城市电力隧道规划及结构设计研究

周金海，周虹霞，王 鑫，张庆贺

(1.上海电力设计院有限公司，上海 200025;2.同济大学 地下建筑与工程系，上海 200092)

电力输送专用隧道及地下超高压变电站的规划和结构设计是城市电网规划建设的重要组成部分。根据预测，上海电力系统远景负荷在2020年将达到32 000 MW以上，中心城区最高负荷将维持在总量的50%～55%[1]，大型地下变配电设施深入中心城区势在必行。将城市架空高压电缆转入地下，不仅使得供电更加安全，而且净化城市环境。电力隧道的建设是保障电力通道输送容量和提高通道资源利用率的必要措施。

据了解，上海市已建或在建的电力隧道工程很多，主要包括静安世博输电隧道、半淞园路顶管段电力隧道、杨高中路(源深站—罗山路开关站)顶管段电力隧道、于田路曹安路电力隧道、西藏南路(新疆路—复兴中路)盾构段电力隧道、宛平南路顶管段电力隧道、新江湾城进线段电力隧道工程等。

北京目前已至少修建了400 km的地下电力电缆隧道，另外在成都、广州、福州等城市的电力隧道已在建设之中，台湾[2-3]等地也在修建此类大截面的电力隧道及变配电设施。

国内，在电力隧道工程设计中除采用了顶管法、沉井法、和SMW围护工法等以外，还考虑了电缆敷设的使用要求，以及隧道内部通风、供配电、照明以及监控等附属设施的优化设计等。特别是在世博输电隧道中已成功实施的一些新技术:采用新型的弧形支架，增加了隧道内电缆敷设回路数;支架横担首次采用0Cr18Ni9不锈钢矩形方管，增加其刚度和稳定性;采用新型电缆夹具以承受因短路电流产生的动力冲击;在夹具两侧采用蝶形支架，支架表面黏结氯丁橡胶，紧贴电缆的受力面，很好地保护和固定了电缆[4-5]。

国外方面，德国在建设地下共同沟等重大工程中使用先进的信息管理技术、三维显示资料、先期数值仿真、三维动态管理等，采用先进的非开挖技术进行地下管道铺设、更换或修复。英国地下管路系统的修建可追溯到维多利亚时代，实践证明城市主干道一次性修建地下共同沟，共同埋设电力电缆、通信电缆、给水和燃气管道等，可以避免路面的重复挖掘。日本电力电缆的地下化始于1903年，包括共同沟式输电和电力专用输电两种线路系统。据相关资料，21世纪初日本在县政府所在地和地方中心城市等80个城市的干线公路下建成共同沟总长约1 100 km。

本文结合上海电力隧道工程，针对其设计、施工难点，对电力隧道规划、设计新理念及结构、构造设计新技术进行归纳与总结，希望为今后同类工程设计及施工提供借鉴和帮助。

1 电网总体及电力隧道规划

电力隧道线路规划应结合中心城区总体规划，其难点主要包括①隧道线型设计及埋深确定;②工作井选址;③变电站布点三方面内容。相对工作井和变电站选址而言，电力隧道的路网规划受到更多现实条件的制约及不确定因素的影响。应根据城市和电网的发展规划，首先统一规划电力隧道网络。

1.1 电网总体规划

中心城区主要电源应由深入城区的500 kV终端站，现有和已纳入计划的220 kV中心站以及接入220 kV电网的地区电厂三个部分共同组成。500 kV终端站和220 kV中心站作为城市主要电源，其相应的供电区域和出线方向应统筹安排，并应为电网的进一步发展适当留有裕度。

以上海为例，中心城区电力供应逐年显现出高负荷密度的特点。为达到优化网架结构和提高投资效益的要求，至少在中心城区建设3～6座500 kV终端站。根据目前规划，中心城内将引入静安(世博)、虹杨、市西等3座500 kV变电站，并结合220 kV中心站(规划有41座)，逐步实现中心城区的电缆化供电模式并达到远景供电需求。主要电源应多布置于内环线和中环线之间，且尽量靠近内环线，如图1所示。采用大容量输变电设备，电源进线应考虑采用大截面电缆线路，并按隧道方式敷设，以满足大容量、高可靠性的电力输送要求。电源进线应当由环线及纵向和横向的电力隧道组成，并形成网络。

