城市中心復(fù)雜環(huán)境條件下設(shè)置轉(zhuǎn)換層的變電站結(jié)構(gòu)研究

周 森 黃劍慧 李嘉業(yè)

（廣州市電力工程設(shè)計院有限公司）

0 引言

城市的快速融合發(fā)展對用電負(fù)荷的需求不斷增長，城市中心高密度負(fù)荷區(qū)變電站的建設(shè)需求迫切。然而城市建設(shè)用地資源稀缺，變電站用地與土地供給的矛盾越發(fā)突出。城市中心變電站面臨高層建筑、地下空間、市政管涵等復(fù)雜環(huán)境，給變電站的建設(shè)及運營帶來巨大的挑戰(zhàn)，廣州越秀國際會議中心110kV 變電站正是其中的典型代表。

目前，常規(guī)變電站主變壓器基礎(chǔ)為落地式，地基以大地土/巖體為載體，土地利用率較低，已不適應(yīng)城市中心變電站建設(shè)模式。提出在變電站首層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，配電裝置樓結(jié)構(gòu)柱及主變壓器坐落在轉(zhuǎn)換層上，實現(xiàn)對地下基礎(chǔ)設(shè)施的避讓及跨越。設(shè)置轉(zhuǎn)換層的變電站對城市中心復(fù)雜環(huán)境具有較好適應(yīng)性，提高土地利用率。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境條件

廣州越秀國際會議中心110kV 變電站（以下簡稱“變電站”）用地面積1793m2，配電裝置樓長×寬×高=58.6m×17.8m×18m。變電站北側(cè)緊鄰蘭圃路并與廣州蘭圃公園相望；變電站西北側(cè)與清真先賢古墓鄰近，變電站左側(cè)約30～33m 進(jìn)入文物保護(hù)紫線，該區(qū)域內(nèi)變電站限高18m；變電站東側(cè)及南側(cè)為廣州越秀國際會議中心地塊行車道路，東南側(cè)為廣州越秀國際會議中心（一類高層建筑、建筑高度66m），變電站外墻與會議中心幕墻外立面距離不足20m。

變電站下方為運營中的廣州地鐵2 號線和駟馬涌暗渠，其中：2 號線為雙線盾構(gòu)隧道，隧道寬度6m，兩邊各3m 內(nèi)為盾構(gòu)隧道保護(hù)線范圍，隧道頂埋深約15m，現(xiàn)狀地鐵線與變電站呈西北-東南向斜交；駟馬涌暗渠現(xiàn)狀寬度約8m，渠箱底標(biāo)高5.15m，頂標(biāo)高7.25m，暗渠兩側(cè)為1.80m 高毛石擋墻，渠箱頂設(shè)有厚度300mm蓋板，現(xiàn)狀駟馬涌與變電站呈東北-西南向斜交，現(xiàn)狀交疊范圍約20m×8m（長×寬）。蘭圃路路面標(biāo)高8.60～9.00m，變電站±0.00 相對絕對標(biāo)高9.50m，場地設(shè)計標(biāo)高9.20m。

配電裝置樓首層主要設(shè)電纜層、主變壓器室、消防水池，二層主要設(shè)10kV 配電室、電容器室、工具間，三層主要設(shè)110kVGIS 室、蓄電池室、站用變室，四層設(shè)主控室，局部五層設(shè)置屋面消防水池。變電站總平面布置如圖1 所示。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)鉆孔揭露，場地土/巖層按成因自上而下分為：①第四系人工填土層、②沖積層、③殘積層、④基巖。人工填土層主要為素～雜填土、填石，堆積年限大于10年，屬老填土；沖積層、殘積層主要為粉質(zhì)黏土，可塑～硬塑，干強度中等，均勻性差，夾雜粉細(xì)砂及風(fēng)化巖碎塊；基巖為強風(fēng)化～中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、角礫巖，強風(fēng)化巖芯呈短柱狀、塊狀，中風(fēng)化巖承載力高。各土/巖層物理力學(xué)指標(biāo)如表1 所示。

圖1 變電站總平面布置圖

表1 土/ 巖層物理力學(xué)指標(biāo)

