我國地下變電站結構研究與應用現狀分析

肖平成，譚志成，張涌泉，王家超

（中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102）

近年來，隨著我國經濟快速發展，城市化進程加快，新能源產業規模不斷擴大，市場日益成熟，電力需求持續增長，導致城市電力供需失衡趨勢明顯。尤其是在大城市核心區，供電負荷巨大、建筑密集、土地資源緊張，傳統地面變電站面臨一系列挑戰，如占地面積大、選址困難、環境影響等。經過不斷摸索實踐，目前地下變電站已經成為了緩解城市電力負荷與土地緊張矛盾的有效解決方案。我國越來越多的城市已經建成或正在規劃地下變電站。

1 發展歷程及現狀

世界上第一座地下變電站于1952年在日本東京建成。作為研究起步及投入應用最早的國家，日本有著相當豐富的經驗。東京在20世紀80年代建造的地下變電站多達130座，占當時世界變電站總數的30%。除此之外，法國于1975年在巴黎建成容量1×105kVA的地下變電站；加拿大于1984在溫哥華年建造了容量4×105kVA的廣場地下變電站；澳大利亞于1998～2004年對悉尼的供電系統全面升級為地下變電站。

我國20世紀60年代開始進行地下變電站的發展建設，雖然起步略晚，但發展速度快。北京、上海作為中國發展最快的兩個城市，在地下變電站建設方面走在了前列。1969年，我國第一座地下變電站——北京東城35 kV戰備用地下變電站建成投運，而上海在1987年建成了35 kV錦江變電站。在20世紀80年代，我國社會經濟步入高速發展的黃金時期。在隨后的幾十年中，北京又陸續建成了110 kV、220 kV的半地下、全地下變電站四十余座，上海更是在2009年建成投運了目前國內規模最大的500 kV靜安世博地下變電站。此前，500 kV地下變電站國際上也僅有日本東京的新豐洲地下變電站。除此之外，地下變電所也陸續建設于天津、重慶、青島、廣州、武漢、廈門等大中城市。資料顯示，截至2016年年底，我國34個省級行政區域中建成有地下變電站的有18個。

2 地下變電站結構的關鍵技術

目前，我國有關地下變電站建設方面的研究主要集中于地下結構地震反應分析和施工技術方面，少部分關于建筑節能設計。

2.1 地下變電站抗震設計及地震響應分析

在地下變電站結構的設計計算中，主要從以下6個方面考慮地震的影響：①地震時地層發生變形的影響；②上覆土的影響，較嚴格的應考慮上覆土豎直方向的慣性力；③地震時的土壓力的影響；④結構自身的慣性力的影響；⑤液化效應的影響；⑥水壓和浮力的影響。

地下變電站的抗震設計在一定程度上能參照現有的地鐵車站的抗震設計方法，但對于自身特點也必須有所考慮，如結構開孔、兩層側墻、開挖施工工法等對結構抗震有利及不利的影響。此外，在抗震設計計算的同時還必須充分發揮抗震構造措施的作用以避免地下變電站由于內部結構復雜，設備荷載大等特點引起的安全問題。

地下變電站結構在地震時的響應研究是進一步完善相關抗震設計規范的一大重點。文波、楊金熹等完成了一系列關于城市地下變電站結構及其內部電氣設備的動力特性及地震反應規律的研究。以西安市快速軌道交通二號線張家堡地下變電站為工程背景，基于粘彈性人工邊界理論和有限單元法，首先通過半空間自由場模型驗證了地震動輸入方法的有效性，然后對地下變電站系統進行了模態分析和動力時程分析，得出了該類結構的動力特性和地震響應規律，從而建立了考慮土體-結構-設備動力相互作用的三維有限元計算模型。研究表明，在8級罕遇地震中，地下變電站內的電氣設備加速度放大系數明顯超過了規范要求。結構構件應力增長的主要原因是地震作用下結構上覆土體和電氣設備產生的慣性力。為此，需要采取相應的保護措施。