图1 电网结构环网规划示意

变电站站址的选择应考虑与现有及规划电力隧道网络相协调，主要变电站应沿电力隧道呈网格化分布，其选址应尽可能沿电力隧道网络布置，从而充分发挥电力通道网络的优势及其输送电力的主干力量。

1.2 平面线路规划

电力隧道线路规划需根据中心城区电网分布结构及电力输送方向及方式等确定。特别是中心城区电力隧道的走向受地下建筑、立交桥、地铁区间、车站及市政管网限制，电力建设部门需与各相关部门协商，确定合理的线路走向。

电力隧道的选线通常沿一些路幅宽、长度长、线形顺直的城市主干线铺设，例如于田路曹安路电力隧道、西藏路电力隧道及新江湾城电力隧道等。

于田路曹安路电力隧道自安亭变电站东侧向南至昌吉路，敷设在于田路西侧，过昌吉路后至曹安路南侧，敷设在于田路东侧，沿途设置5座工作井。曹安路段电力隧道始自5号井，向东至黄渡变电站，敷设在曹安路南侧，沿途设置1座工作井，2座直线井和1座转角井。

西藏路电力隧道北起新疆路、南至复兴中路，全长3.033 km，为顶管施工。其中一期工程北起新闸路、南至会稽路，隧道穿越南京路地下人行通道和苏州河，途经申花总会大楼、沐恩堂、大世界等著名保护建筑，顶管轴线平面最小曲线半径仅300 m。

这些实例表明，受技术条件及其他市政工程制约，一条完整的电力隧道仍需设置很多工作井或是通过减小转弯半径来满足线路走向要求，无可避免时更是会穿越地铁线路及重要建筑等重点工程。为尽量减小工程难度，在降低风险的同时达到经济合理，电力隧道平面线路规划应把握以下几点原则:

1)选线应以规划道路网为基础，选择合理的隧道走向，统一规划，分布实施。

2)电力隧道尽量敷设在市政道路下方一侧，与道路方向一致，并距离红线5～10 m，可布置在人行道路下，或者道路绿化带下，从而便于工作井的设置并与高层建筑物保持一定的距离。

3)与此同时，还应尽量缩短隧道总长度，保证隧道线路走向顺直，从而确保电力隧道、周边建筑物及既有管线的安全及降低工程造价。

工作井作为施工竖井以及运营期检修通道，不得影响周边地块的建设及影响道路交通，其选址应遵循以下几点原则:

1)受电缆制造长度的限制，每一盘500 kV电缆的盘长均不超过400 m，因此电缆接头位置需设置工作井。

2)受电缆放线施工技术的制约，相邻两井之间的距离不宜超过1 000 m，220 kV电缆接入电力排管处需设置工作井，井内设置排管孔。

3)电力隧道需满足检修人员工作环境及高压电缆散热通风需求，但通风井可不单独设置，宜结合其他工作井共同设置。

4)需满足城市景观、环保的要求，可与周围建筑相结合，或者隐蔽在绿化地块内，避免对城市景观造成不良影响。

1.3 线路曲线半径

电力隧道根据其本身的使用功能，无需对线路曲线半径做出严格规定。在规划线路大转角或是地形受限的情况，通常以多边形或圆形的转向工作井连接两条电力隧道。平面曲线半径的确定主要取决于施工技术及电缆敷设两方面要求，其中施工技术要求往往起控制作用。对急曲线盾构隧道设计要进行多种工法比选，选择转弯灵活施工机具及相应工法，如带铰结的土压平衡盾构。通常在地下管线密集，无法设置转向工作井的情况下必须采取急曲线施工。当工址受限于道路宽度或是到达井位置既定的工况下，采用急曲线施工可避免转向工作井的设置。

根据目前的技术手段和查阅到的文献资料[3，6]，已有工程实例，其曲线半径最小可达到10 m，表1中列举了相关工程实例。

表1 小半径曲线盾构实例

根据表中资料，目前已有盾构外径＞6 m的隧道，曲线半径仅为10 m的工程实例。但急曲线盾构施工需采取一些施工对策，特别是对于管片的设计和加固有一定的技术要求。解决技术主要包括:减小管片宽度，或同时减小管片外径以确保必要的安装余量;根据需要对肋、外包钢板及接头螺栓等进行加固;除RC管片外，可以考虑采用钢管片。

