灌注水下混凝土，根據本工程地連墻的分幅情況，所有墻幅均采用2根導管同時進行灌混凝土，導管由灌注架提升。地連墻灌注方法如圖2所示。

地連墻施工完成經檢測合格后拆除臨時導墻，并在地連墻上端部進行冠梁施工，地連墻主筋必須錨入冠梁內，錨固長度應滿足設計或有關規范要求。冠梁可以分段施工，施工縫與連續墻縫錯開。冠梁施工后使深基坑圍護結構四周連續墻連接為整體。

1.2 抗拔樁與臨時鋼構柱施工

由于地下水豐富，全地下變電站深基坑建成后猶如浮在地下水中的長方形容器，深基坑底板承受著地下水的巨大上浮力，所以地下變電站在基坑底板下設置抗拔樁。深基坑支護與抗拔樁平面布置如圖3所示。

110 kV草埔全地下變電站深基坑底板中部設置了10根直徑1.2 m的抗拔樁?？拱螛蹲鳛槟Σ凉嘧?，與普通的灌注樁施工類似，施工程序安排在深基坑土方開挖之前，從地面開始鉆孔，成孔后抗拔樁只需澆筑到深基坑底板標高。從圖3中還可以看出，中間靠下的3根抗拔樁在基坑支撐設施中還充當中部橫向鋼管支撐的臨時鋼構柱基礎，所以此3根灌注樁在灌注施工至底板高度后，還應垂直安裝預制好的鋼構柱。鋼構柱安裝完成后，采用澆筑水下混凝土的方法進行混凝土澆筑，導管置于鋼構柱中間。待混凝土達到一定強度后，樁孔須及時回填土料，以保持臨時鋼構柱垂直穩定。

1.3 深基坑支撐與土方開挖

深基坑支撐與土方開挖是全地下變電站工程施工安全風險最大的工序環節。杜絕和預防深基坑施工安全事故的發生，首先必須在滿足設計技術要求的基礎上編制科學合理的深基坑支撐施工方案，并組織專家組對施工方案進行評審；其次施工單位必須嚴格按施工方案進行施工；再者，在施工過程中，嚴格按規定對基坑圍護結構和基坑周邊建筑物進行沉降位移觀測分析。

110 kV草埔地下變電站工程采用明挖基坑支撐系統，支護結構分3層。支撐結構平面圖見圖3，剖面圖見圖4，從圖中可見中間3根抗拔樁上預先垂直安裝的鋼構柱在分層加裝橫梁后充當中部橫向鋼管支撐的鋼架。

支撐結構均采用φ609 mm×16 mm鋼管支撐。當土方開挖到每道鋼管支撐下部50 cm時，采用汽車吊、挖機配合進行架設，支撐由活動端、固定端和中間標準節三部分組成，管節之間采用法蘭盤高強螺栓連接。

第1道支撐直接支護在冠梁上，第2～3道支撐支護在鋼腰梁（又稱“圍檁”）。鋼腰梁由2片I45a工字鋼通過連接鋼板焊接而成，截面尺寸482 mm×350 mm。鋼腰梁按圖5所示方法沿地連墻四周進行安裝，鋼腰梁安裝后應檢查鋼支架是否因撞擊而松動，并用鋼楔將支架與腰梁間縫隙焊實，用C25細石混凝土將腰梁與圍護結構間縫隙填充密實。鋼支撐支護在鋼腰梁上受力均勻，使支撐系統更加穩定可靠。因斜撐與圍護結構有一定的夾角，不易直接安裝支撐并施加預應力，斜撐安裝前先將斜撐支座及鋼腰梁與預埋在地連墻的鋼板進行焊接，將斜撐支座連成整體，然后進行支撐安裝作業，其安裝方法與直撐相同。斜撐支座剪力塊安設如圖6所示。

鋼管支撐安裝就位后，用2臺100 t液壓千斤頂在鋼管支撐活動端分級預加規定的軸力，并進行鎖定。鋼支撐施工完成后在基坑土方開挖過程中要按規范要求進行軸力監測，保證鋼支撐軸力穩定在規范允許范圍內，保證圍護結構的安全。

