七都島地區(qū)電力隧道設(shè)計(jì)及電纜選型

周 靜

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325000）

七都島地區(qū)電力隧道設(shè)計(jì)及電纜選型

周 靜

（浙江浙能溫州發(fā)電有限公司，浙江 溫州 325000）

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力隧道在城市地下空間得到普遍應(yīng)用，研究和優(yōu)化電力隧道的設(shè)計(jì)，使電纜更加可靠地運(yùn)行，是電力隧道的重要問(wèn)題。結(jié)合電力隧道在溫州七都島的應(yīng)用，對(duì)該工程設(shè)計(jì)中的電纜載流量計(jì)算、淤泥地質(zhì)隧道施工工藝的選取、隧道內(nèi)電纜及其附件的選型和隧道附屬設(shè)施的配置等進(jìn)行了詳細(xì)分析，以期為電力隧道的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考。

電力隧道；電纜；頂管

0 引言

在國(guó)外大型城市的發(fā)展進(jìn)程中，以地下電纜方式取代傳統(tǒng)的架空線路已經(jīng)成為世界潮流。統(tǒng)計(jì)表明，在世界上的一些現(xiàn)代化都市，如柏林、東京、大阪、哥本哈根等，地下電纜的比例已經(jīng)超過(guò)70%。隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，如今城市規(guī)劃對(duì)功能性和美觀性的重視程度越來(lái)越高，城市上部空間留給架空線路的空間也越來(lái)越小，因此采用地下電纜來(lái)替代架空線路日益顯現(xiàn)出其必要性。從功能上看，采用地下電纜能夠避免架空線路對(duì)綠化樹木生長(zhǎng)高度的制約，不占據(jù)城市地面空間，且可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)輸送容量進(jìn)行調(diào)整，提高了供電的可靠性，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響也更小，不易受到氣候變化的影響。

我國(guó)很多城市在地下電纜隧道方面也已經(jīng)做了嘗試，但全國(guó)范圍內(nèi)大規(guī)模的應(yīng)用還未出現(xiàn)。上海在這個(gè)方面的嘗試較多也較早，已經(jīng)建成了比較有代表性的楊高中路、新江灣、西藏路等電力隧道，在2006年完工了總長(zhǎng)達(dá)17 km的世博站電力電纜隧道，并嘗試建立放射狀的電力電纜隧道網(wǎng)絡(luò)，這些電力電纜隧道在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)取得了很好的社會(huì)效益。

七都島地處溫州鹿城區(qū)北側(cè)，與濱江商務(wù)區(qū)隔江相望，現(xiàn)狀地塊上方的4回220 kV過(guò)島線路已經(jīng)嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)赝恋氐拈_發(fā)利用，而這4回線路是溫州電廠送出的主要線路，擔(dān)負(fù)著市區(qū)220 kV商務(wù)變電站和蒲州變電站負(fù)荷，根據(jù)系統(tǒng)的輸送容量及考慮市政景觀的要求，需采用電纜隧道敷設(shè)方式對(duì)這4回線路進(jìn)行電纜化改造。

1 電力隧道形式選擇

1.1 電力隧道結(jié)構(gòu)形式

電力隧道的結(jié)構(gòu)形式一般可分為3種：矩形隧道、圓形隧道、馬蹄形隧道。

（1）矩形隧道

矩形隧道一般采用明挖法施工，適用于各種不同地質(zhì)條件，施工工藝簡(jiǎn)單安全，技術(shù)成熟，質(zhì)量可靠，在區(qū)間隧道埋深較淺的條件下，工程土建成本較低。但城市中心區(qū)，地面交通繁忙，地下管線密集，施工范圍有建筑物的話，明挖法施工對(duì)城市生活，且造成的征地拆遷費(fèi)用較高。

