小直徑長(zhǎng)距離隧道二次襯砌施工供配電技術(shù)

雷星星 王海雙 張偉濤 谷海華

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于長(zhǎng)隧道的供電方案主要有3種[1]：第1種是低壓直接進(jìn)洞，在隧道的洞口通過(guò)變壓器將電壓由高壓直接變?yōu)榈蛪汉螅胨淼?，通過(guò)增加導(dǎo)線的橫截面面積，從而降低線路電壓降；第2種是通過(guò)較大截面積的導(dǎo)線將低壓電源引到施工處，用低壓補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行低壓補(bǔ)償；第3種是在隧道口通過(guò)高壓鎧裝電纜將高壓電源接引到洞內(nèi)變壓器的位置，通過(guò)洞內(nèi)變壓器將高壓轉(zhuǎn)化為低壓[2]。在小直徑隧道二次襯砌施工中，洞內(nèi)空間有限，設(shè)備較多，負(fù)荷大，安全性要求高，在國(guó)內(nèi)外暫無(wú)可供參考的成熟技術(shù)。本文以武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧二次襯砌施工（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“本工程”）為例，通過(guò)優(yōu)化臨電布置方式及設(shè)計(jì)研發(fā)應(yīng)用新型穩(wěn)壓裝置，總結(jié)了一套小直徑長(zhǎng)距離隧道二次襯砌施工供配電技術(shù)。

1 小直徑隧道長(zhǎng)距離供電方案適應(yīng)性分析

1.1 高壓進(jìn)洞供電方案

長(zhǎng)距離隧道施工供電時(shí)，一定的距離安裝1臺(tái)變壓器，此臺(tái)變壓器為此距離內(nèi)的所有用電設(shè)備供電，需專(zhuān)門(mén)設(shè)置變壓器安裝場(chǎng)地[3]。近年來(lái)興起了車(chē)載移動(dòng)式變電站在長(zhǎng)大隧洞施工供電中的應(yīng)用，例如遼寧某輸水隧洞工程[4]。因小直徑隧道二次襯砌施工為全斷面同步施工，設(shè)備多，隧道直徑狹?。ㄗ钚《我r砌成形直徑僅為3 m）的特點(diǎn)，高壓部分與人的安全距離不足，且隧道須滿足通行條件，變壓器無(wú)安放位置，故高壓進(jìn)洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。

1.2 低壓直接進(jìn)洞方案

若采用低壓直接供電方案，根據(jù)容許電壓UA要求[5]，如式（1）所示：

本工程現(xiàn)場(chǎng)單回路總負(fù)荷約210 kW，輸送電路距離為500 m，采用截面積為150 mm2的銅芯電纜，由式（1）可得線路壓降約為9.15%，則設(shè)備端電壓為363.4 V。長(zhǎng)距離低壓會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)波動(dòng)大，電壓出現(xiàn)波峰和波谷的振蕩，對(duì)電網(wǎng)的沖擊大，危害嚴(yán)重，且會(huì)損壞用電設(shè)備，故低壓直接進(jìn)洞方案不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。

1.3 低壓補(bǔ)償供電方案

低壓補(bǔ)償供電方案是對(duì)低壓直接進(jìn)洞供電方案的改進(jìn)。通過(guò)增大線徑，在設(shè)備前端增加低壓補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行低壓補(bǔ)償，這個(gè)方案只能補(bǔ)償15%～20%，超過(guò)1 500 m后，補(bǔ)償效果不明顯，補(bǔ)償不穩(wěn)定。本次討論的供配電技術(shù)單回路可達(dá)2 km，總負(fù)荷約為207.5 kW，通過(guò)增大線徑延長(zhǎng)供電距離會(huì)加大成本投入，故低壓補(bǔ)償供電方案也不適用于小直徑隧道二次襯砌施工長(zhǎng)距離供電。綜合考慮各項(xiàng)因素，對(duì)于小直徑長(zhǎng)距離供電，須研究新型穩(wěn)壓裝置和隧道臨時(shí)用電布置方式。

2 隧道用電設(shè)備統(tǒng)計(jì)及負(fù)荷計(jì)算

隧道內(nèi)的供電方案選擇時(shí)應(yīng)首先對(duì)隧道內(nèi)的用電設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和負(fù)荷計(jì)算，根據(jù)不同的負(fù)荷類(lèi)型，將隧道內(nèi)二次襯砌施工專(zhuān)用主電纜分為照明回路和動(dòng)力回路。照明回路因負(fù)荷小，供電距離較長(zhǎng)，采用常規(guī)供電方式即可。動(dòng)力回路負(fù)荷較大，現(xiàn)針對(duì)動(dòng)力回路進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。負(fù)荷種類(lèi)及統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 拱墻施工負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

由表1可知，設(shè)備電動(dòng)機(jī)總功率P1為207.5 kW，電焊機(jī)的額定功率P2和照明的額定功率P3均為0，視在總功率（總的電力負(fù)荷）PS為259.38 kV·A。

