城市軌道交通裝配式車站綜合接地系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

芮學(xué)寶

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津 300250）

0 引言

目前，城市化建設(shè)速度不斷加快，軌道交通同樣也取得了迅速發(fā)展，由于軌道交通車站內(nèi)部具有大量的強(qiáng)電和弱電設(shè)施，而這些機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中必須要符合安全接地的要求，所以需要在整個(gè)車站的底板土層設(shè)置綜合接地網(wǎng)。接地系統(tǒng)的構(gòu)成主要包括自然接地和人工接地網(wǎng)2個(gè)部分。在裝配式站，其裝配段不能引出自然接地極，人工接地極穿過結(jié)構(gòu)裝配管也比傳統(tǒng)站難度大。因此，該文還專門針對(duì)裝配式地鐵車站的接地系統(tǒng)進(jìn)行全面設(shè)計(jì)。

1 一般綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

接地網(wǎng)絡(luò)是任何設(shè)施穩(wěn)定運(yùn)作的必要前提，在地鐵設(shè)計(jì)的國(guó)家規(guī)范要求當(dāng)中，對(duì)各項(xiàng)電器設(shè)備的接地方面提出了明確指示。

地下車站的人工接地網(wǎng)絡(luò)一般所處的位置是在最底層的回填土中，其包括垂直、水平接地極以及接地引出裝置這3個(gè)部分，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。另外，還需要考慮具體的埋藏深度，不同深度下的土壤電阻率也有一定的差別，一般來說，至少應(yīng)該將其鋪設(shè)在結(jié)構(gòu)底板的0.8 m以下的位置。另外，在軌道交通的地下車站內(nèi)，結(jié)構(gòu)底板應(yīng)該埋藏在20 m以下這部分區(qū)域。如果在部分城市巖層較淺，針對(duì)這樣的情況，可以適當(dāng)減少其埋藏深度，這樣可以降低整個(gè)工程的工作量。

水平接地極采用的材料往往是規(guī)格為5 mm×50 mm的紫銅帶。所處的位置在變電站正下方，紫銅帶在邊緣區(qū)域應(yīng)該封閉為圓角矩形，垂直部分接地極同樣也采用相同規(guī)格的材料，兩者相交接的地方應(yīng)該進(jìn)行焊接。

而接地絕緣引出裝置往往采用的是無磁鋼管，鋼管上還應(yīng)該有扁銅，它與鋼管之間的連接應(yīng)該運(yùn)用硅橡膠，另外還要加入止水環(huán)，并將其保溫并固定，將其鑲嵌在整個(gè)底板上。在施工過程中，最為關(guān)鍵的是要保證引出裝置可以和結(jié)構(gòu)鋼筋實(shí)現(xiàn)絕緣，并防范滲水現(xiàn)象的發(fā)生。另外引出裝置所處的位置需要加設(shè)站臺(tái)夾層，電纜不能設(shè)置在樁基附近。一般來說，總的引出極可以為4組，也可以為2組，4組的情況具體可以參考圖1中的P1～P3，而2組的情況則為P4～P6。強(qiáng)弱電之間的接地引出極間距應(yīng)該保持在20 m以上。

2 綜合接地系統(tǒng)接地電阻值的確定

2.1 總接地電阻

針對(duì)電阻來說，目前許多國(guó)家都要求城市軌道交通地下車站總的接地電阻要小于0.5 Ω，這項(xiàng)數(shù)值的確定并沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，大部分是根據(jù)實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)得出的，另外也有部分學(xué)者提出，在弱電類設(shè)備系統(tǒng)當(dāng)中，除了做好電纜屏蔽之外，還要給精密的集成電路提供參考電機(jī)極，所以最終將接地電阻大小確定為0.5 Ω[1]。

針對(duì)其他的特殊情況來說，在實(shí)際計(jì)算公式過程中，應(yīng)該結(jié)合以下公式，如公式（1）所示。

式中：R為季節(jié)變化的最大接地電阻，Ω；IG為計(jì)算用經(jīng)接地網(wǎng)入地的最大接地故障部隊(duì)稱電流有效值，A。

圖1 人工接地網(wǎng)示意圖

對(duì)于弱電設(shè)備來說，在參考電位接地方面并不需要考慮防雷效果，而需要考慮高頻電流接地。該系統(tǒng)的接地效果主要取決于對(duì)應(yīng)頻段的阻抗，因此公平電阻值在此時(shí)的作用并不明顯，即使它達(dá)到了規(guī)定0.5 Ω的接地電阻，也有可能導(dǎo)致該設(shè)備并不能正常運(yùn)作。對(duì)于弱電設(shè)備的接地來說，更應(yīng)該對(duì)其阻抗進(jìn)行合理地選擇，運(yùn)用接地電纜來實(shí)現(xiàn)接地。

綜上所述，在整個(gè)接地系統(tǒng)內(nèi)，將接地電阻規(guī)定為0.5 Ω并不是強(qiáng)制性的1項(xiàng)規(guī)定，所以在工程建設(shè)中也沒有必要為了這0.5 Ω而大大增加整體的工程造價(jià)，提升工程的建設(shè)難度。

