既有變電站10 kV高壓室基礎(chǔ)托換技術(shù)

侯光榮

（佛山電力設(shè)計(jì)院有限公司 廣東佛山528200）

1 工程概述

某110 kV 戶內(nèi)變電站［1-2］于2014 年12 月建成投產(chǎn)，主體結(jié)構(gòu)和主變壓器基礎(chǔ)均采用預(yù)應(yīng)力管樁處理地基。而位于首層的10 kV高壓室和接地變室沒有采用樁基礎(chǔ)，僅在基礎(chǔ)下部設(shè)置了200 mm 厚的鋼筋混凝土底板，且與結(jié)構(gòu)主體脫開。

2015年10月發(fā)現(xiàn)10 kV 高壓室地面下沉，引起母線橋和母線穿墻套管變形，立即將母線穿墻套管兩端改為軟聯(lián)接，并通過(guò)調(diào)整母線橋吊桿長(zhǎng)度調(diào)平了母線橋，保證了變電站的正常運(yùn)行。同時(shí)業(yè)主委托了有資格的測(cè)量單位對(duì)結(jié)構(gòu)主體、變壓器室、10 kV 高壓室、接地變室進(jìn)行沉降觀測(cè)。經(jīng)過(guò)2015 年10 月～2017 年6月之間共8次測(cè)量，數(shù)據(jù)顯示結(jié)構(gòu)主體和變壓器室基本沒有沉降，而10 kV高壓室地面沉降整體呈鍋底形，中間沉降最大四周沉降較小，最大沉降達(dá)到80 mm，并且沉降沒有穩(wěn)定的趨勢(shì)，接地變室也有沉降，嚴(yán)重影響變電站的安全運(yùn)行，必須對(duì)10 kV 高壓室和接地變室進(jìn)行處理。

2 沉降原因分析

2.1 地質(zhì)條件

本變電站位于深圳市寶安區(qū)沙井鎮(zhèn)，地貌上屬于珠江三角洲平原腹部，地勢(shì)平坦開闊。場(chǎng)地原為魚塘，現(xiàn)被填平。經(jīng)鉆探揭露，場(chǎng)地地基由人工填土、第四紀(jì)海相沉積層、第四紀(jì)殘積層及震旦紀(jì)混合巖組成。各巖土層特征分述如下。

〈1〉素填土：分布于全場(chǎng)地，層厚2.7～3.5 m，為新近填土，未經(jīng)壓實(shí)。

〈2〉淤泥：分布于全場(chǎng)地，層厚3.6～6.3 m，土層呈深灰色，飽和，流塑。夾薄層粉砂，屬高壓縮性土層。

〈4〉粉質(zhì)粘土：分布于全場(chǎng)地，層厚4.2～11.9 m，飽和可塑。屬中壓縮性土層。

〈5〉殘積砂質(zhì)粘性土：分布于全場(chǎng)地，層厚2.0～5.8 m，飽和，可塑～硬塑。屬中壓縮性土層。

〈6〉全風(fēng)化基巖：分布于全場(chǎng)地，層厚3.1～11.0 m，巖芯連續(xù)完整，承載力特征值為330 kPa。

〈7〉強(qiáng)風(fēng)化基巖：分布于全場(chǎng)地，層厚1.3～8.9 m，巖芯連續(xù)完整，承載力特征值為550 kPa。

2.2 原因分析

新近填土分布于全場(chǎng)地，平均層厚3.15 m，未經(jīng)壓實(shí)，承受高壓室荷載后，必然會(huì)產(chǎn)生沉降。

淤泥分布于全場(chǎng)地，平均層厚4.95 m，飽和流塑，夾薄層粉砂，屬高壓縮性土層。在上部新填土自重和高壓室荷載作用下，會(huì)逐漸排水固結(jié)，豎向沒有排水通道，僅水平向薄層粉砂可以作為排水通道，根據(jù)軟土排水固結(jié)原理［3-6］，可以判定這種固結(jié)沉降是漫長(zhǎng)的，不會(huì)在短期內(nèi)完成。

綜合考慮以上2種因素就不難理解變電站投產(chǎn)近3 年時(shí)間10 kV 高壓室和接地變室沉降還沒有穩(wěn)定的原因了。

3 加固方法比選

高壓柜沉降是填土和淤泥引起的，在高壓室內(nèi)進(jìn)行加固處理，因受到層高的限制，只能利用預(yù)制小方樁或鋼花管樁穿過(guò)淤泥和填土層，直接支承在巖層上，再利用水平鋼梁將高壓柜托起，才可徹底解決沉降問(wèn)題。