2 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

2.1 基礎(chǔ)方案比選

綜合考慮上部結(jié)構(gòu)荷載、工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境保護(hù)、施工難易程度等對基礎(chǔ)方案進(jìn)行比選，選取旋挖成孔灌注樁作為基礎(chǔ)方案。基礎(chǔ)方案比選如表2 所示。

2.2 基樁承載力

配電裝置樓基礎(chǔ)采用旋挖成孔灌注樁，樁徑分1600mm/2000mm/2400mm 共3 種類型，以中風(fēng)化巖為樁端持力層，樁基設(shè)計為嵌巖樁，最大單樁豎向抗壓承載力特征值為27000kN，樁凈長約20～35m。

以3#樁為計算案例：樁承臺頂標(biāo)高為11.30m，承臺高度3m，樁頂標(biāo)高8.40m，樁凈長約27m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化巖≥5m。

根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)[1]，取C1=0.5、C2=0.05，ψc=0.75，嵌巖樁單樁豎向承載力特征值計算如下：

表2 基礎(chǔ)方案比選

設(shè)計樁身強度為C40，按不考慮樁身構(gòu)造鋼筋作用時，驗算樁身界面承載力如下：

單樁承載力特征值取兩者的小值，設(shè)計取27000kN。

2.3 樁基平面布置

運行地鐵2 號線雙線區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿變電站地塊，隧道平面投影面積約占配電裝置樓投影面積的50%，基礎(chǔ)樁外邊線與地鐵隧道結(jié)構(gòu)外邊線之間的最小水平投影距離≥3m[2]；駟馬涌與盾構(gòu)隧道呈斜交，涌底距離隧道結(jié)構(gòu)頂約10m，駟馬涌由現(xiàn)狀8m 擴寬至15m。樁基布置既要避開地鐵保護(hù)線又不能落至擴寬后的河涌里，使得樁位布置的空間局限性很大且不規(guī)則。樁基平面布置如圖2 所示，其中#1 樁樁徑1600mm，#2 樁樁徑2000mm，#3 樁樁徑2400mm，樁位均避開地鐵保護(hù)線及擴建后的河涌斷面。

2.4 轉(zhuǎn)換平面布置

配電裝置樓首層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，首層主要布置電纜層、主變壓器室（含主變壓器基礎(chǔ)、油坑等）、消防水池、東西兩側(cè)電纜出線井等，轉(zhuǎn)換平面布置如圖3 所示。

主變壓器（3×63MVA）放置在第二道轉(zhuǎn)換梁上，消防水池跨越第一、二、三道轉(zhuǎn)換梁。西側(cè)電纜出線井底標(biāo)高-2.70m，東側(cè)電纜出線井底標(biāo)高-3.10m。主變壓器油坑設(shè)置有效深度為800mm，因轉(zhuǎn)換梁將油坑阻隔，為保證事故漏油時油坑內(nèi)液體流通，在梁中預(yù)埋DN200mm 鑄鐵聯(lián)通管。

2.5 轉(zhuǎn)換立面布置

為確保駟馬涌日常管養(yǎng)、維修安全需要，要求變電站橫跨駟馬涌的結(jié)構(gòu)底板距離渠箱面板高度≥1.8m[3]。設(shè)計轉(zhuǎn)換梁最大跨度（位于駟馬涌正上方）為30.91m，最大截面為2200mm×2250mm（寬×高），現(xiàn)狀渠箱頂絕對標(biāo)高7.25m，為保證轉(zhuǎn)換梁底距離渠箱面板的凈高要求，則轉(zhuǎn)換梁頂面絕對標(biāo)高至少應(yīng)為11.30m。駟馬涌由現(xiàn)狀8m 擴寬至15m，擬新建鋼筋混凝土擋土墻岸壁，墻頂設(shè)1.30m 寬懸挑式檢修通道，并在臨水面?zhèn)燃友b安全護(hù)欄，待鋼筋混凝土擋土墻施工完畢后再將現(xiàn)有毛石擋土墻拆除處理，拆除后的石料作為擴寬河涌底的堆填料。在變電站北側(cè)檢修通道的端頭并靠近轉(zhuǎn)換梁側(cè)面處設(shè)置φ1200mm 檢修井，用作從地面到檢修通道的出入口。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三維模型示意如圖4 所示。