基坑土方開挖作業根據臨時鋼管支撐的分布情況及反鏟挖掘機的性能，采用2～3臺反鏟挖掘機接力開挖的方式，根據開挖深度和支撐層數的變化適當調整臺階層數。土方開挖過程中必須對支吊管線進行保護，嚴禁在挖土過程中碰撞已架設好的鋼支撐結構。土方開挖到各層鋼管支撐底部0.5 m處時，及時施作腰梁和鋼管支撐。機械開挖的同時應輔以人工配合，特別是基底以上50 cm的土層應以人工開挖為主，以保證不超挖、保持坑底土體的原狀結構?；又虚g最后剩余土體無法利用臺階接力式開挖的，采取基坑底反鏟挖掘機配合基坑上部龍門吊垂直運輸的方式進行土方開挖施工。在土方開挖過程中，應加強觀察和監控量測工作，以便發現施工安全隱患，并通過監測反饋及時調整開挖程序。

1.4 深基坑底板施工

深基坑底板結構形式采用暗梁，抗拔樁樁頭鋼筋與底板鋼筋插接，混凝土一次澆筑完畢，不留施工縫，不設后澆帶，屬于大體積混凝土工程?？刂拼篌w積混凝土表面溫差，避免出現裂縫，防止底板滲水是其施工中的關鍵技術。

本地下變電站的基礎底板為長方體，長45.8 m，寬25.8 m，厚1.0 m。底板上下各配置φ28@100×φ20@100鋼筋網，混凝土強度等級為C30，抗滲等級為S8，基坑處于地面下15 m左右，坑內空氣流通較慢，加劇了混凝土表面溫差。因此該底板應按大體積混凝土從材料選用、配合比設計、混凝土的澆筑、養護及測溫等方面采用綜合措施進行溫度控制。

混凝土澆筑采用斜面一次澆筑，分層厚度為43 cm左右，在斜面下層混凝土未初凝時（初凝時間為3 h左右）進行上層混凝土澆筑，在不同部位用3臺振動棒分上、中、下三個層次，采用循環推進，一次到頂的辦法，以消除冷凝，增強混凝土的密實性，保證防水質量。

根據計算混凝土內部最高溫度為47℃，內外溫差超過25℃，因而混凝土澆筑后，需要采取有效的外部保溫法；目的是減少混凝土表面的熱擴散，減少混凝土表面的溫度梯度，防止產生表面裂縫，同時延長散熱時間。具體方法：在表面抹壓后立即覆蓋1層塑料薄膜，來封閉混凝土中多余拌合水，以實現混凝土的自養護，終凝后覆蓋2層草袋，混凝土養護時間不少于14天。

預留底板臨時排水孔。在地下內部結構施工完成之前，底板的重量和抗拔樁的作用還不足以抵抗地下水的上浮力，底板必須預留臨時地下排水孔，以起到降低地下水的作用，地下水從臨時排水孔中排出流至集水井再抽走，在地下內部結構完工后，再按設計對臨時排水孔進行止水封堵。

1.5 鋼管支撐拆除與地下內部結構施工

支撐體系拆除過程其實就是支撐的“倒換”過程，即把由鋼管橫撐所承受的側向土壓力轉至永久支護結構或其他臨時支護結構。支撐體系的拆除施工應注意以下幾點：（1）鋼支撐的拆除時間一般按設計要求進行，否則應進行替代支承結構的強度及穩定安全核算后確定；（2）鋼支撐拆除前，先對上一層鋼支撐進行一次預加軸力，達到設計要求以保證基坑安全；（3）逐級釋放需拆除的鋼管支撐軸力，拆除時應避免瞬間預加應力釋放過大而導致結構局部變形、開裂；（4）軸力釋放完后，取出所有楔塊，采用雙電動汽車吊雙吊點提升一定高度后，再拆除下方支架和托板，然后將鋼管支撐輕放至結構板上；（5）鋼管支撐在結構板上分節拆除后，再垂直提升到地面，及時運到堆放場進行修整。

