小直徑長距離隧道二次襯砌施工供配電技術

雷星星 王海雙 張偉濤 谷海華

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

目前國內外對于長隧道的供電方案主要有3種[1]：第1種是低壓直接進洞，在隧道的洞口通過變壓器將電壓由高壓直接變為低壓后，引入隧道，通過增加導線的橫截面面積，從而降低線路電壓降；第2種是通過較大截面積的導線將低壓電源引到施工處，用低壓補償設備進行低壓補償；第3種是在隧道口通過高壓鎧裝電纜將高壓電源接引到洞內變壓器的位置，通過洞內變壓器將高壓轉化為低壓[2]。在小直徑隧道二次襯砌施工中，洞內空間有限，設備較多，負荷大，安全性要求高，在國內外暫無可供參考的成熟技術。本文以武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程主隧二次襯砌施工（以下簡稱“本工程”）為例，通過優化臨電布置方式及設計研發應用新型穩壓裝置，總結了一套小直徑長距離隧道二次襯砌施工供配電技術。

1 小直徑隧道長距離供電方案適應性分析

1.1 高壓進洞供電方案

長距離隧道施工供電時，一定的距離安裝1臺變壓器，此臺變壓器為此距離內的所有用電設備供電，需專門設置變壓器安裝場地[3]。近年來興起了車載移動式變電站在長大隧洞施工供電中的應用，例如遼寧某輸水隧洞工程[4]。因小直徑隧道二次襯砌施工為全斷面同步施工，設備多，隧道直徑狹小（最小二次襯砌成形直徑僅為3 m）的特點，高壓部分與人的安全距離不足，且隧道須滿足通行條件，變壓器無安放位置，故高壓進洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長距離供電。

1.2 低壓直接進洞方案

若采用低壓直接供電方案，根據容許電壓UA要求[5]，如式（1）所示：

本工程現場單回路總負荷約210 kW，輸送電路距離為500 m，采用截面積為150 mm2的銅芯電纜，由式（1）可得線路壓降約為9.15%，則設備端電壓為363.4 V。長距離低壓會導致電網波動大，電壓出現波峰和波谷的振蕩，對電網的沖擊大，危害嚴重，且會損壞用電設備，故低壓直接進洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長距離供電。

1.3 低壓補償供電方案

低壓補償供電方案是對低壓直接進洞供電方案的改進。通過增大線徑，在設備前端增加低壓補償設備進行低壓補償，這個方案只能補償15%～20%，超過1 500 m后，補償效果不明顯，補償不穩定。本次討論的供配電技術單回路可達2 km，總負荷約為207.5 kW，通過增大線徑延長供電距離會加大成本投入，故低壓補償供電方案也不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長距離供電。綜合考慮各項因素，對于小直徑長距離供電，須研究新型穩壓裝置和隧道臨時用電布置方式。

2 隧道用電設備統計及負荷計算

隧道內的供電方案選擇時應首先對隧道內的用電設備進行統計和負荷計算，根據不同的負荷類型，將隧道內二次襯砌施工專用主電纜分為照明回路和動力回路。照明回路因負荷小，供電距離較長，采用常規供電方式即可。動力回路負荷較大，現針對動力回路進行負荷計算。負荷種類及統計如表1所示。

表1 拱墻施工負荷統計

由表1可知，設備電動機總功率P1為207.5 kW，電焊機的額定功率P2和照明的額定功率P3均為0，視在總功率（總的電力負荷）PS為259.38 kV·A。

總的用電量為施工動力用電和照明用電兩部分之和，動力負荷可按負荷性質分組需要系數法計算，變壓器至總配電箱的電纜屬于主電纜，在多個設備下需要考慮同時性，選擇考慮需用系數的計算方式選型（包括電壓器低壓開關、總配電箱），即考慮系數的計算方法〔式（2）〕[5]得出的容量用于考慮變壓器的低壓出線開關大小選型、總配電箱選型以及主電纜的標準選擇。

K1取0.5～0.7：電動機為3～10臺時取0.7，11～30臺時取0.6，30臺以上取0.5；K2取0.5～0.7，電焊機為3～10臺時取0.7，11～30臺時取0.6，30臺以上取0.5；K3取1.0。拱墻施工負荷計算數據如表2所示。由表2數據和式（2）計算得出總電力負荷PS0＝194.77 kV·A。總計算電流I＝281.12 A。

表2 拱墻施工負荷計算

3 新型穩壓裝置研發應用

3.1 新型穩壓裝置設計

該裝置由主切換接觸器、控制板、升壓變壓器等組成。當供電半徑超過普通施工距離時，將新型穩壓裝置送至作業處，電源經此裝置后再輸出至設備端，即可保證更遠距離的供電半徑。此裝置每次澆筑時隨設備進入，澆筑完后隨設備退出，解決了小直徑隧道的通行問題，確保人電的相對安全距離。

根據總計算電流和壓降計算，穩壓裝置需設置5個擋位，擋位之間能根據設備負荷自動切換。第1擋位電壓變比為1.133，當輸入為326～361 V時，輸出為370～409 V；第2擋位電壓變比為1.258，當輸入為295～326 V時，輸出為365～411 V；第3擋位電壓變比為1.418，當輸入為262～295 V時，輸出為369～411 V；第4擋位電壓變比為1.619，當輸入為230～262 V時，輸出為374～422 V；第5擋位電壓變比為1.887，當輸入為201～230 V時，輸出為379～435 V。