（2）圓形隧道

圓形隧道一般采用頂管法或盾構(gòu)法施工，對(duì)地層適應(yīng)性強(qiáng)，在地下水位高的區(qū)域修建埋設(shè)深度較大的區(qū)間隧道，具有較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。但遇到上軟下硬地層、高強(qiáng)巖石地層、卵石層、孤石、刀盤結(jié)泥餅等情況時(shí)，會(huì)影響掘進(jìn)速度，因此對(duì)盾構(gòu)機(jī)的選型、刀盤配置要求比較高[6]。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮施工可實(shí)施性、工程措施費(fèi)用因素，隧道采用小直徑（直徑3～4 m）圓形斷面時(shí)，若區(qū)間長(zhǎng)度大于1.2 km采用盾構(gòu)法較經(jīng)濟(jì)，若區(qū)間長(zhǎng)度小于1.2 km采用頂管法較經(jīng)濟(jì)。因此，對(duì)于圓形隧道僅以頂管法與其他工法做比選。

（3）馬蹄形隧道

馬蹄形隧道一般采用礦山法施工，局部地區(qū)也可設(shè)計(jì)成圓形斷面。近年來(lái)，隨著淺埋暗挖工法的不斷進(jìn)步及創(chuàng)新，該工法已可適應(yīng)各類軟硬地層及不同隧道變化斷面，具有較好的適應(yīng)性和靈活性。但施工作業(yè)環(huán)境較差，且要求開挖面土體具有相當(dāng)?shù)淖粤⑿院头€(wěn)定性。

各種工法的特點(diǎn)詳見表1。考慮到七都島整體地質(zhì)情況為淤泥，淤泥層厚度在30～40 m，且施工場(chǎng)地周邊已有房開地塊在施工，若采用明挖法進(jìn)行隧道施工，樁基支護(hù)費(fèi)用昂貴，整體建安費(fèi)用高于隧道頂管。綜合考慮上述因素，除七都變電站外圍采用矩形隧道外，七都島隧道其余部分均考慮采用頂管圓形隧道。

1.2 頂管工藝簡(jiǎn)介

土壓平衡式頂管是在頂進(jìn)過(guò)程中，利用螺旋輸送機(jī)排土和土倉(cāng)內(nèi)的壓力來(lái)平衡土壓力和地下水壓力。與泥水式頂管施工相比，土壓平衡式頂管最大優(yōu)點(diǎn)是排出的土或泥漿一般都不需要再次進(jìn)行泥水分離等二次處理。由于工程施工場(chǎng)地有限，單獨(dú)設(shè)置泥漿處理池需增加臨時(shí)借地費(fèi)用，因此該工程推薦采用土壓平衡式頂管。采用土壓平衡式頂管掘進(jìn)機(jī)施工有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）能適用的土質(zhì)范圍廣。從N值（土的密實(shí)程度）為0的軟粘土到N值為50的砂礫土都能適用，是全土質(zhì)的頂管掘進(jìn)機(jī)。

（2）施工時(shí)的覆土很淺，最淺可縮小到0.8倍的頂管外徑，而手掘式頂管覆土太淺地面容易造成施工面上部土層塌陷，泥水和氣壓式覆土太淺容易造成施工面上部土層拱起或者跑氣。

表1 工法比較表

（3）能保持挖掘面的穩(wěn)定，地面變形小。（4）棄土的運(yùn)輸和處理方便、簡(jiǎn)單。

1.3 頂管法的結(jié)構(gòu)方案

頂管法是比較成熟的地下管道施工方法，它不需要開挖管道頂部的土層，并且能夠穿越公路、鐵路、地面建筑物、地下構(gòu)筑物以及各種管線等。頂管法施工修建地下管道已有一百多年的歷史，國(guó)內(nèi)亦有許多寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。近幾年，隨著工程實(shí)踐的增多和頂管設(shè)計(jì)施工技術(shù)水平的提高，大直徑長(zhǎng)距離頂管設(shè)計(jì)施工中的諸如工具管設(shè)計(jì)、中繼接力設(shè)計(jì)、頂進(jìn)導(dǎo)向的控制、正面塌方的控制、管節(jié)制作、防水措施等難點(diǎn)，都已得到解決。

1.3.1 管節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工程根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求和環(huán)境條件的限制，分多段區(qū)間施工。根據(jù)電纜布置及排管工藝要求，采用3 000 mm內(nèi)徑的鋼筋混凝土管節(jié)，壁厚270 mm，砼強(qiáng)度等級(jí)為C50，抗?jié)B等級(jí)為P10。