第3道及第2道支撐拆除前，需進行換撐處理。換撐施工時，先架設替換支撐（直接支撐在已施工完的結構墻上），架設方法與鋼管支撐架設方法相同；按設計值施加預加軸力；換撐施工完成后，再按拆除方法拆除相應的支撐；施工相應的結構墻、板。待結構墻板達到設計強度后，才能拆除換撐支撐。

110 kV草埔全地下變電站地下主體結構根據變電站平面布置、使用功能和施工方法要求，采用地下3層3跨現澆鋼筋混凝土矩形框架結構。根據結構受力特點及設備、管線布置要求，主要采用縱梁、橫向板、柱受力，并在設計中充分考慮地下結構的厚板特點，按彈性地基上的橫向等代閉合框架進行計算。

本地下變電站頂板厚600 mm，地下1層、2層中板厚度為400 mm，底板厚度為1000 mm，內襯墻厚400 mm，內襯墻與地連墻形成疊合結構外墻。深基坑開挖后，要除去地連墻鋼筋保護層（“墻皮”），露出地連墻的鋼筋，使內襯剪力墻在混凝土澆筑時與地連墻疊合更加緊密。本地下變電站地下內部結構見圖7，其中：地下 3層（標高為-14.80～-11.80 m，局部為-16.00 m），層高3.00 m，布置電纜夾層、絕緣工具間、廢水泵房、排風機房、工具間、進風風道等；地下2層（標高-11.80～-6.30 m），層高5.50 m，布置35 kV配電裝置室、主變室、110 kV GIS室、接地變室、排風機房、安全工具間和消防工具間、氣體瓶間、備品備件間、進風風道等；地下1層（標高-6.300～-1.00 m），層高5.30 m，布置控制室，預留電容器室、濾波機房、排風機房和檢修間、進風風道等；地面層（標高0.45～4.15 m），層高3.70 m，在變電站縱向兩側各布置1個地下出入口，緊靠兩側出入口處分別設置地下變電站的進出風口，其中的一側還設置1個吊物孔。變電站總建筑面積 3383.5 m2，其中地上 135.7 m2，地下 3247.8 m2，本工程建成后建筑面積略顯寬裕，存在可優化縮小的空間。

本地下變電站地面部分除地下站出入口、通風口和吊物孔以外的地坪全部覆土綠化，變電站沒有圍墻。主變上空部位用鋼筋混凝土預制塊覆蓋，上部進行防水處理后一并覆土綠化，如果變壓器需要大修，挖走覆土，吊走預制塊就可以起吊主變壓器。

2 全地下變電站電氣基本技術原則

（1）110 kV全地下變電站處于負荷中心，一般都為終端站，主變容量相對較小。110 kV草埔變電站主變容量為2×40 MVA。

（2）簡化接線，盡量采用線路－變壓器組單元接線或橋式主接線形式，10 kV（或35 kV）主接線采用單母線分段接線方式，分段開關設備自投。當1臺主變或1條線路故障時，可保證不間斷供電。110 kV草埔變電站110 kV主接線采用線路－變壓器組單元接線。

（3）全站設備無油化。主變壓器采用SF6氣體絕緣變壓器，高壓配電裝置采用GIS組合設備，站用變采用干式變壓器，電纜采用阻燃絕緣材料等。全站無易燃、易爆物，既能簡化消防系統，又可將火災的影響局限在地下，而不致影響到地面。110 kV主變壓器選用110 kV低損耗三相雙卷型SF6氣體絕緣變壓器，主變壓器容量40 MVA，電壓比為110±8×1.25%/35 kV。SF6氣體絕緣主變壓器在國內使用較少，無現行的相關技術規范，施工技術主要參考廠家資料與廠家技術指導，在抽真空、充放氣程序與SF6氣體指標要求等方面與GIS設備安裝規范要求相似。