2.2 施工技術

施工技術包括深基坑工程、混凝土溫度裂縫及多層框架結構重型設備吊運方案等。

出于地下變電站結構及設備的特殊性，其基坑在設計、施工、監測等各個環節存在著不同于一般基坑的特征，因此需要專門的研究。北京地區和上海地區是我國地下變電站蓬勃發展的前沿陣地，擁有我國大部分地下變電站，且北京的硬土層與低地下水位和上海的軟土高水位地況也是我國大部分地區的典型代表，并形成鮮明的對比，因此不少學者的研究均基于京滬地區的地下變電站開展。

地下變電站基坑平面形狀多為矩形和圓形，形狀相對規則、開挖深度相對較大、平面尺寸相對較小、基坑防水防滲要求高，且基坑擋土結構水平變形控制嚴格。學者們以京滬地區地下變電站數據資料為基礎，對基坑總體方案設計、圍護結構設計、水平及豎向傳力體系設計、地基加固設計、基坑降水等方面對基坑的主要特征進行了總結。不同地區的地下變電站基坑應與本區域的地質條件、水文條件、環境條件等條件相對應，因此在地下變電站基坑方案設計時應多借鑒類似地區的建設方案以指導施工。

對于混凝土溫度裂縫的研究，白斯宇等通過對混凝土外加劑的研究防控混凝土早期溫度裂縫的產生。結合實際工程，運用軟件模擬地下變電站的施工過程，分析地下結構的墻體、樓板和地基底板中溫度裂縫主要發生的位置以及在整個施工過程中裂縫隨工況演變的規律，由此探討不同位置和不同發展程度的裂縫的具體的施工控制措施。

地下變電站作為重要的一種電力基礎設施，擁有如主變壓器等一系列大型電氣設備。在土建工程結束后，電氣安裝的過程對變電站主體結構，尤其是全地下變電站，有著不可忽視的影響，因此針對地下重型設備吊運方案的研究也是必要的。袁本根據地下多層框架結構力學特點，結合武漢徐東地下變電站的施工條件，選擇平板車運輸與軌道滑移法兩種方案。利用Midas/Civil軟件建立空間框架模型，進行運輸過程模擬分析，確定較優的吊運方案。

2.3 結構節能設計

對于地下變電站結構方面的節能設計研究較少。張肖峰等以處于夏熱冬暖深圳市的某110 kV地下變電站為基礎，通過軟件模擬得到了不同圍護結構工況下的通風、空調負荷指標，并對其熱工參數和空調負荷的影響進行了分析，對預測圍護結構節能性具有一定的參考價值。

3 地下變電站典型結構形式

3.1 結構選型影響因素

現階段不少地下變電站的主接線選擇、設備選型、電氣布置均已較為完善。但相對于地面變電站，在和土建相關的一些問題上、如防滲水、防洪、防火、通風取暖和大件運輸、運行安全等方面，還存在一些問題，選取合適的主體結構形式更是首要考慮的。

針對不同工程的實際情況，地下變電站的主體結構形式通常采用剪力墻結構、框架結構和框架-剪力墻結構。具體采用何種結構，需要根據特定的地下變電站綜合下列因素進行考慮：

（1）工程造價，包括主體結構以及由相應的基坑工程引起的附加造價。

（2）結構體系的受力合理性涵蓋兩個層面：結構層面和構件層面。如應具備抵抗豎向不均勻變形的能力，保持結構抗震穩定性的能力和控制構件的撓度、裂縫及軸壓比在合理范圍內的能力。