圖2 樁基平面布置

圖3 轉(zhuǎn)換平面布置

圖4 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)三維模型示意圖

因110kV 及10kV 電纜均為電纜出線，配電裝置樓以外電纜溝為埋地式，而戶內(nèi)電纜層高出室外地面2.10m，因此在配電裝置樓的東、西兩側(cè)各設(shè)沉箱式電纜出線井，并滿足電纜出線的轉(zhuǎn)彎半徑要求。根據(jù)轉(zhuǎn)換平面布置圖，東側(cè)電纜出線井上方為轉(zhuǎn)換梁，因此由轉(zhuǎn)換梁梁底設(shè)置懸吊沉箱側(cè)壁、暗柱及底板；西側(cè)電纜出線井在轉(zhuǎn)換梁以外，通過局部降低承臺頂標(biāo)高，出線井側(cè)壁從承臺間連系梁上做起。盾構(gòu)隧道距地面埋深約15m，設(shè)計樁基礎(chǔ)外邊線與隧道結(jié)構(gòu)外邊線之間的距離滿足不小于3m，且樁底高程低于地鐵結(jié)構(gòu)底不小于3m，作為對地鐵盾構(gòu)隧道的一項保護(hù)措施。轉(zhuǎn)換梁與改造河涌、盾構(gòu)隧道斷面如圖5 所示。

3 基礎(chǔ)隔振

較常規(guī)變電站不同的是，主變壓器及基礎(chǔ)放置在轉(zhuǎn)換梁上，而不是直接放置在大地上。考慮到主變壓器運行存在振動，為避免設(shè)備運行振動引起建筑結(jié)構(gòu)諧振，并降低振動噪聲對周邊環(huán)境的影響，在主變壓器基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)換梁頂間設(shè)置彈簧隔振支座。

3.1 隔振原理分析

圖5 轉(zhuǎn)換梁與改造河涌、盾構(gòu)隧道斷面示意圖

假設(shè)激振力是一正弦函數(shù)，定義激振頻率與系統(tǒng)固有頻率之比（調(diào)諧比）η，定義傳遞到基礎(chǔ)上的基礎(chǔ)力振幅與激振力振幅之比（傳遞比）ν，單質(zhì)量-單自由度振動系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)振動傳遞函數(shù)如下：

圖6 傳遞比與調(diào)諧比關(guān)系曲線

本工程取阻尼比為0.2，當(dāng)調(diào)諧比≥4 時，傳遞比≤0.1，隔振效率≥90%。

3.2 主變振動頻率

主變壓器本體主要由鐵芯與繞組組成，振動的主要來源包括：①硅鋼片磁滯伸縮引起的鐵芯振動；②硅鋼片接縫處和疊片之間因漏磁產(chǎn)生的電磁吸引力引起的鐵芯振動；③負(fù)載電流漏磁引起繞組及油箱振動等。已有研究表明，主變壓器的振動頻率為50Hz 及其倍頻[4]，振動的頻譜峰值一般在100～600Hz 之間。

3.3 基礎(chǔ)隔振布置

圖7 隔振支座平、立面布置圖

4 結(jié)語

⑴面對高層建筑、軌道交通、市政管涵等復(fù)雜環(huán)境，常規(guī)變電站的設(shè)計思路已不適應(yīng)城市中心變電站建設(shè)模式，用電負(fù)荷大、選址落地難、風(fēng)險因素多是此類變電站面臨的突出問題。

⑵提出在變電站首層設(shè)置轉(zhuǎn)換層，上部結(jié)構(gòu)柱及主變壓器坐落在轉(zhuǎn)換層上，實現(xiàn)對地下基礎(chǔ)設(shè)施的避讓及跨越；設(shè)置大直徑旋挖成孔灌注嵌巖樁，可滿足大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)對單樁承載力的要求，并可根據(jù)場地條件不規(guī)則布樁，避開地下設(shè)施的同時做到文明施工。

⑶在主變壓器基礎(chǔ)與轉(zhuǎn)換梁間設(shè)置彈簧隔振支座，以控制調(diào)諧比不小于4 來設(shè)置隔振系統(tǒng)的固有頻率，隔振效率可達(dá)90%以上。建議主變安裝運營后，加強對結(jié)構(gòu)振幅、設(shè)備運行噪聲的監(jiān)測，以量化隔振效果。