預(yù)制小方樁常用截面為200 mm×200 mm、250 mm×250 mm、300 mm×300 mm，經(jīng)計(jì)算3 種截面所對(duì)應(yīng)的單樁承載力特征值分別為370 kN、500 kN、640 kN，若壓樁力取為單樁承載力特征值的1.5 倍，則最小的壓樁反力為555 kN，雖然本站高壓室下面有200 mm 厚鋼筋混凝土底板，但在局部承受555 kN的集中力會(huì)使底板變形較大，甚至?xí)植刻鸹炷恋装?，影響高壓柜的正常運(yùn)行，且樁自重也較大，不便于人工搬運(yùn)。

靜壓鋼花管樁是從樹根樁［6］演變而來(lái)的一種地基加固托換技術(shù)，經(jīng)改進(jìn)，直接用鋼管代替鋼筋籠和套管，并借鑒錨桿靜壓樁的原理和方法，將鋼管壓入土中不需拔出，同時(shí)在鋼管壁上梅花型開孔，然后向鋼管內(nèi)填灌碎石并高壓注漿，使水泥漿液不但能夠充滿碎石空隙，而且能夠通過(guò)鋼管壁上的梅花型孔進(jìn)入周圍土層，將原狀土加固，同時(shí)增大鋼花管樁周圍的摩阻力，該處理法即能夠起到靜壓注漿法［7］的作用，且使灌漿的質(zhì)量更便于控制，同時(shí)也起到錨桿靜壓小方樁的作用，且壓樁力是錨桿靜壓混凝土小方樁的50%左右，施工過(guò)程中對(duì)帶電設(shè)備產(chǎn)生擾動(dòng)小，可將施工對(duì)帶電設(shè)備的影響降到最低，同時(shí)其自重輕，便于人工搬用。

綜合比較2 種樁的優(yōu)缺點(diǎn)，決定采用錨桿靜壓鋼花管樁托換高壓柜。

4 10 kV高壓柜托換

4.1 鋼花管樁布置

由于10 kV 高壓室的跨度為10.8 m，為了減小鋼梁的截面高度，需在跨度中間位置增加一排鋼花管樁，鋼花管樁直徑φ 160 mm，每節(jié)長(zhǎng)度2.0 m，平均樁長(zhǎng)18.0 m，以全風(fēng)化巖為持力層，單樁承載力特征值為220 kN。經(jīng)綜合考慮高壓柜自重、排列方式、控制鋼梁截面高度等因素，共需布置φ 160 mm 鋼花管樁10根（見圖1）。

4.2 鋼花管樁施工

錨桿靜壓鋼花管樁是一種將錨桿和靜力壓樁結(jié)合而形成的施工方法，具體施工過(guò)程如下：

⑴鋼花管樁施工時(shí)高壓室不用停電，但需用2.5 m高度的木板封閉高壓柜，并安排專人對(duì)高壓柜等設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。

圖1 新增樁布置Fig.1 Layout of New Piles

⑵ 在原200 mm 厚度的鋼筋混凝土底板上鉆φ 200 mm 的壓樁孔和4 個(gè)φ 30 mm 錨桿孔，再用粘接劑錨固種植錨桿［8］。

⑶將反力架安裝在錨桿上，用千斤頂將樁逐段壓入土中，每節(jié)之間必須焊接牢固。

⑷在鋼花管內(nèi)先放入φ 50 mm鋼管，要求插到底后再灌滿碎石。

⑸通過(guò)φ 50 mm鋼管高壓灌注水泥漿，直至管口有水泥漿液返出為止。

⑹在鋼管外側(cè)均勻焊接6根錨筋，澆筑新承臺(tái)并預(yù)埋鋼板準(zhǔn)備與鋼梁連接。

4.3 鋼托換梁的布置

利用新樁承臺(tái)和主體結(jié)構(gòu)的原有樁承臺(tái)作為支點(diǎn)，架設(shè)一級(jí)托換鋼梁，再利用一級(jí)托換鋼梁支承二級(jí)鋼梁，二級(jí)鋼梁支承三級(jí)鋼梁，完成高壓柜的托換。鋼托換梁的布置如圖2 所示，其中GL-A～D 為一級(jí)鋼梁，GL-E為二級(jí)鋼梁，10號(hào)槽鋼為三級(jí)鋼梁（圖略）。

圖2 鋼梁布置Fig.2 Layout of Steel Beam

4.4 鋼托換梁的安裝

同鋼花管樁施工一樣，一、二級(jí)鋼托換梁的安裝也不用停電，但仍需用2.5 m 高度的木板封閉高壓柜，并安排專人對(duì)高壓柜等設(shè)備進(jìn)行全程監(jiān)視。