工程管道平面線型為直線型和曲線型相結(jié)合，設(shè)計(jì)考慮標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)長(zhǎng)度為2.5 m，采用“F”型鋼套環(huán)的承插式接口。在管節(jié)與管節(jié)接縫處采用松木襯墊以利內(nèi)力傳遞，內(nèi)、外弧面均設(shè)置密封墊槽。

由于工程工井設(shè)置間距較大，頂管頂進(jìn)的距離較長(zhǎng)，管壁四周土體的摩阻力和迎面阻力很大，主油缸的頂力不足，施工難度大，所以設(shè)計(jì)管道分段。除標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)和中繼環(huán)外，還分別設(shè)計(jì)了中繼環(huán)前后節(jié)、進(jìn)洞管節(jié)、出洞管節(jié)等。為適應(yīng)管道與工作井之間不均勻沉降和抗震設(shè)防的需要，以及適應(yīng)沿線其他地下建構(gòu)筑物對(duì)管道造成的圓環(huán)附加內(nèi)力和縱向不均勻沉降，設(shè)計(jì)了能適應(yīng)一定變形的柔性接頭，同時(shí)對(duì)管底土體進(jìn)行注漿加固處理。另外，對(duì)穿越較近建筑物區(qū)段，還需采取二次注漿等加固措施。

1.3.2 管道結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析

管道結(jié)構(gòu)縱向按彈性地基梁的方法分析，橫斷面按勻質(zhì)圓環(huán)計(jì)算，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)分別按施工階段、使用階段各種不同工況進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形采用結(jié)構(gòu)通用程序計(jì)算。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，分別就施工階段、正常運(yùn)行階段可能出現(xiàn)的最不利荷載組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和裂縫寬度驗(yàn)算。但特殊荷載階段每次僅對(duì)一種特殊荷載進(jìn)行組合，并考慮材料強(qiáng)度綜合調(diào)整系數(shù)（不需驗(yàn)算裂縫寬度）。

2 電纜選型

2.1 電纜載流量計(jì)算

電纜的結(jié)構(gòu)尺寸、各部分材料的性能及敷設(shè)條件等因素都會(huì)影響電纜的載流量[3]。以下結(jié)合該工程220 kV電力電纜、110 kV電力電纜布置情況，對(duì)電纜的載流量進(jìn)行計(jì)算分析。

220 kV電力電纜溝道敷設(shè)方式下電纜載流量計(jì)算公式如下：

式中：I為載流量；Δθ為導(dǎo)體溫度與環(huán)境溫度之差；θ0為電纜溝道內(nèi)溫升；R為90℃時(shí)導(dǎo)體交流電阻；n為電纜中載流導(dǎo)體數(shù)量；Wd為絕緣介質(zhì)損耗；λ1為護(hù)套和屏蔽損耗因數(shù)；λ2為金屬鎧裝損耗因數(shù)；T1為導(dǎo)體與金屬護(hù)套間絕緣層熱阻；T2為金屬護(hù)套與鎧裝層之間內(nèi)襯層熱阻；T3為電纜外護(hù)層熱阻；T4為電纜表面與周圍媒介之間熱阻。

電纜載流量計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同溝道敷設(shè)方式下YJLW03電纜載流量A

另外，浙江省電力公司《導(dǎo)線電纜載流量參考手冊(cè)》給出了220 kV電力隧道敷設(shè)載流量，詳見表3。

2.2 電纜截面選擇

根據(jù)潮流計(jì)算得出的系統(tǒng)輸送要求，該工程220 kV溫蒲/州蒲雙回線每回線輸送容量為66.9萬(wàn)kW，折合極限載流量按1 950 A考慮；該工程4回線路按同一設(shè)計(jì)水平設(shè)計(jì)，即按最大負(fù)荷及極限載流量考慮。

根據(jù)上節(jié)計(jì)算列表分析：220 kV電纜在參考浙江省電力公司提供的載流量基礎(chǔ)上適當(dāng)放大修正，4回線路均選用2 500 mm2XLPE（交聯(lián)聚乙烯）電纜，采用隧道敷設(shè)方式，電纜水平敷設(shè)，間距200 mm，載流量滿足系統(tǒng)要求。