2.2 人工接地網(wǎng)的接地電阻計(jì)算

對(duì)于水平接地網(wǎng)來說，采用的材料規(guī)格為50 mm×5 mm的紫銅排管，所處的位置是該變電站的下方位置，在電阻方面具體計(jì)算可以結(jié)合公式（2）完成[4]。

為了便于計(jì)算，令

可得

而符合接地極的形狀系數(shù)

式中：Rn為任意形狀邊緣閉合接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；Re為等值方形接地網(wǎng)的接地電阻，Ω；S為接地網(wǎng)總面積，m2；d為水平接地極的等效直徑，m；h為水平接地極的埋設(shè)深度，m；L0為接地網(wǎng)的外緣邊線長(zhǎng)度，m；L為水平接地極的總長(zhǎng)度，m；ρ為土壤電阻率；B為方形接地網(wǎng)形狀系統(tǒng)。

3 裝配式車站介紹

3.1 裝配式車站主體結(jié)構(gòu)基本概況

目前我國(guó)城市軌道交通發(fā)展得較為迅速，提升速度的關(guān)鍵是預(yù)制技術(shù)，在綜合軌道交通建設(shè)過程中，預(yù)制技術(shù)應(yīng)用得越廣，相應(yīng)的建設(shè)速度也會(huì)更快，也體現(xiàn)了更高的技術(shù)水平[2]。未來部件的預(yù)制化必然也是工廠的主要發(fā)展趨勢(shì)，這項(xiàng)技術(shù)不僅能夠幫助改善整個(gè)工程的質(zhì)量，同樣也可以使工期以及成本得到更好的控制，另外，這對(duì)于改善地下工程的施工環(huán)境來說也具有突出貢獻(xiàn)。

具體的裝配式車站結(jié)構(gòu)可以參考圖2，這個(gè)結(jié)構(gòu)具體包括了ABCD 4種不同的構(gòu)件，每一個(gè)構(gòu)件兩者之間是借助于螺紋鋼實(shí)現(xiàn)連接。中板主要運(yùn)用現(xiàn)淋結(jié)構(gòu)制作而成。在完成拼裝之后再實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆，最后運(yùn)用交圈梁連接而成，頂上的部分需要覆蓋土壤，厚度為4 m～5 m。

3.2 裝配式車站施工流程

當(dāng)完成了基坑的挖掘工程之后，為了進(jìn)一步減少構(gòu)件拼裝過程存在的誤差，首先必須要完成基底精平條帶的施工，接下來再拼裝2個(gè)A塊，然后在左右兩邊分別拼裝B塊，最后再完成C和D這2個(gè)部分的拼裝。

3.3 裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在的問題

就接地方面來說，裝配式車站和一般車站兩者相比，其特殊的地方主要包括以下2個(gè)方面[3]：1） 由于裝配式車站的裝配段為預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)，所以車站的綜合接地引上極在裝配段操作起來較為困難。如果在拼裝管片上預(yù)留引上孔，孔洞的現(xiàn)場(chǎng)封堵和防水問題很難處理。2） 裝配段的結(jié)構(gòu)缺乏自然的接地體。

3.4 裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

裝配式車站綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：1） 應(yīng)該在整體的結(jié)構(gòu)底板0.8 m以下這部分設(shè)置水平、垂直接地體。2） 要在主體結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆段這個(gè)區(qū)域內(nèi)將接地引上線引出，如果現(xiàn)澆段強(qiáng)、弱引出極距離不能滿足20 m的間距，可在裝配段下部的水平接地體取點(diǎn)，然后焊接銅排至現(xiàn)澆段再引上至站臺(tái)板下。只要在水平導(dǎo)體路徑上強(qiáng)、弱電引出極保證20 m間距即可（如圖3中的 P4、P5、P6引上點(diǎn)）。3）根據(jù)現(xiàn)有工程的實(shí)際情況，有部分工程裝配式車站不設(shè)置自然接地體，主要為了防止防止雜散電流對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。從人身安全的角度考慮，結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)用綜合接地網(wǎng)進(jìn)行等電位連接，而結(jié)構(gòu)鋼筋在被雜散電流鈍化后其影響也微乎其微。所以，還是應(yīng)該利用現(xiàn)澆段中的結(jié)構(gòu)鋼筋設(shè)置自然接地體（如圖3中的 Z2）。4） 此外，對(duì)于裝配管片內(nèi)部的鋼筋，應(yīng)做好管片和管片之間、管片與金屬設(shè)備及管線間的電氣絕緣，以免因電位差造成人生安全事故。

4 自然接地極與雜散電流

GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：“結(jié)構(gòu)鋼筋不應(yīng)用作排流網(wǎng)”。部分學(xué)者指出地鐵網(wǎng)絡(luò)中道床部分主雜散電流收集網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)在該地鐵線長(zhǎng)期運(yùn)行之后受到自然界的腐蝕而失效。此時(shí)，如果不全線停運(yùn)更換雜散電網(wǎng)采集網(wǎng)，結(jié)構(gòu)鋼筋將被迫參與雜散電流的采集。

圖2 裝配式車站結(jié)構(gòu)

