肖平成，譚志成，張涌泉，王家超

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102）

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程加快，新能源產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，市場(chǎng)日益成熟，電力需求持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致城市電力供需失衡趨勢(shì)明顯。尤其是在大城市核心區(qū)，供電負(fù)荷巨大、建筑密集、土地資源緊張，傳統(tǒng)地面變電站面臨一系列挑戰(zhàn)，如占地面積大、選址困難、環(huán)境影響等。經(jīng)過(guò)不斷摸索實(shí)踐，目前地下變電站已經(jīng)成為了緩解城市電力負(fù)荷與土地緊張矛盾的有效解決方案。我國(guó)越來(lái)越多的城市已經(jīng)建成或正在規(guī)劃地下變電站。

1 發(fā)展歷程及現(xiàn)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(yīng)用最早的國(guó)家，日本有著相當(dāng)豐富的經(jīng)驗(yàn)。東京在20世紀(jì)80年代建造的地下變電站多達(dá)130座，占當(dāng)時(shí)世界變電站總數(shù)的30%。除此之外，法國(guó)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(chǎng)地下變電站；澳大利亞于1998～2004年對(duì)悉尼的供電系統(tǒng)全面升級(jí)為地下變電站。

我國(guó)20世紀(jì)60年代開(kāi)始進(jìn)行地下變電站的發(fā)展建設(shè)，雖然起步略晚，但發(fā)展速度快。北京、上海作為中國(guó)發(fā)展最快的兩個(gè)城市，在地下變電站建設(shè)方面走在了前列。1969年，我國(guó)第一座地下變電站——北京東城35 kV戰(zhàn)備用地下變電站建成投運(yùn)，而上海在1987年建成了35 kV錦江變電站。在20世紀(jì)80年代，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展的黃金時(shí)期。在隨后的幾十年中，北京又陸續(xù)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(yùn)了目前國(guó)內(nèi)規(guī)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(guó)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(xù)建設(shè)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(guó)34個(gè)省級(jí)行政區(qū)域中建成有地下變電站的有18個(gè)。

2 地下變電站結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)

目前，我國(guó)有關(guān)地下變電站建設(shè)方面的研究主要集中于地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析和施工技術(shù)方面，少部分關(guān)于建筑節(jié)能設(shè)計(jì)。

2.1 地下變電站抗震設(shè)計(jì)及地震響應(yīng)分析

在地下變電站結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算中，主要從以下6個(gè)方面考慮地震的影響：①地震時(shí)地層發(fā)生變形的影響；②上覆土的影響，較嚴(yán)格的應(yīng)考慮上覆土豎直方向的慣性力；③地震時(shí)的土壓力的影響；④結(jié)構(gòu)自身的慣性力的影響；⑤液化效應(yīng)的影響；⑥水壓和浮力的影響。

地下變電站的抗震設(shè)計(jì)在一定程度上能參照現(xiàn)有的地鐵車站的抗震設(shè)計(jì)方法，但對(duì)于自身特點(diǎn)也必須有所考慮，如結(jié)構(gòu)開(kāi)孔、兩層側(cè)墻、開(kāi)挖施工工法等對(duì)結(jié)構(gòu)抗震有利及不利的影響。此外，在抗震設(shè)計(jì)計(jì)算的同時(shí)還必須充分發(fā)揮抗震構(gòu)造措施的作用以避免地下變電站由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備荷載大等特點(diǎn)引起的安全問(wèn)題。

地下變電站結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的響應(yīng)研究是進(jìn)一步完善相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的一大重點(diǎn)。文波、楊金熹等完成了一系列關(guān)于城市地下變電站結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部電氣設(shè)備的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)規(guī)律的研究。以西安市快速軌道交通二號(hào)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(guò)半空間自由場(chǎng)模型驗(yàn)證了地震動(dòng)輸入方法的有效性，然后對(duì)地下變電站系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力時(shí)程分析，得出了該類結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震響應(yīng)規(guī)律，從而建立了考慮土體-結(jié)構(gòu)-設(shè)備動(dòng)力相互作用的三維有限元計(jì)算模型。研究表明，在8級(jí)罕遇地震中，地下變電站內(nèi)的電氣設(shè)備加速度放大系數(shù)明顯超過(guò)了規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力增長(zhǎng)的主要原因是地震作用下結(jié)構(gòu)上覆土體和電氣設(shè)備產(chǎn)生的慣性力。為此，需要采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

2.2 施工技術(shù)

施工技術(shù)包括深基坑工程、混凝土溫度裂縫及多層框架結(jié)構(gòu)重型設(shè)備吊運(yùn)方案等。

出于地下變電站結(jié)構(gòu)及設(shè)備的特殊性，其基坑在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各個(gè)環(huán)節(jié)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(qū)和上海地區(qū)是我國(guó)地下變電站蓬勃發(fā)展的前沿陣地，擁有我國(guó)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(guó)大部分地區(qū)的典型代表，并形成鮮明的對(duì)比，因此不少學(xué)者的研究均基于京滬地區(qū)的地下變電站開(kāi)展。