3.2 隧道臨電布置

3.2.1 電纜布置

電纜選型時除考慮電壓降外，還應考慮使用的經濟性。對于回路中任意一個用電設備而言，電壓降應包含主回路（變壓器到總配電箱）與其所在分回路的電壓降之和。由式（1）可知，回路中功率越大，線路距離越遠的用電設備，其電壓降越大，若單一依靠增加電纜直徑的方式降低電壓降，會導致投入的電纜成本更高，且大材小用。

綜合考慮，選取3×BLV1×300＋2×BLV1×120作為主芯線電纜，在滿足符合使用要求的同時也能控制成本投入。主電纜也采用定長采購，長度與單次整體澆筑二次襯砌距離相同，從而使隧道主電纜一次布置成形，避免了二次搬運。

鋼筋綁扎階段和仰拱施工階段采用二次襯砌電纜鉤掛設電纜。二次襯砌電纜為定制加工產品，共設計可掛設8股線路，上部端頭由螺帽焊接而成，彎鉤處均穿絕緣套管，使用時將上部和下部綁扎在鋼筋上固定即可。

二次襯砌電纜支架同樣為定制加工產品，下部為凹槽狀，中部為與隧道相同半徑的圓弧鋼筋，上部由短鋼筋焊接而成。使用時二次襯砌電纜支架底部卡住軌枕端頭，圓弧鋼筋依靠在二次襯砌混凝土結構表面，將二次襯砌電纜鉤上部的螺帽掛在支架上部短鋼筋上即可。此創新設計可保證二次襯砌成形面的完整性，同時滿足電纜架空方式的快速轉換要求。

3.2.2 電箱布置

定制加工配電臺車采用與拱墻臺車同軌且中間可穿行設計，達到小直徑隧道內配電箱的放置不影響隧道內水平運輸且隨作業面前移的效果。配電臺車的另一作用是作為二級配電箱的布置平臺，隨作業面前移，這樣二級配電箱至設備開關箱的電纜只需1次即可布置到位，減少設備端電纜的頻繁移動。

3.2.3 拱墻臺車臨電布置

8臺拱墻臺車采用1根主線（3×25+2×10）供電，主線固定在拱墻臺車上，主線在每組臺車的間隔區采用快接式航空插頭連接，一次性布置到位。前移臺車時，僅需拔出插頭收好多余電纜，到位后再連接插頭即可恢復使用，保證了多臺設備用電的獨立性，同時避免了設備電纜頻繁移動和布置雜亂。

3.3 2個供電階段

供電方法由2個階段組成，第1個階段為市電變壓器正常供電范圍，電能通過主電纜經洞外一級配電箱至低壓配電臺車上的二級配電箱，再經低壓配電臺車上的二級配電箱、三級配電箱至二次襯砌用電設備；第2個階段為超出市電變壓器的正常供電范圍，電能通過主電纜經洞外一級配電箱至新型穩壓裝置，再至低壓配電臺車上的二級配電箱、三級配電箱、二次襯砌用電設備。

3.3.1 二次襯砌施工距離0～1 km

所有二次襯砌用電設備均使用地面變壓器供電。1號一級箱放置于洞口處，做好基礎與防護。將1號二級箱與2號二級箱固定在配電臺車上，拖泵與小罐車用電從1號二級箱接出，拱墻臺車用電從2號二級箱接出。配電臺車布置于拱墻臺車之后，跟隨作業面前移。經計算，0～1 km段在此種布線及負荷分配方式下，設備端在正常運轉時的最低電壓為375.52 V，可保證設備正常運轉。

3.3.2 二次襯砌施工距離1～2 km

在此區間需要切換線路，具體操作為：拆除原主電纜與二級箱的連接，隧道主電纜延長至配電臺車處→將新型穩壓裝置運送至配電臺車之后，輸入端接隧道主電纜，輸出端接至二級箱。當設備均以額定工況運轉時，新型穩壓裝置工作在第2擋位處輸出穩定可用電壓389.2 V。當設備啟動和重載時，電壓降增大，穩壓裝置輸入端電壓下降，穩壓器監測到電壓變化后向下調整到相應的擋位仍能滿足使用。

4 結語

小直徑隧道二次襯砌施工中，機械設備數量多，單臺設備功率大，設備相對分散，采用常規建筑施工電壓供電無法滿足遠距離供電要求，設備無法正常啟動，使用壽命縮短。而采用長距離供電，線路壓降大，線損嚴重，供電的經濟效果差[6]。對于小直徑隧道，高壓進洞供電方案的變壓器布置影響隧道設備通行，洞內所需配電箱數量多，體形大，小直徑隧道中空間有限，無法滿足設置變壓布置平臺的條件。通過優化隧道內臨電布置方式和研發新型穩壓裝置，既保證了施工作業人員的安全，也解決了供電距離與經濟效益的矛盾，使小直徑隧道中二次襯砌施工供電得到保障。