表3 不同溝道敷設(shè)方式下YJLW03電纜載流量A

2.3 電纜結(jié)構(gòu)選擇

2.3.1 線芯導(dǎo)體

電纜線芯數(shù)量為單芯，要求為五分割導(dǎo)體。

高壓電纜的導(dǎo)體常見有銅和鋁2種材料，鋁的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在價(jià)格和成本上，而銅芯材料優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在電氣和機(jī)械性能上。銅芯電纜相較鋁芯電纜的主要優(yōu)勢(shì)在于：

（1）電纜載流量大：由于銅的電阻率比鋁低，因此相同截面的銅芯電纜要比鋁芯電纜載流量高30%左右。

（2）損耗低：由于銅的電阻率低，發(fā)熱量小，提高了輸電效率。

（3）壓降低：在相同截面流過(guò)相同電流的情況下，銅芯電纜壓降小，因此，同樣的輸電距離，銅芯電纜電壓質(zhì)量高。

（4）耐腐蝕，抗氧化性強(qiáng)：銅的化學(xué)穩(wěn)定性比鋁高，耐腐蝕性強(qiáng)，經(jīng)久耐用。

（5）施工方便：由于銅芯的彎度半徑小，所以電纜敷設(shè)更容易轉(zhuǎn)彎；而且銅芯的機(jī)械強(qiáng)度高，能承受較大的機(jī)械拉力，為機(jī)械化敷設(shè)提供了條件。

雖然鋁芯電纜在價(jià)格上有優(yōu)勢(shì)，但220 kV高壓電纜尚無(wú)相應(yīng)規(guī)格的成熟產(chǎn)品，因此，設(shè)計(jì)建議采用銅芯電纜。

2.3.2 絕緣型式

目前，國(guó)內(nèi)使用的高壓電力電纜主要有：采用油紙絕緣的自容式充油電纜（簡(jiǎn)稱充油電纜）和采用XLPE電纜。

XLPE電纜是固態(tài)絕緣電纜，采用聚乙烯樹脂絕緣用輻照或化學(xué)方法進(jìn)行交聯(lián)處理，使其分子結(jié)構(gòu)由線型變?yōu)榫W(wǎng)狀立體，從而改善了材料在高溫下的電氣性能和機(jī)械性能，可廣泛應(yīng)用于10 kV及以上電壓等級(jí)的輸配電線路。XLPE電纜具有以下優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)越的電氣性能；良好的耐熱性和機(jī)械性能，聚乙烯樹脂經(jīng)交聯(lián)工藝處理后，大大提高了耐熱性和機(jī)械性能；由于XLPE電纜是干式絕緣結(jié)構(gòu)，無(wú)需敷設(shè)供油設(shè)備，給敷設(shè)和施工帶來(lái)很大的便利；接頭和終端頭基本采用預(yù)制成型附件，安裝安裝時(shí)間較短。因此，設(shè)計(jì)建議采用XLPE電纜。

2.3.3 金屬護(hù)套

金屬護(hù)套有隔水作用，金屬護(hù)套是電纜的徑向防水層，對(duì)于XLPE電纜，可防止XLPE絕緣接觸到水分進(jìn)而產(chǎn)生水樹枝；另外，金屬護(hù)套還可作為故障時(shí)零序短路電流的通道。

從目前國(guó)際上對(duì)高壓電纜的應(yīng)用來(lái)看，歐洲主要采用鉛套和綜合護(hù)套，而在亞洲特別是日本，電纜基本采用波紋鋁護(hù)套，國(guó)內(nèi)交聯(lián)電纜也基本采用波紋鋁護(hù)套，國(guó)內(nèi)電纜廠家生產(chǎn)的電纜也以波紋鋁護(hù)套為主，設(shè)計(jì)建議采用波紋鋁護(hù)套。