地下變電站基坑平面形狀多為矩形和圓形，形狀相對(duì)規(guī)則、開(kāi)挖深度相對(duì)較大、平面尺寸相對(duì)較小、基坑防水防滲要求高，且基坑擋土結(jié)構(gòu)水平變形控制嚴(yán)格。學(xué)者們以京滬地區(qū)地下變電站數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，對(duì)基坑總體方案設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水平及豎向傳力體系設(shè)計(jì)、地基加固設(shè)計(jì)、基坑降水等方面對(duì)基坑的主要特征進(jìn)行了總結(jié)。不同地區(qū)的地下變電站基坑應(yīng)與本區(qū)域的地質(zhì)條件、水文條件、環(huán)境條件等條件相對(duì)應(yīng)，因此在地下變電站基坑方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多借鑒類似地區(qū)的建設(shè)方案以指導(dǎo)施工。

對(duì)于混凝土溫度裂縫的研究，白斯宇等通過(guò)對(duì)混凝土外加劑的研究防控混凝土早期溫度裂縫的產(chǎn)生。結(jié)合實(shí)際工程，運(yùn)用軟件模擬地下變電站的施工過(guò)程，分析地下結(jié)構(gòu)的墻體、樓板和地基底板中溫度裂縫主要發(fā)生的位置以及在整個(gè)施工過(guò)程中裂縫隨工況演變的規(guī)律，由此探討不同位置和不同發(fā)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(chǔ)設(shè)施，擁有如主變壓器等一系列大型電氣設(shè)備。在土建工程結(jié)束后，電氣安裝的過(guò)程對(duì)變電站主體結(jié)構(gòu)，尤其是全地下變電站，有著不可忽視的影響，因此針對(duì)地下重型設(shè)備吊運(yùn)方案的研究也是必要的。袁本根據(jù)地下多層框架結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)，結(jié)合武漢徐東地下變電站的施工條件，選擇平板車運(yùn)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(jìn)行運(yùn)輸過(guò)程模擬分析，確定較優(yōu)的吊運(yùn)方案。

2.3 結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)

對(duì)于地下變電站結(jié)構(gòu)方面的節(jié)能設(shè)計(jì)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(chǔ)，通過(guò)軟件模擬得到了不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)工況下的通風(fēng)、空調(diào)負(fù)荷指標(biāo)，并對(duì)其熱工參數(shù)和空調(diào)負(fù)荷的影響進(jìn)行了分析，對(duì)預(yù)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能性具有一定的參考價(jià)值。

3 地下變電站典型結(jié)構(gòu)形式

3.1 結(jié)構(gòu)選型影響因素

現(xiàn)階段不少地下變電站的主接線選擇、設(shè)備選型、電氣布置均已較為完善。但相對(duì)于地面變電站，在和土建相關(guān)的一些問(wèn)題上、如防滲水、防洪、防火、通風(fēng)取暖和大件運(yùn)輸、運(yùn)行安全等方面，還存在一些問(wèn)題，選取合適的主體結(jié)構(gòu)形式更是首要考慮的。

針對(duì)不同工程的實(shí)際情況，地下變電站的主體結(jié)構(gòu)形式通常采用剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。具體采用何種結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)特定的地下變電站綜合下列因素進(jìn)行考慮：

（1）工程造價(jià)，包括主體結(jié)構(gòu)以及由相應(yīng)的基坑工程引起的附加造價(jià)。

（2）結(jié)構(gòu)體系的受力合理性涵蓋兩個(gè)層面：結(jié)構(gòu)層面和構(gòu)件層面。如應(yīng)具備抵抗豎向不均勻變形的能力，保持結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性的能力和控制構(gòu)件的撓度、裂縫及軸壓比在合理范圍內(nèi)的能力。

（3）工程場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的整體性要求。當(dāng)工程場(chǎng)地的土層條件較差、水文地質(zhì)條件較復(fù)雜時(shí)，這種要求會(huì)增加。

此外，對(duì)某一個(gè)區(qū)域而言，本地的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及周邊環(huán)境的因素等也是地下變電站主體結(jié)構(gòu)形式選擇時(shí)需充分考慮到的。

3.2 結(jié)構(gòu)選型建議

具體項(xiàng)目應(yīng)綜合考慮當(dāng)?shù)毓こ痰刭|(zhì)條件、水文條件、抗震設(shè)防烈度以及工程造價(jià)等因素，結(jié)合三類結(jié)構(gòu)類型的特點(diǎn)，選擇適合的結(jié)構(gòu)類型。