1.4 线路纵断面规划

城市浅层地下空间多为上下水、通信、煤气(动力)管道及地铁隧道占用，浅层地下空间资源有限。电力隧道的深埋(约15 m以下)，能够解决与浅层地下市政交通、管线等交叉的问题。但埋深越浅，工作井、引出井的工程量也越小。除满足隧道施工安全所要求的最小覆盖层厚度及一定的人防要求外，综合考虑电力隧道深埋与浅埋之间的矛盾是十分必要的。

上海电力隧道的设计掘进深度一般 ＜40 m，土层以饱和的软弱黏性土为主。在条件允许的情况下，结构埋深通常＜15 m。表2列举了一些上海电力隧道埋深的情况。

表2 上海电力隧道埋深情况实例

世博输电隧道起于成都北路北京西路，沿南北高架向南延伸，穿越黄浦江后，与华夏西路电力电缆隧道相接。隧道总长度达15.3 km，最大直径达5.5 m。隧道沿线共建有14个工作井，直线距离11.5 km。其中盾构施工段9.16 km，其余为顶管施工段。世博输电隧道从地下穿越世博园区，最大埋深达40 m。与之相连的500 kV静安输变电工程也是超大超深(深度33.5 m)的地下结构工程，采用全逆作法进行地下结构施工。建造如此长距离、大截面的电力电缆专用隧道在国内尚属首次。由此可见，电力隧道设计呈现深埋趋势。将电力隧道深埋，主要考虑以下因素:

1)大城市供配电设施是战时空袭和恐怖分子袭击的主要目标之一，将供电设施深埋入地下，加强结构防护和地面伪装，可以避免敌人空袭直接破坏。一来能够提高电力设施抵抗外部影响(如人防)的能力，二来也给浅层地下交通路网规划预留了足够的空间。

2)地铁隧道通常考虑方便客流及换乘等因素，一般埋深尽可能浅。为尽量减少与轨道交通的共线设置及交叉穿越，将超高压输电隧道深埋于地下交通路网下层较为合理。

3)干线电力隧道宜采用深埋方式，以避让河道及既有市政管线，如水管、通信、燃气管道等，并为今后的管线布置预留足够的地下空间。考虑到施工方便及经济合理等综合因素，低压电缆则以浅埋为宜。

高架道路和轨道交通一般均沿城市主要道路建设，这与电力隧道的选线思路相同。因此，也对电力隧道的选线造成了很大限制。在中心城区建设电力隧道，必须处理好与其它基础设施之间的关系，比如与高架道路和轨道交通的建设。

选线过程中，如遇高架桥梁桩基础，应当确切掌握地下桩位的分布，设计合理的穿越方案。上海电力隧道还会遇到穿越磁悬浮铁路或者黄浦江等关键的节点工程，需要慎重对待。在这种情况下，应当考虑采取先进的工程技术，保证两者近接施工的安全。

2 电力隧道结构设计

电力隧道的设计通常要求断面直径在3.5～5.5 m之间，若供电需求量有限，则考虑选用较小的隧道截面。施工方法也不仅仅局限于盾构法，可以采用顶管法施工。通常情况下，电力隧道可根据净空尺寸确定适合的工法，如表3所示。

表3 隧道工法的选择

顶管法施工的隧道管径＞3.5 m时，会导致顶进阻力过大，前进方向难以控制等问题[7-8]。因此，直径＞3.5 m的电力隧道可考虑采用盾构法施工。

电力隧道可选择矩形和圆形两种截面形状，矩形截面隧道的净空利用率较高，相比之下此截面形式较为合理，见图2(a)。但由于各种综合因素的影响，采用圆形截面的电力隧道也不少。

世博输电隧道直接从550 kV静安变电站引出，由于输电要求较高，选用内径5.5 m的圆形截面，是国内直径最大的输电隧道。采用盾构法施工，由6块管片组成一环隧道，其管片分块方式及厚度沿用了常规的地铁设计方案。其结构形式及电缆布置如图2(b)。