從圖2 可以看出，高壓室下邊和右邊相鄰站內(nèi)道路，為了保證絕對(duì)安全，必須在相鄰道路兩側(cè)的磚墻上一、二級(jí)鋼梁對(duì)應(yīng)的位置對(duì)應(yīng)的高程開洞，將所有鋼梁從地面以下逐段運(yùn)到室內(nèi)再拼裝［9-10］。

具體安裝過(guò)程如下：

⑴對(duì)照一、二級(jí)鋼梁的設(shè)計(jì)位置和高程，在高壓室外墻和室內(nèi)電纜溝壁上鑿洞（見圖3）。

⑵按照一、二級(jí)鋼梁的設(shè)計(jì)位置和高程，在室外地面開挖溝槽，長(zhǎng)度約6.0 m，深度約0.6 m。

⑶鋼梁分段制作并熱鍍鋅，長(zhǎng)度控制在6.0 m內(nèi)。

圖3 鋼梁穿墻示意圖Fig.3 Schematic Diagram of Steel Beam through Wall（mm）

⑷首先就位一級(jí)鋼梁GL-A～D，按設(shè)計(jì)要求全部采用螺栓連接好，并用砂漿封堵相應(yīng)磚墻上的洞口和縫隙。

⑸其次就位二級(jí)鋼梁GL-E，并用螺栓與一級(jí)鋼梁連接，并用砂漿封堵相應(yīng)磚墻上的洞口和縫隙。

⑹最后就位三級(jí)鋼梁，三級(jí)鋼梁安裝時(shí)必須分段停電施工，并做好安全措施。

5 高壓室電纜溝托換

通過(guò)鋼梁托換后，雖然保證了高壓柜的正常運(yùn)行，減小了作用在地基上的荷載，但電纜溝仍處于軟基上，仍會(huì)產(chǎn)生沉降，使得電纜與高壓柜的接頭會(huì)被慢慢拉緊，將來(lái)也會(huì)影響高壓柜的正常運(yùn)行，所以高壓室電纜溝也必須進(jìn)行托換。

電纜溝底板以上的填土和電纜的平均荷載約為18 kPa，高壓室面積約為390 m2，所以初步估算大約需要布置38 根φ 140 mm 鋼花管樁，結(jié)合高壓室內(nèi)的設(shè)備和電纜溝的具體情況，實(shí)際布樁41根（見圖1）。

φ 140 mm鋼花管樁單樁承載力特征值為180 kN，施工過(guò)程完全同φ 160 mm鋼花管樁，但唯一不同的是要封樁。封樁前必須清除干凈壓樁孔內(nèi)的雜物和積水，用2φ 16 mm鋼筋交叉焊接于錨桿上，同時(shí)在原有鋼筋混凝土底板下100 mm 處沿樁頭雙向布置彎起鋼筋，再用C30 微膨脹早強(qiáng)混凝土澆注壓樁孔，在樁孔頂面以上澆注樁帽，厚度不得小于150 mm，才可保證鋼管樁與原有200 mm 鋼筋混凝土板連成整體，起到托換作用。

6 接地變基礎(chǔ)托換

接地變室地質(zhì)情況同高壓室，同樣道理，也采用φ 160 mm錨桿靜壓鋼花管樁進(jìn)行基礎(chǔ)托換。

首先在原設(shè)備基礎(chǔ)長(zhǎng)邊兩側(cè)植鋼筋，將原來(lái)3 個(gè)獨(dú)立的設(shè)備基礎(chǔ)連成整體（見圖4），并在新增鋼筋混凝土厚板下布置12根鋼花管樁，壓樁結(jié)束后也應(yīng)封樁（見第5節(jié)），才可將鋼管樁與500 mm厚新增鋼筋混凝土板連成整體，達(dá)到托換的目的。

圖4 接地變基礎(chǔ)托換Fig.4 Grounding Transformer Foundation Underpinning（mm）

7 結(jié)論

本變電站建成3年多后高壓柜和接地變基礎(chǔ)沉降不穩(wěn)定，主要原因是地基中的新填土自身沉降和淤泥固結(jié)沉降。

首先利用φ 160 mm鋼花管樁和鋼梁托換了高壓柜，然后再利用φ 140 mm鋼花管樁和原有200 mm 的鋼筋混凝土板托換電纜溝，最后對(duì)接地變基礎(chǔ)進(jìn)行托換，歷經(jīng)3個(gè)多月完成了全部托換工作。

在既有變電站中進(jìn)行基礎(chǔ)托換處理，不但要保證托換工程本身質(zhì)量，還要確保施工機(jī)具、人員與電氣設(shè)備的安全，增加了設(shè)計(jì)和施工難度。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、監(jiān)理人員的密切配合，基本在不停電的情況下順利完成了托換工程。本變電站托換處理完成已經(jīng)有3年多，再?zèng)]有出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，保證了變電站的安全運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期目的。