（4）設備選型宜小型化，高壓開關設備一般采用GIS設備或PASS設備，以減少占地面積，使整體布置趨于緊湊合理。

（5）110 kV進線和10 kV（或35 kV）饋線一般采用電纜出線。

（6）按無人值班、綜合自動化變電站設計，設四遙系統。

3 全地下變電站主要附屬系統

3.1 全地下變電站排水系統

已建成的全地下110 kV草埔變電站土建工程嚴格按設計和規范進行施工，工程的防水效果極佳，變電站地連墻、內襯墻、底板和天面樓板未出現任何滲水現象。盡管本變電站建成后沒有出現滲水現象，考慮到華南地區特別是珠江三角洲區域地下水豐富，設計上考慮了地下結構滲水的情況，設置了地下變電站排水系統，一定程度上可以解決日后由于地下結構出現輕微滲水所造成的問題。

110 kV草埔變電站在地下最底層設置集水井和廢水泵房，集水井的底部標高為-16.00 m。除天面樓板外，基坑底板和各層樓板四周沿內襯墻都設置排水溝，排水溝環狀布置，穿過隔墻，如果內襯墻出現滲水，水將沿排水溝有組織地流到各層集水井上方并通過垂直布置的下水管集中流入集水井中。排水溝寬100 mm，一側是內襯墻，另一側溝壁與樓板同時澆筑，高度與地腳線相當。內襯墻墻面采用嵌接彩鋼板進行裝飾，鋼板從排水溝壁上開始安裝至天花板，溝壁作地腳線，排水溝在彩鋼板后面，隱蔽美觀。

結構滲水、通風口雨水、空調凝結水等收集到集水井后，由自動抽水裝置自動啟動廢水泵抽入市政排水管道中完成全地下變電站的排水功能。

3.2 全地下變電站通風系統及噪聲處理

全地下變電站的通風系統與普通地面變電站不同，其設備的散熱通風必須依靠機械通風。主變壓器是全站最大的熱源，有水冷和風冷兩種冷卻方式。由于水冷方式的復雜性及給運行維護帶來較大困難，一般盡量采用風冷方式。110 kV草埔變電站SF6氣體絕緣電力變壓器采用風冷卻方式。為此，草埔站在縱向兩側各設1個天井式的風口，一個為進風口，一個為排風口。各層取風管統一從進風口取風，流經各設備用房，然后由排風機通過風管將室內的熱空氣抽至排風口排出室外。通風系統的排風機電源控制回路應能接受消防系統的信號，發生火災時，自動切斷排風機的電源。另外主控室和高壓配電室可裝設空調。

由于所有設備均放置在地下，而混凝土墻及樓板本身已具有良好的隔聲效果，因此只要在進、排風口采取消聲措施，就可有效降低噪聲。降低噪聲的主要措施：（1）采用低噪聲軸流風機；（2）進出風井處設置厚片式消聲器；（3）進、出風口處設綠化帶吸聲；（4）降低風管的設計風速。另外，還可通過加裝吸音材料來降低噪聲。一般經上述方法處理后，均能滿足環保要求。

3.3 全地下變電站消防系統

消防系統的正常運行對于全地下變電站安全生產極為重要。全地下變電站消防系統可分為火災自動報警系統、防火封堵和滅火系統三部分。其中火災自動報警系統和防火封堵在設計理念和施工技術上和普通變電站工程類似，而滅火系統就有較大的不同。

110kV全地下草埔變電站的消防采用IG-541自動滅火系統。該滅火系統采用的IG-541混合氣體滅火劑是由氮氣（N2）、氬氣（Ar）和二氧化碳（CO2）按一定比例（分別為52%、40%、8%）混合而成的一種氣體滅火劑。它以物理方式進行滅火，即通過減少火災燃燒區域空氣中的氧含量而達到滅火效果。其特點是：無色、無味、無毒、無腐蝕、無污染，臭氧耗損潛能值為零，溫室效應潛能值為零，是一種綠色滅火劑，是鹵代烷滅火劑的理想替代品，與普通變電站采用的以水為介質形成水噴霧的滅火形式有很大的不同。尤其值得一提的是人員可長時間在充滿該滅火劑的防護區內停留，所以IG-541自動滅火系統特別適合全地下變電站這種處于地下、較為封閉且滅火對象為電氣設備的條件。