總的用電量為施工動(dòng)力用電和照明用電兩部分之和，動(dòng)力負(fù)荷可按負(fù)荷性質(zhì)分組需要系數(shù)法計(jì)算，變壓器至總配電箱的電纜屬于主電纜，在多個(gè)設(shè)備下需要考慮同時(shí)性，選擇考慮需用系數(shù)的計(jì)算方式選型（包括電壓器低壓開(kāi)關(guān)、總配電箱），即考慮系數(shù)的計(jì)算方法〔式（2）〕[5]得出的容量用于考慮變壓器的低壓出線開(kāi)關(guān)大小選型、總配電箱選型以及主電纜的標(biāo)準(zhǔn)選擇。

K1取0.5～0.7：電動(dòng)機(jī)為3～10臺(tái)時(shí)取0.7，11～30臺(tái)時(shí)取0.6，30臺(tái)以上取0.5；K2取0.5～0.7，電焊機(jī)為3～10臺(tái)時(shí)取0.7，11～30臺(tái)時(shí)取0.6，30臺(tái)以上取0.5；K3取1.0。拱墻施工負(fù)荷計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。由表2數(shù)據(jù)和式（2）計(jì)算得出總電力負(fù)荷PS0＝194.77 kV·A?？傆?jì)算電流I＝281.12 A。

表2 拱墻施工負(fù)荷計(jì)算

3 新型穩(wěn)壓裝置研發(fā)應(yīng)用

3.1 新型穩(wěn)壓裝置設(shè)計(jì)

該裝置由主切換接觸器、控制板、升壓變壓器等組成。當(dāng)供電半徑超過(guò)普通施工距離時(shí)，將新型穩(wěn)壓裝置送至作業(yè)處，電源經(jīng)此裝置后再輸出至設(shè)備端，即可保證更遠(yuǎn)距離的供電半徑。此裝置每次澆筑時(shí)隨設(shè)備進(jìn)入，澆筑完后隨設(shè)備退出，解決了小直徑隧道的通行問(wèn)題，確保人電的相對(duì)安全距離。

根據(jù)總計(jì)算電流和壓降計(jì)算，穩(wěn)壓裝置需設(shè)置5個(gè)擋位，擋位之間能根據(jù)設(shè)備負(fù)荷自動(dòng)切換。第1擋位電壓變比為1.133，當(dāng)輸入為326～361 V時(shí)，輸出為370～409 V；第2擋位電壓變比為1.258，當(dāng)輸入為295～326 V時(shí)，輸出為365～411 V；第3擋位電壓變比為1.418，當(dāng)輸入為262～295 V時(shí)，輸出為369～411 V；第4擋位電壓變比為1.619，當(dāng)輸入為230～262 V時(shí)，輸出為374～422 V；第5擋位電壓變比為1.887，當(dāng)輸入為201～230 V時(shí)，輸出為379～435 V。

3.2 隧道臨電布置

3.2.1 電纜布置

電纜選型時(shí)除考慮電壓降外，還應(yīng)考慮使用的經(jīng)濟(jì)性。對(duì)于回路中任意一個(gè)用電設(shè)備而言，電壓降應(yīng)包含主回路（變壓器到總配電箱）與其所在分回路的電壓降之和。由式（1）可知，回路中功率越大，線路距離越遠(yuǎn)的用電設(shè)備，其電壓降越大，若單一依靠增加電纜直徑的方式降低電壓降，會(huì)導(dǎo)致投入的電纜成本更高，且大材小用。

綜合考慮，選取3×BLV1×300＋2×BLV1×120作為主芯線電纜，在滿足符合使用要求的同時(shí)也能控制成本投入。主電纜也采用定長(zhǎng)采購(gòu)，長(zhǎng)度與單次整體澆筑二次襯砌距離相同，從而使隧道主電纜一次布置成形，避免了二次搬運(yùn)。

鋼筋綁扎階段和仰拱施工階段采用二次襯砌電纜鉤掛設(shè)電纜。二次襯砌電纜為定制加工產(chǎn)品，共設(shè)計(jì)可掛設(shè)8股線路，上部端頭由螺帽焊接而成，彎鉤處均穿絕緣套管，使用時(shí)將上部和下部綁扎在鋼筋上固定即可。

二次襯砌電纜支架同樣為定制加工產(chǎn)品，下部為凹槽狀，中部為與隧道相同半徑的圓弧鋼筋，上部由短鋼筋焊接而成。使用時(shí)二次襯砌電纜支架底部卡住軌枕端頭，圓弧鋼筋依靠在二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)表面，將二次襯砌電纜鉤上部的螺帽掛在支架上部短鋼筋上即可。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)可保證二次襯砌成形面的完整性，同時(shí)滿足電纜架空方式的快速轉(zhuǎn)換要求。

