城市軌道交通裝配式車站綜合接地系統優化設計

芮學寶

（中鐵第六勘察設計研究院集團有限公司，天津 300250）

0 引言

目前，城市化建設速度不斷加快，軌道交通同樣也取得了迅速發展，由于軌道交通車站內部具有大量的強電和弱電設施，而這些機電設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置綜合接地網。接地系統的構成主要包括自然接地和人工接地網2個部分。在裝配式站，其裝配段不能引出自然接地極，人工接地極穿過結構裝配管也比傳統站難度大。因此，該文還專門針對裝配式地鐵車站的接地系統進行全面設計。

1 一般綜合接地系統的設計原則

接地網絡是任何設施穩定運作的必要前提，在地鐵設計的國家規范要求當中，對各項電器設備的接地方面提出了明確指示。

地下車站的人工接地網絡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，詳細的結構如圖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，至少應該將其鋪設在結構底板的0.8 m以下的位置。另外，在軌道交通的地下車站內，結構底板應該埋藏在20 m以下這部分區域。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，并將其保溫并固定，將其鑲嵌在整個底板上。在施工過程中，最為關鍵的是要保證引出裝置可以和結構鋼筋實現絕緣，并防范滲水現象的發生。另外引出裝置所處的位置需要加設站臺夾層，電纜不能設置在樁基附近。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，這項數值的確定并沒有明確的標準，大部分是根據實際的施工經驗得出的，另外也有部分學者提出，在弱電類設備系統當中，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，應該結合以下公式，如公式（1）所示。

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

圖1 人工接地網示意圖

對于弱電設備來說，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，即使它達到了規定0.5 Ω的接地電阻，也有可能導致該設備并不能正常運作。對于弱電設備的接地來說，更應該對其阻抗進行合理地選擇，運用接地電纜來實現接地。

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

2.2 人工接地網的接地電阻計算

對于水平接地網來說，采用的材料規格為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

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

3 裝配式車站介紹

3.1 裝配式車站主體結構基本概況

目前我國城市軌道交通發展得較為迅速，提升速度的關鍵是預制技術，在綜合軌道交通建設過程中，預制技術應用得越廣，相應的建設速度也會更快，也體現了更高的技術水平[2]。未來部件的預制化必然也是工廠的主要發展趨勢，這項技術不僅能夠幫助改善整個工程的質量，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境來說也具有突出貢獻。

具體的裝配式車站結構可以參考圖2，這個結構具體包括了ABCD 4種不同的構件，每一個構件兩者之間是借助于螺紋鋼實現連接。中板主要運用現淋結構制作而成。在完成拼裝之后再實現現澆，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的設計存在的問題

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構，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，孔洞的現場封堵和防水問題很難處理。2） 裝配段的結構缺乏自然的接地體。

3.4 裝配式車站綜合接地系統的設計注意事項

裝配式車站綜合接地系統的設計注意事項：1） 應該在整體的結構底板0.8 m以下這部分設置水平、垂直接地體。2） 要在主體結構現澆段這個區域內將接地引上線引出，如果現澆段強、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）根據現有工程的實際情況，有部分工程裝配式車站不設置自然接地體，主要為了防止防止雜散電流對主體結構的影響。從人身安全的角度考慮，結構鋼筋應用綜合接地網進行等電位連接，而結構鋼筋在被雜散電流鈍化后其影響也微乎其微。所以，還是應該利用現澆段中的結構鋼筋設置自然接地體（如圖3中的 Z2）。4） 此外，對于裝配管片內部的鋼筋，應做好管片和管片之間、管片與金屬設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《地鐵設計規范》規定：“結構鋼筋不應用作排流網”。部分學者指出地鐵網絡中道床部分主雜散電流收集網絡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采集網，結構鋼筋將被迫參與雜散電流的采集。

圖2 裝配式車站結構

圖3 裝配式車站綜合接地網局部

部分學者并不支持將結構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，而在道床和結構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構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。此時可以認為雜散電流影響的主要是鈍化。在結構鋼筋中可能存在的雜散電流也是被控制在可控范圍內的。

隨著地鐵站投入運行時間的不斷加長，整個站站點內部的情況也會越來越復雜。軌道上可能存在常年積水的現象，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。此時就可能會在結構鋼筋中存在雜散電流的現象，后期工作人員需要結合雜散電流系統監測的結果完成及時檢修和排查，盡量減少在結構鋼筋中存在的雜散電流的情況。

5 綜合接地系統方案

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，而在整個車站結構下部應該加設人工接地網，該網絡與結構漏板當中的結構實現連接，此外還需要將人工地網和自然接地網絡分開進行建設，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后對單獨的接地電阻值進行測量，結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絡兩者連接。

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

地鐵裝配式車站綜合接地是系統性設計工作，在方案設計過程中應該注意以下4點：1） 在綜合接地系統內，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，同時也要結合實際施工情況靈活進行調整。2） 需要將人工地網和自然地網兩者之間的連接條件和分離條件等進行提前預留，然后要結合雜散電流的監測結果確定是否需要將兩者連接。3） 在接地方案的設計上需要考慮的因素較多，不僅有車站內的人身安全，同時還有各項設施的正常運作，是否能夠保證強弱電設備的運行等。 4） 在裝配式車站結構當中，自然接地體應該充分運用現澆段部分來引出，另外還要實現自然接地體和人工接地體兩者之間的連接。由于傳遞段結構鋼筋不接地，管片鋼筋電絕緣，裝配段設備外殼等安全接地應考慮等電位連接。

6 結論

地鐵裝配式車站是全新的車站建筑模式，解決了傳統地鐵地下車站建設難度大、周期長、投資高這一普遍性難題，國內很多城市都在做試點推廣。配合裝配式車站相關的系統設計都需要根據具體的車站方優化設計，該文從綜合接地設計原則、裝配式車站與傳統車站的區別、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化的設計方案，既可以達到良好的短路接地防護效果，穩定各項設備的運作，也可以保障地鐵出行的人們的生命安全。