IG-541混合氣體自動滅火系統具有自動、電氣手動和機械應急手動三種控制方式。該系統主要包括自動報警滅火控制系統、滅火劑貯瓶、容器閥、電磁閥、選擇閥、單向閥、減壓裝置、壓力開關、框架、噴嘴、管道系統等主要設備。根據使用要求，可組成單元獨立系統、組合分配系統，實施單區和多區的消防保護。

保護對象為4個分區，采用1套組合分配系統。保護區均設2路獨立探測回路，當第1路探測器發出火災信號室，發出警報，指示火災發生的部位，提醒工作人員注意；當第2路探測器亦發出火災信號后，自動滅火控制器開始進入延時階段（0～30 s，可調），此階段用于疏散人員（聲光報警器等動作）和聯動設備的動作（關閉通風空調等）。延時過后，向該保護區的驅動瓶發出滅火指令，打開驅動瓶容器閥，然后瓶內氮氣打開選擇閥，并由它打開相應IG-541氣瓶，向失火區進行滅火作業。同時報警控制器接收壓力信號發生器的反饋信號，控制面板噴放指示燈亮。當報警控制器處于手動狀態，報警控制器只發出報警信號，不發輸出動作信號，由值班人員確認火警后，按下報警控制面板上的應急啟動按鈕或保護區門口處的緊急啟動按鈕，即可啟動系統噴放IG-541滅火劑。

4 經濟性對比與分析

表1是同時建設并同時為深圳地鐵3號線兩側供電的2座新建110 kV變電站造價對比表。其中一座為全地下110 kV草埔變電站，另一座為普通戶內GIS變電站。這2座變電站都是110 kV/35 kV電壓等級，主變容量同為2×40 MVA，110 kV側出線都是2回，35 kV側出線2×5回。

表1 110 kV地下變電站與同類型普通變電站的造價對比Tab.1 Project cost comparison between an undergroundsubstation and a common substation

從表1可以看出，110 kV全地下變電站的工程造價大約是同等規模變電站工程造價的2.3倍，2類變電站差異最大的為土建工程造價和主變壓器采購價格。

全地下變電站土建工程與普通變電站土建工程最大的不同是全地下變電站工程必須設計地下結構圍護連續墻，這部分的費用占了整個土建工程造價的42%左右，這是常規變電站所沒有的；其次是全地下變電站存在大的土方開挖工程；再次是地下變電站的地下結構與地面建筑結構不同，鋼筋混凝土用量特別大；最后是地下變電站排水、消防和通風等附屬系統有別于普通變電站，也使其工程造價有所增加。

全地下變電站電氣工程造價與普通變電站最大的差異在于主變壓器的采購價格。地下變電站由于消防需要，主變壓器一般采用SF6氣體絕緣，該種變壓器的造價約為普通油絕緣同容量變壓器造價的4.1倍，且國內生產SF6氣體絕緣變壓器的廠家很少，如采用進口產品，造價更高。

5 結語

全地下變電站的關鍵施工技術在于土建地下結構施工，尤其是在珠江三角洲等地質條件復雜的沿海地區。110 kV草埔全地下變電站作為廣東省已建成的第1座全地下變電站，克服了地質條件復雜、超寬深基坑等施工難點，在保證施工安全的情況下，高質量地完成了變電站的土建結構施工，變電站建成后未發現任何地下水滲漏質量問題。從地面上看，變電站地面南北兩側各外露1座樓梯間和通風口，變電站上部基本上覆土種植草皮和灌木，外露的建筑物和通風口隱藏在灌木中，總體協調一致；變電站的排水、通風和消防等附屬系統在變電站投運后一直按設計發揮作用，保證地下變電站的正常運行環境和值班環境。從工程造價上看，雖然全地下變電站造價是普通變電站造價的2倍多，當相對于土地資源越來越珍貴的沿海大型城市，在工程經濟性分析合理的情況下，全地下變電站也是選擇之一。110 kV草埔全地下變電站工程建設的成功實施，為在廣東省珠江三角洲等類似地區研究和開展全地下變電站提供了一項較完整的工程實例。

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