由于在地震中，框架結(jié)構(gòu)的框架柱通常是最先破壞以及破壞程度最為嚴(yán)重的構(gòu)件。因此剪力墻結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗震性能明顯優(yōu)于框架結(jié)構(gòu)。在施工階段的抗浮能力方面，剪力墻結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和框架-剪力墻結(jié)構(gòu)都能夠滿足規(guī)范規(guī)定的最低抗浮要求。在結(jié)構(gòu)整體性、地基最大沉降量以及差異沉降量等方面，剪力墻結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)最好，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)次之，框架結(jié)構(gòu)整體性最差。工程造價(jià)方面，剪力墻結(jié)構(gòu)造價(jià)明顯高于框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高于框架結(jié)構(gòu)。

上海地區(qū)總體上建議采用剪力墻結(jié)構(gòu)，在土質(zhì)較好或?qū)Y(jié)構(gòu)有特殊要求的地方，應(yīng)優(yōu)先考慮使用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。一般情況下，不宜采用框架結(jié)構(gòu)。除非土層條件極好，出于節(jié)省造價(jià)的目的，可以考慮采用框架結(jié)構(gòu)。同時(shí)剪力墻結(jié)構(gòu)也僅推薦在特別重要的地下變電站中使用。對(duì)于北京地區(qū)來(lái)說(shuō)，總體建議采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

4 存在的問(wèn)題與發(fā)展方向

4.1 存在的問(wèn)題

雖然地下變電站較之獨(dú)地面變電站有著隱蔽性高、對(duì)周圍居民影響小等優(yōu)勢(shì)，但也并存著以下問(wèn)題。

（1）地下變電站的建設(shè)施工費(fèi)用較高。相比地面變電站，地下變電站的施工規(guī)模更大，其涉及的通風(fēng)、排水、防滲、消防等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝也更復(fù)雜，且還需要進(jìn)行基坑開(kāi)挖和支護(hù)工程。同時(shí)安裝地下變電設(shè)備需要開(kāi)挖大截面運(yùn)輸通道。因此地下變電站工程的總土方開(kāi)挖量較大（包括地上和地下部分），土建費(fèi)用通常是地面變電站的2～2.5倍，因此工程建設(shè)費(fèi)用較高。此外，地下變電站的后期運(yùn)行維護(hù)成本也大幅上升。

（2）運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)高。在現(xiàn)有技術(shù)水平下，地下變電站的安全風(fēng)險(xiǎn)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(jiàn)現(xiàn)象，因此運(yùn)行條件通常比較惡劣，容易導(dǎo)致變電設(shè)備發(fā)生故障。其次，地下變電站的空氣流通性差，容易發(fā)生有毒氣體的積聚。此外，地下空間規(guī)模龐大復(fù)雜，其救援和逃生難度要遠(yuǎn)大于地面變電站。同時(shí)近年來(lái)城市頻繁出現(xiàn)內(nèi)澇，給地下變電站的安全運(yùn)行造成了嚴(yán)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(fēng)系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)輸通道，這導(dǎo)致在相同電氣規(guī)模下地下變電站的建筑總體量和實(shí)際用地指標(biāo)遠(yuǎn)超地上變電站。以上海為例，在等電壓規(guī)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(yīng)的角度來(lái)看，建設(shè)獨(dú)立地下變電站并不能體現(xiàn)其優(yōu)勢(shì)。因此應(yīng)當(dāng)通過(guò)結(jié)合建設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)土地分層使用，以充分發(fā)揮地下變電站節(jié)約用地的優(yōu)勢(shì)。

4.2 發(fā)展方向

為使城市中心區(qū)的土地資源得到最大限度的開(kāi)發(fā)和利用，將地下變電站與非居建筑相結(jié)合，將成為我國(guó)今后地下變電站的主要發(fā)展方向。結(jié)合建設(shè)是指通過(guò)貼建或合建方式將地下變電站與商業(yè)中心、寫字樓等公共建筑結(jié)合在一起，以實(shí)現(xiàn)一體化的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工。然而，要推動(dòng)地下變電站與非住宅建筑的合建，需要研發(fā)適用的專用電氣設(shè)備，同時(shí)對(duì)地下變電站與非住宅建筑結(jié)合建設(shè)的防火規(guī)范也亟須制定。

5 結(jié)論

隨著城市用電與用地矛盾等種種原因，地下變電站的發(fā)展勢(shì)不可擋。國(guó)內(nèi)地下變電站的研究應(yīng)用雖然較國(guó)際起步較晚，但發(fā)展迅速。地下變電站的抗震設(shè)計(jì)在考慮了自身特點(diǎn)的基礎(chǔ)上可適當(dāng)參考已有的地鐵車站的抗震設(shè)計(jì)方法，但是地下變電站結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及地震反應(yīng)規(guī)律的研究也是推進(jìn)相關(guān)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范完善的必經(jīng)之路。

關(guān)于地下變電站的典型結(jié)構(gòu)選型問(wèn)題，應(yīng)參考具體工程場(chǎng)地水文地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)體系的受力合理性、工程造價(jià)等因素，在剪力墻結(jié)構(gòu)、框架-剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)中選擇。地下變電站在土建費(fèi)用、運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)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(fā)展趨勢(shì)所面臨的問(wèn)題需要亟待解決的。