关于电力电缆隧道设计的研究

前言
　　高电压等级的变电站进入城市中心区，将采用大截面电缆输送电力。由于电缆截面大，采用传统的排管敷设模式的技术难度高，而且，市中心道路下管线密布，管位资源紧张，无法满足高电压等级的大截面电缆的敷设要求。因此，借鉴国外经济发达的大型城市的供电设施建设经验，采用电力电缆隧道进行电力输送。
　　电力隧道相比于其它敷设方式具有隧道内部环境整洁，通风条件良好，有利于电缆的散热，电缆运行工况比直埋或排管好，提高了电缆的使用寿命，同时，运行维护方便，有利于巡视人员及早发现并处理问题，以防患于未然的特点。电力隧道还可以根据电力发展需求很容易的增加电缆数量，而且还可避免路面重复开挖现象。本文就结合上海市北京西路~华夏西路电力电缆隧道工程对电力电缆隧道设计研究介绍如下。
1　工程概况
　　上海市北京西路~华夏西路电力电缆隧道工程，连接市中心世博500KV变电站和三林500KV变电站，是上海城区电力输送主干网络建设工程，两变电站直线距离约11.5Km。
　　经线路多方案比选，线路走向为自世博变电站内工作井，沿南北高架路西侧向南，穿越黄浦江后进入浦东世博园区，随后向南进入三林变电站。线路全长约15.3km，其中盾构法隧道内径Φ5.5m，长约8.84km，顶管法隧道内径Φ3.5m，长约6.14km，明挖隧道约0.30km，沿线共设14座工作井（图1）。

图1　北京西路～华夏西路电力电缆隧道总图

2　工程地质与水文地质
　　拟建隧道场地横贯浦江两岸，地形一般较为平坦，地面标高在2.54～4.76m之间，属滨海平原地貌类型。地基土的分布及性质变化较大，地层分布属第四系全新统至中、上更新统。自上而下主要由①填土、②-1褐黄~灰黄色粉质粘土、③灰色淤泥质粉质粘土夹粉砂、④灰色淤泥质粘土、⑤-11灰色粘土、⑤12灰色粉质粘土、⑤-2灰色砂质粉土、⑤-31灰色粉质粘土夹粉砂、⑤-32灰色砂质粉土夹粉质粘土、⑤-4灰绿色粉质粘土、⑥暗绿～草黄色粉质粘土、⑦-1草黄色粉质粘土夹粉砂、⑦-2灰色粉细砂、⑧灰色粉质粘土等土层组成。
3　盾构法隧道的结构型式
　　根据电网规划及电缆布置的工艺要求，综合比较隧道的施工、运行、管理各方面的便利性后，电力电缆隧道设计中盾构法隧道内径为5.5m。
　　区间圆形隧道采用单层衬砌，衬砌厚350mm，环宽1.2m，衬砌环间采用通缝拼装。管片采用六分块方案，衬砌环全环由小封顶块F、两块邻接块L1、L2、两块标准块B1、B2，一块拱底块D构成。
　　本次设计在350mm厚管片环面中部设大凸榫以承受千斤顶顶力，可有效地防止环面压损，控制环间剪动，提高管片外周平整度，减少对盾尾密封装置的磨损。管片外弧侧设置水膨胀薄片槽和弹性密封垫槽，内弧侧设嵌缝槽。
　　管片环与环间采用17个M30纵向直螺栓连接，块与块间以12个M30环向直螺栓连接，环、纵向螺栓采用锌基铬酸盐涂层作防腐蚀处理。
4　顶管法隧道的结构型式
　　顶管工程根据工艺设计要求和环境条件的限制，分多段施工，采用D3500的工厂预制钢筋混凝土管节。混凝土等级为C50，钢筋采用HPB235、HRB335级钢，钢材为Q235钢。
　　本工程管道平面线型基本为直线型，采用标准管节长度2.50m，采用“F”型钢套环的承插式接口，除标准管节外还分别设有中继环、中继环前后节等。为适应管道与井之间不均匀沉降和抗震设防的需要，在两者间设置能适应一定变形的接头。
5　工作井结构型式
　　工作井在满足使用功能的前提下尽量缩小规模，内部设有通风设施和人员进出通道。根据功能和环境条件分别采用圆形和矩形钢筋混凝土结构，采用不同的围护方案，其中包括地下连续墙、钻孔桩、SMW、沉井等围护桩型式施工。
　　1#圆形盾构工作井，紧邻延安东路高架，内径15m，基坑深25.70m。采用1000mm厚地下连续墙围护，平面呈12边形，内衬厚度600mm，井顶设一道顶圈梁，沿井深度设3道600×1500环梁。

图2　1#工作井施工阶段板平面布置图

　　4#矩形盾构工作井，邻近斜土路锦绣家园，内净尺寸11.6×13.4m，基坑深29.12m。采用1000mm厚地下连续墙围护，内衬厚度800mm和600mm，井顶设一道顶圈梁，沿井深度设6道钢支撑和一道砼支撑。

图3　4#矩形盾构工作井横剖面图

6　隧道内部结构型式
　　根据电缆布置要求，顶管段管中部设通道，两侧布置电缆。管节制作时沿管内壁预埋钢环，电缆支架设在预埋钢环上。
　　根据电缆布置要求，盾构段圆隧道内部分上下两层（每层中分左右两部分），上下层的横隔板采用预制装配式叠合结构。
　　盾构隧道内径5.5m，空间较小，电缆施工荷载较大。采用预制装配式叠合结构，满足结构要求，同时，施工速度快。施工中利用预制隔板作为现浇砼面层的模板，预制隔板与现浇混凝土面层形成叠合式结构。隧道内预制钢筋砼构件以1.2m（即1环的范围）为一个单元，每个单元包括：1块预制T形刚架柱，两块预制横隔板。横隔板一边搁在刚架柱上，另一边搁在管壁牛腿上，管壁牛腿与管片整浇。