圖3 裝配式車站綜合接地網(wǎng)局部

部分學(xué)者并不支持將結(jié)構(gòu)鋼筋同時(shí)作為自然接地級(jí)以及雜散電流采集體[1]，但是在筆者看來并不是這樣，由于地鐵在最初建設(shè)的過程中，鋼軌和道床本身具有良好的絕緣性，牽引供電回流該過程都是從鋼軌開始的，而在道床和結(jié)構(gòu)鋼筋當(dāng)中存在的雜散電流比較小。在這一前提下，雜散電流存在的平均正向偏移以及在整體結(jié)構(gòu)鋼筋中存在的漏電流密度相對(duì)安全，并且也會(huì)控制在標(biāo)準(zhǔn)要求的范疇內(nèi)。此時(shí)可以認(rèn)為雜散電流影響的主要是鈍化。在結(jié)構(gòu)鋼筋中可能存在的雜散電流也是被控制在可控范圍內(nèi)的。

隨著地鐵站投入運(yùn)行時(shí)間的不斷加長(zhǎng)，整個(gè)站站點(diǎn)內(nèi)部的情況也會(huì)越來越復(fù)雜。軌道上可能存在常年積水的現(xiàn)象，道床潔凈程度也不能得到保證，道床本身其絕緣性會(huì)逐步受到破壞。此時(shí)就可能會(huì)在結(jié)構(gòu)鋼筋中存在雜散電流的現(xiàn)象，后期工作人員需要結(jié)合雜散電流系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果完成及時(shí)檢修和排查，盡量減少在結(jié)構(gòu)鋼筋中存在的雜散電流的情況。

5 綜合接地系統(tǒng)方案

在地鐵車站中，當(dāng)整個(gè)車站的橫縱梁方向上的主鋼筋完成焊接以后，此時(shí)可以將其與扶梯、電纜、屏蔽門等相應(yīng)的金屬體進(jìn)行連接，這也是1種自然接地極，而在整個(gè)車站結(jié)構(gòu)下部應(yīng)該加設(shè)人工接地網(wǎng)，該網(wǎng)絡(luò)與結(jié)構(gòu)漏板當(dāng)中的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連接，此外還需要將人工地網(wǎng)和自然接地網(wǎng)絡(luò)分開進(jìn)行建設(shè)，做好其連接和分離條件的預(yù)留，只有這樣才能夠在完成建設(shè)后對(duì)單獨(dú)的接地電阻值進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合測(cè)量的相應(yīng)雜散電流狀況確定是否需要將自然接地和人工接地網(wǎng)絡(luò)兩者連接。

針對(duì)通信方面的相應(yīng)設(shè)施來說，包括火警、氣體報(bào)警系統(tǒng)和信號(hào)系統(tǒng)等，這些設(shè)備也要借助于弱電接地端子箱實(shí)現(xiàn)與接地電纜之間的連接。

地鐵裝配式車站綜合接地是系統(tǒng)性設(shè)計(jì)工作，在方案設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該注意以下4點(diǎn)：1） 在綜合接地系統(tǒng)內(nèi)，其接地的電阻值在計(jì)算過程中應(yīng)該借助于最大接地故障的不對(duì)稱電流完成計(jì)算，同時(shí)也要結(jié)合實(shí)際施工情況靈活進(jìn)行調(diào)整。2） 需要將人工地網(wǎng)和自然地網(wǎng)兩者之間的連接條件和分離條件等進(jìn)行提前預(yù)留，然后要結(jié)合雜散電流的監(jiān)測(cè)結(jié)果確定是否需要將兩者連接。3） 在接地方案的設(shè)計(jì)上需要考慮的因素較多，不僅有車站內(nèi)的人身安全，同時(shí)還有各項(xiàng)設(shè)施的正常運(yùn)作，是否能夠保證強(qiáng)弱電設(shè)備的運(yùn)行等。 4） 在裝配式車站結(jié)構(gòu)當(dāng)中，自然接地體應(yīng)該充分運(yùn)用現(xiàn)澆段部分來引出，另外還要實(shí)現(xiàn)自然接地體和人工接地體兩者之間的連接。由于傳遞段結(jié)構(gòu)鋼筋不接地，管片鋼筋電絕緣，裝配段設(shè)備外殼等安全接地應(yīng)考慮等電位連接。

6 結(jié)論

地鐵裝配式車站是全新的車站建筑模式，解決了傳統(tǒng)地鐵地下車站建設(shè)難度大、周期長(zhǎng)、投資高這一普遍性難題，國(guó)內(nèi)很多城市都在做試點(diǎn)推廣。配合裝配式車站相關(guān)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)都需要根據(jù)具體的車站方優(yōu)化設(shè)計(jì)，該文從綜合接地設(shè)計(jì)原則、裝配式車站與傳統(tǒng)車站的區(qū)別、接地方案接地電阻的計(jì)算、裝配式車站注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行說明，提出了裝配式車站綜合接地優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，既可以達(dá)到良好的短路接地防護(hù)效果，穩(wěn)定各項(xiàng)設(shè)備的運(yùn)作，也可以保障地鐵出行的人們的生命安全。