2.3.4 外護(hù)套

該工程中因電力隧道內(nèi)各回路之間無(wú)法進(jìn)行有效隔斷，因此對(duì)電纜本身的防火要求較高。

在GB/T 18890.1-2015《額定電壓220 kV（Um=252 kV）交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜及附件》中，XLPE電纜外護(hù)套材料有PVC（聚氯乙烯）和PE（聚乙烯）2種。由于PE外護(hù)套阻燃效果差，GB/T 2952-2008《電纜外護(hù)套》不推薦其在隧道中使用。該工程若采用規(guī)程規(guī)范推薦的PVC外護(hù)套，由于普通PVC材料在火災(zāi)中會(huì)產(chǎn)生大量有毒的鹵化氫氣體，對(duì)隧道內(nèi)設(shè)施產(chǎn)生腐蝕，并對(duì)消防員生命帶來(lái)危害。隨著新材料不斷改進(jìn)，帶阻燃效果的PE材料也已經(jīng)在工程中大量應(yīng)用，且已有無(wú)鹵低煙阻燃的PE，該工程推薦采用無(wú)鹵低煙阻燃PE外護(hù)套，厚度按照國(guó)標(biāo)要求為5 mm。

2.3.5 線芯截面選擇

線芯截面選擇的基本要求包括：

（1）最大工作電流作用下的電纜線芯溫度不得超過(guò)規(guī)定的允許值。XLPE電纜連續(xù)運(yùn)行時(shí)線芯最高額定溫度為90℃，短時(shí)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)線芯溫度不能超過(guò)105℃。

（2）最大短路電流作用時(shí)間產(chǎn)生的熱效應(yīng)不應(yīng)損壞電纜并影響其繼續(xù)使用。按短路電流作用下線芯溫度不應(yīng)超過(guò)允許值，XLPE電纜線芯最高允許溫度為250℃。

（3）當(dāng)線路有電壓降要求時(shí)，應(yīng)不超過(guò)允許值。

在滿足上述要求的前提下，宜按經(jīng)濟(jì)電流密度選擇線芯截面。根據(jù)載流量分析，2 000 mm2截面220 kV銅芯電纜按4回路隧道敷設(shè)時(shí)額定載流量約1 832 A（電纜導(dǎo)體工作溫度90℃，金屬套一點(diǎn)接地或交叉互聯(lián)，隧道中敷設(shè)空氣溫度40℃），滿足系統(tǒng)要求的1 579 A。

線芯短路熱穩(wěn)定驗(yàn)算：2 000 mm2截面銅芯電纜的容許三相短路電流為208 kA（3 s），遠(yuǎn)大于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供的三相短路電流32 kA，而且此計(jì)算不考慮短路時(shí)線芯向外界的散熱，如果按IEC 949-1988《考慮非絕熱效應(yīng)的允許短路電流計(jì)算》的規(guī)定，該截面電纜的允許短路電流還可以增加，因此電纜短路熱穩(wěn)定能滿足安全運(yùn)行要求。

綜上所述，該工程采用銅芯XLPE絕緣波紋鋁套無(wú)鹵低煙阻燃PE外護(hù)套電力電纜，所選電纜的型號(hào)為YJLW03-127/220-1×2500。

3 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工程線路的載流量計(jì)算，對(duì)電力隧道各種結(jié)構(gòu)形式和施工工藝進(jìn)行比選，最終得出了七都島地區(qū)電力隧道基本上采用頂管圓形隧道的施工工藝，并采用土壓平衡式頂管機(jī)進(jìn)行頂進(jìn)。對(duì)電力隧道內(nèi)的電纜選型進(jìn)行了論述，確定選擇YJLW03-127/220-1×2500型電纜。

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Electric Power Tunnel Design and Cable Selection in Qidu Island

ZHOU Jing

（Zheneng Wenzhou Electric Power Generation Co.， Ltd.， Wenzhou Zhejiang 325000， China）

With the development of economy and society，underground power tunnels in cities have been widely used.It is a key issue to study and optimize power tunnels design to enhance cable operation reliability.In accordance to the application of power tunnel in Qidu Island in Wenzhou，the paper analyzes cable ampacity calculation in engineering design， the construction technology selection of mucky soil tunnel， the selection of the cables and accessories in the tunnel and the arrangement of the tunnel auxiliary facilities to provide reference to the further promotion of power tunnel.

electric power tunnel；cable； pipe jacking

10.19585/j.zjdl.201709011

1007-1881（2017）09-0052-05

TM726.4

B

2017-07-12

周 靜（1985），女，助理工程師，從事電力電纜設(shè)計(jì)工作。

（本文編輯：方明霞）