电力隧道内部设施通常为横担支架、电缆、冷却管、照明及通风等电力设备，其布置方式将影响隧道结构的传力模式，需要在设计阶段，根据内部设施布置方案进行衬砌结构合理性及稳定性的验算分析，确保工程安全性。

图2 电力隧道截面布置示意(单位:cm)

世博输电隧道盾构段作为国内最大的电力专用隧道，其结构设计及内部设施布置都具有独到之处。为充分利用隧道净空，在隧道中部水平设置横梁，将隧道分成上下两部分。横梁中间安装上、下中柱，整个隧道被分成4个电缆布置分区。支架横担一部分分层安装在中柱两侧，其余则分层安装在与隧道管片连接的角钢上，这种新型的支架设计及内部空间布置方式极大地满足了电力设施布置的现阶段及远景需求。

横梁为预制构件，连接预埋件与管片同时浇制，待隧道衬砌结构完成后，将横梁与管片预埋件焊接起来，形成隧道内横隔板，即图中所示横梁。预制构件及预埋件在隧道内安装非常方便，且结构安全可靠，能够达到缩短工期的目的，非常有效。

横隔板的设置使整个管片结构的受力模式不同于地铁隧道。中柱上的电缆及本身的荷载首先传递到横隔板上，再由横隔板与衬砌结构共同承受由中立柱及各支架传递来的荷载等。研究表明，横梁本身刚度较大，使管片结构水平向变形大为减小，圆环呈扁鸭蛋形式，总体受力得到改善。借用地铁区间隧道管片作为电缆隧道管片衬砌，在结构受力上是偏安全的[9]，可适当减小断面厚度及环向配筋率，并对此类电力隧道结构尺寸进行优化，以降低工程造价。

3 结论

随着城市供电需求和电网建设规划发展，地下电力传输及变配电设施正在逐步的发展和完善，采用专用输电隧道输送电力是城市电网规划的发展趋势。

1)都市中心区电力供应逐年显现出高负荷密度的特点，主要电源应布置于内环线和中环线之间，电源进线宜按隧道方式敷设，并由环线及纵向和横向的电力隧道组成并形成网络，以满足大容量的电力需求。

2)电力隧道选线应以道路网为基础，选择合理的隧道走向，尽量缩短隧道长度，保证线路走向顺直;变电站选址应与现有及规划电力隧道网络相协调，主要变电站沿电力隧道呈网格化分布。

3)电力隧道宜采用深埋方式，以提高电力设施抵抗外部影响的能力，同时给浅层地下交通路网预留发展空间;电力隧道的深埋能够避免与其他市政管线及建筑的相互影响，降低工程难度及风险。

4)大截面电力隧道由横隔板及盾构管片共同承受由中立柱及各支架传递来的荷载，结构总体受力得到改善，可对其结构形式进行优化，以降低工程造价。

[1]包海龙.上海电力隧道建设的初步设想[J].上海电力，2003(3):219-223.

[2]陈文通，游健龙.超高压地下电缆潜盾隧道新技术之应用实例[J].隧道建设，2010，30(增 1):324-332.

[3]周辉，方浩，张永隆.新型电缆支架在长距离500 kV电力隧道中的应用[J].华东电力，2010，38(4):0549-1551.

[4]姚炜峻，王振伟.电力电缆隧道内的技术创新和应用[J].上海电力，2006(6):621-625.

[5]李魁士，陈福胜.输电隧道价值工程运用与潜盾施工关键技术[J].隧道建设，2010，30(增 1):333-339.

[6]地盘工学会.盾构法的调查设计施工[M].牛青山，陈凤英，译.北京:中国建筑工业出版社，2008:316-320.

[7]王树理.地下建筑结构设计[M].北京:清华大学出版社，2007:130-131.

[8]范继跃，苏宗贤.地下洞室合理开挖断面的研究[J].铁道建筑，2007(3):51-53.

[9]王鑫，张庆贺，周金海.特殊荷载作用电力电缆隧道结构内力计算[J].上海交通大学学报，2011，45(5):110-114.