（3）工程場地的水文地質條件會影響到結構的整體性要求。當工程場地的土層條件較差、水文地質條件較復雜時，這種要求會增加。

此外，對某一個區域而言，本地的經濟發展水平及周邊環境的因素等也是地下變電站主體結構形式選擇時需充分考慮到的。

3.2 結構選型建議

具體項目應綜合考慮當地工程地質條件、水文條件、抗震設防烈度以及工程造價等因素，結合三類結構類型的特點，選擇適合的結構類型。

由于在地震中，框架結構的框架柱通常是最先破壞以及破壞程度最為嚴重的構件。因此剪力墻結構和框架-剪力墻結構的結構抗震性能明顯優于框架結構。在施工階段的抗浮能力方面，剪力墻結構、框架結構和框架-剪力墻結構都能夠滿足規范規定的最低抗浮要求。在結構整體性、地基最大沉降量以及差異沉降量等方面，剪力墻結構的表現最好，框架-剪力墻結構次之，框架結構整體性最差。工程造價方面，剪力墻結構造價明顯高于框架-剪力墻結構，框架-剪力墻結構高于框架結構。

上海地區總體上建議采用剪力墻結構，在土質較好或對結構有特殊要求的地方，應優先考慮使用框架-剪力墻結構。一般情況下，不宜采用框架結構。除非土層條件極好，出于節省造價的目的，可以考慮采用框架結構。同時剪力墻結構也僅推薦在特別重要的地下變電站中使用。對于北京地區來說，總體建議采用框架-剪力墻結構。

4 存在的問題與發展方向

4.1 存在的問題

雖然地下變電站較之獨地面變電站有著隱蔽性高、對周圍居民影響小等優勢，但也并存著以下問題。

（1）地下變電站的建設施工費用較高。相比地面變電站，地下變電站的施工規模更大，其涉及的通風、排水、防滲、消防等系統的設計安裝也更復雜，且還需要進行基坑開挖和支護工程。同時安裝地下變電設備需要開挖大截面運輸通道。因此地下變電站工程的總土方開挖量較大（包括地上和地下部分），土建費用通常是地面變電站的2～2.5倍，因此工程建設費用較高。此外，地下變電站的后期運行維護成本也大幅上升。

（2）運營安全風險高。在現有技術水平下，地下變電站的安全風險明顯高于地上變電站。首先，地下建筑的滲水和返潮屬于常見現象，因此運行條件通常比較惡劣，容易導致變電設備發生故障。其次，地下變電站的空氣流通性差，容易發生有毒氣體的積聚。此外，地下空間規模龐大復雜，其救援和逃生難度要遠大于地面變電站。同時近年來城市頻繁出現內澇，給地下變電站的安全運行造成了嚴重威脅。

（3）土地資源利用率較低。地下變電站需要布置大面積的通風系統和設備運輸通道，這導致在相同電氣規模下地下變電站的建筑總體量和實際用地指標遠超地上變電站。以上海為例，在等電壓規模下，地下變電站的用地面積比同地上變電站增加了35%～50%。從土地供應的角度來看，建設獨立地下變電站并不能體現其優勢。因此應當通過結合建設的方式實現土地分層使用，以充分發揮地下變電站節約用地的優勢。

4.2 發展方向

為使城市中心區的土地資源得到最大限度的開發和利用，將地下變電站與非居建筑相結合，將成為我國今后地下變電站的主要發展方向。結合建設是指通過貼建或合建方式將地下變電站與商業中心、寫字樓等公共建筑結合在一起，以實現一體化的規劃、設計和施工。然而，要推動地下變電站與非住宅建筑的合建，需要研發適用的專用電氣設備，同時對地下變電站與非住宅建筑結合建設的防火規范也亟須制定。

5 結論

隨著城市用電與用地矛盾等種種原因，地下變電站的發展勢不可擋。國內地下變電站的研究應用雖然較國際起步較晚，但發展迅速。地下變電站的抗震設計在考慮了自身特點的基礎上可適當參考已有的地鐵車站的抗震設計方法，但是地下變電站結構的動力特性及地震反應規律的研究也是推進相關抗震設計規范完善的必經之路。

關于地下變電站的典型結構選型問題，應參考具體工程場地水文地質條件、結構體系的受力合理性、工程造價等因素，在剪力墻結構、框架-剪力墻結構和框架結構中選擇。地下變電站在土建費用、運營安全風險及土地資源利用率等方面存在的不足，以及與非居建筑合建的發展趨勢所面臨的問題需要亟待解決的。