图4　盾构衬砌圆环构造图

7　工程沿线关键节点
　　7.1　穿越轨道交通
　　7.1.1　概况
　　本电力电缆隧道工程遇横向交叉轨道交通线（包括规划的）共有10条，共穿越12次，其中13号线共穿越3次，与轨道交通线净距最小为1.5m。
　　7.1.2　穿越节点采取措施
　　穿越节点中，共有5处穿越已运营线或拟运营线，4处穿越已建线，另有3处穿越规划线路。穿越以上节点时，盾构段需采取的措施有一下4方面。
　　1）穿越段均调整为直线、纵坡均调整为单一纵坡，以减小盾构施工对已建地铁隧道的影响。
　　2）穿越运营线及已建线时，在管片增设注浆孔。在盾构通过后，根据对已建隧道的监测数据，通过增设的注浆孔进行二次补浆，以确保已建隧道的安全。
　　3）在穿越地铁节点处，通过增加两道防水以满足电力隧道防水要求，避免电力隧道漏水造成已建地铁隧道沉降变形。
　　4）增设注浆孔及防水措施的管片布置范围为穿越段投影长度再加上两侧各12m。
　　顶管段穿越在建7＃线车站底板时需采取措施有以下4方面。
　　1）在穿越段基坑内坑底采用高压旋喷桩进行地基加固，加固范围为坑底以下3.5m，平面宽度为电力隧道两侧各4m，共12.1m，以减小隧道穿越时对锦绣路站的影响。
　　2）顶管采用泥水平衡顶管机，开挖面采用泥浆护壁，保持开挖面稳定。
　　3）管节环向设6点注浆孔，供二次注浆，每隔一段距离设注浆泵，确保穿越段的注浆量和注浆压力，控制穿越段车站变形量。
　　4）建立监测系统，根据监测结果，指导顶管施工。
　　7.2　穿越南北高架桥
　　7.2.1　隧道与南北高架的关系
　　高架结构体系有简支梁和连续梁两种。梁截面形式主要为箱型截面，在匝道落地附近截面形式为空心板梁。
　　电力隧道在南北高架桥墩侧通过，为盾构法隧道，与高架道路近距离并行约3.6km左右，涉及到98个桥跨。与桥梁桩基的平均净距为5.7m，最小净距为1.2m（图6）。
　　7.2.2　控制要求
　　1)桥梁变形警戒值
　　根据桥梁敏感性分析结果及类似工程经验，提出供有关管理部门、施工单位及第三方监测（若有）参考的警戒值，以便进行有效控制，确保桥梁结构处于正常使用状态。
　　施工监测时采用绝对变位和相对变位双控方式。在施工过程中，监测数据一旦接近或超过警戒值，应停止施工，查明原因并采取必要的技术措施方可继续施工。
　　2)盾构控制要求
　　根据类似工程经验和计算结果，提出供有关管理部门、施工单位及第三方监测（若有）参考的盾构推进控制要求，以便进行有效控制，确保桥梁结构处于正常使用状态。控制盾构引起的土体损失在0.5%以内；盾构推进引起的地表沉降控制在5mm以内，其警戒值为3mm。
8　隧道防灾
　　本隧道将采用500kV交联电缆，以适应电力电缆隧道的安全性要求。
　　尽管在敷设的电缆选择上已采用性能优越的电缆，但由于电力电缆隧道内布设有大量高等级、高负载的输电电缆，在长期的使用中，输电电缆发热、老化、过载、短路等引起的火灾事故仍可能发生。
　　设计中考虑采取以下措施，以确保检修人员的安全，缩小火灾的影响范围，降低影响程度，减少事故损失。
　　①将内径5.5m双层隧道上、下层之间采用钢筋砼板分割为两个区域，沿隧道长度每隔500m设一道防火门，成为独立的防火分区。每个防火分区内间隔100m设置供人员上下的直爬梯，以便于在隧道上（或下）层发生火灾时，检修人员可通过直爬梯撤离至下（或上）层，保证火灾工况下人员的安全撤离。为满足隧道内上下层空间的通风要求，沿钢筋砼板的走道部分间隔一定距离设置通风格栅；
　　②隧道防火分区用防火门隔断，一般情况下，防火门开启，当该防火分区发生火灾时，防火门将自动关闭。待火熄灭，机械通风排除有毒气体后，检修人员才进入该区域检修。
　　③防火分区隔断采用砂包或其它软质耐火材料，形成阻火墙，避免火焰蔓延。对隧道内敷设的电缆，要求采取分段阻燃措施。
　　④从控制室、开关室通往夹层、隧道，穿越楼板、墙壁的电缆孔洞缝隙必须采用阻燃材料严密封堵。
　　⑤沿隧道设有14座工作井及世博站，一般设有人孔或安全检修出入口，可供检修人员在紧急情况下疏散。
　　⑥鉴于电缆隧道空间密闭，电缆支架众多，为保证电缆隧道的正常运转，隧道内每隔一定距离设置灭火器。
　　除上述措施外，在隧道设备的配置上还考虑了一整套的消防灭火设施、监控设施、火灾报警设施。如灭火器、火灾探测器、监控摄象机、报警按钮、紧急电话和事故照明等。
9　结论
　　采用盾构和顶管非开挖施工技术，可以有效解决城市建筑密集地区地下电力隧道施工的技术难题。根据监测数据：沿高架桥盾构段施工高架桩基变形约1mm左右。已穿越轨道交通2号线、4号线、6号线，运营地铁隧道沉降小于5mm。顶管穿越黄浦江施工过程中，对两岸防汛设施影响较小。