3.2.2 電箱布置

定制加工配電臺(tái)車(chē)采用與拱墻臺(tái)車(chē)同軌且中間可穿行設(shè)計(jì)，達(dá)到小直徑隧道內(nèi)配電箱的放置不影響隧道內(nèi)水平運(yùn)輸且隨作業(yè)面前移的效果。配電臺(tái)車(chē)的另一作用是作為二級(jí)配電箱的布置平臺(tái)，隨作業(yè)面前移，這樣二級(jí)配電箱至設(shè)備開(kāi)關(guān)箱的電纜只需1次即可布置到位，減少設(shè)備端電纜的頻繁移動(dòng)。

3.2.3 拱墻臺(tái)車(chē)臨電布置

8臺(tái)拱墻臺(tái)車(chē)采用1根主線（3×25+2×10）供電，主線固定在拱墻臺(tái)車(chē)上，主線在每組臺(tái)車(chē)的間隔區(qū)采用快接式航空插頭連接，一次性布置到位。前移臺(tái)車(chē)時(shí)，僅需拔出插頭收好多余電纜，到位后再連接插頭即可恢復(fù)使用，保證了多臺(tái)設(shè)備用電的獨(dú)立性，同時(shí)避免了設(shè)備電纜頻繁移動(dòng)和布置雜亂。

3.3 2個(gè)供電階段

供電方法由2個(gè)階段組成，第1個(gè)階段為市電變壓器正常供電范圍，電能通過(guò)主電纜經(jīng)洞外一級(jí)配電箱至低壓配電臺(tái)車(chē)上的二級(jí)配電箱，再經(jīng)低壓配電臺(tái)車(chē)上的二級(jí)配電箱、三級(jí)配電箱至二次襯砌用電設(shè)備；第2個(gè)階段為超出市電變壓器的正常供電范圍，電能通過(guò)主電纜經(jīng)洞外一級(jí)配電箱至新型穩(wěn)壓裝置，再至低壓配電臺(tái)車(chē)上的二級(jí)配電箱、三級(jí)配電箱、二次襯砌用電設(shè)備。

3.3.1 二次襯砌施工距離0～1 km

所有二次襯砌用電設(shè)備均使用地面變壓器供電。1號(hào)一級(jí)箱放置于洞口處，做好基礎(chǔ)與防護(hù)。將1號(hào)二級(jí)箱與2號(hào)二級(jí)箱固定在配電臺(tái)車(chē)上，拖泵與小罐車(chē)用電從1號(hào)二級(jí)箱接出，拱墻臺(tái)車(chē)用電從2號(hào)二級(jí)箱接出。配電臺(tái)車(chē)布置于拱墻臺(tái)車(chē)之后，跟隨作業(yè)面前移。經(jīng)計(jì)算，0～1 km段在此種布線及負(fù)荷分配方式下，設(shè)備端在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最低電壓為375.52 V，可保證設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3.2 二次襯砌施工距離1～2 km

在此區(qū)間需要切換線路，具體操作為：拆除原主電纜與二級(jí)箱的連接，隧道主電纜延長(zhǎng)至配電臺(tái)車(chē)處→將新型穩(wěn)壓裝置運(yùn)送至配電臺(tái)車(chē)之后，輸入端接隧道主電纜，輸出端接至二級(jí)箱。當(dāng)設(shè)備均以額定工況運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，新型穩(wěn)壓裝置工作在第2擋位處輸出穩(wěn)定可用電壓389.2 V。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)和重載時(shí)，電壓降增大，穩(wěn)壓裝置輸入端電壓下降，穩(wěn)壓器監(jiān)測(cè)到電壓變化后向下調(diào)整到相應(yīng)的擋位仍能滿足使用。

4 結(jié)語(yǔ)

小直徑隧道二次襯砌施工中，機(jī)械設(shè)備數(shù)量多，單臺(tái)設(shè)備功率大，設(shè)備相對(duì)分散，采用常規(guī)建筑施工電壓供電無(wú)法滿足遠(yuǎn)距離供電要求，設(shè)備無(wú)法正常啟動(dòng)，使用壽命縮短。而采用長(zhǎng)距離供電，線路壓降大，線損嚴(yán)重，供電的經(jīng)濟(jì)效果差[6]。對(duì)于小直徑隧道，高壓進(jìn)洞供電方案的變壓器布置影響隧道設(shè)備通行，洞內(nèi)所需配電箱數(shù)量多，體形大，小直徑隧道中空間有限，無(wú)法滿足設(shè)置變壓布置平臺(tái)的條件。通過(guò)優(yōu)化隧道內(nèi)臨電布置方式和研發(fā)新型穩(wěn)壓裝置，既保證了施工作業(yè)人員的安全，也解決了供電距離與經(jīng)濟(jì)效益的矛盾，使小直徑隧道中二次襯砌施工供電得到保障。