七都岛地区电力隧道设计及电缆选型

周 静

（浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325000）

七都岛地区电力隧道设计及电缆选型

周 静

（浙江浙能温州发电有限公司，浙江 温州 325000）

随着经济社会的发展，电力隧道在城市地下空间得到普遍应用，研究和优化电力隧道的设计，使电缆更加可靠地运行，是电力隧道的重要问题。结合电力隧道在温州七都岛的应用，对该工程设计中的电缆载流量计算、淤泥地质隧道施工工艺的选取、隧道内电缆及其附件的选型和隧道附属设施的配置等进行了详细分析，以期为电力隧道的进一步推广应用提供参考。

电力隧道；电缆；顶管

0 引言

在国外大型城市的发展进程中，以地下电缆方式取代传统的架空线路已经成为世界潮流。统计表明，在世界上的一些现代化都市，如柏林、东京、大阪、哥本哈根等，地下电缆的比例已经超过70%。随着我国城市化进程的加快，如今城市规划对功能性和美观性的重视程度越来越高，城市上部空间留给架空线路的空间也越来越小，因此采用地下电缆来替代架空线路日益显现出其必要性。从功能上看，采用地下电缆能够避免架空线路对绿化树木生长高度的制约，不占据城市地面空间，且可根据实际需求对输送容量进行调整，提高了供电的可靠性，同时对周围环境的影响也更小，不易受到气候变化的影响。

我国很多城市在地下电缆隧道方面也已经做了尝试，但全国范围内大规模的应用还未出现。上海在这个方面的尝试较多也较早，已经建成了比较有代表性的杨高中路、新江湾、西藏路等电力隧道，在2006年完工了总长达17 km的世博站电力电缆隧道，并尝试建立放射状的电力电缆隧道网络，这些电力电缆隧道在实际应用中已经取得了很好的社会效益。

七都岛地处温州鹿城区北侧，与滨江商务区隔江相望，现状地块上方的4回220 kV过岛线路已经严重制约了当地土地的开发利用，而这4回线路是温州电厂送出的主要线路，担负着市区220 kV商务变电站和蒲州变电站负荷，根据系统的输送容量及考虑市政景观的要求，需采用电缆隧道敷设方式对这4回线路进行电缆化改造。

1 电力隧道形式选择

1.1 电力隧道结构形式

电力隧道的结构形式一般可分为3种：矩形隧道、圆形隧道、马蹄形隧道。

（1）矩形隧道

矩形隧道一般采用明挖法施工，适用于各种不同地质条件，施工工艺简单安全，技术成熟，质量可靠，在区间隧道埋深较浅的条件下，工程土建成本较低。但城市中心区，地面交通繁忙，地下管线密集，施工范围有建筑物的话，明挖法施工对城市生活，且造成的征地拆迁费用较高。

（2）圆形隧道

圆形隧道一般采用顶管法或盾构法施工，对地层适应性强，在地下水位高的区域修建埋设深度较大的区间隧道，具有较高的技术经济优越性。但遇到上软下硬地层、高强岩石地层、卵石层、孤石、刀盘结泥饼等情况时，会影响掘进速度，因此对盾构机的选型、刀盘配置要求比较高[6]。

根据以往工程经验，综合考虑施工可实施性、工程措施费用因素，隧道采用小直径（直径3～4 m）圆形断面时，若区间长度大于1.2 km采用盾构法较经济，若区间长度小于1.2 km采用顶管法较经济。因此，对于圆形隧道仅以顶管法与其他工法做比选。

（3）马蹄形隧道

马蹄形隧道一般采用矿山法施工，局部地区也可设计成圆形断面。近年来，随着浅埋暗挖工法的不断进步及创新，该工法已可适应各类软硬地层及不同隧道变化断面，具有较好的适应性和灵活性。但施工作业环境较差，且要求开挖面土体具有相当的自立性和稳定性。

各种工法的特点详见表1。考虑到七都岛整体地质情况为淤泥，淤泥层厚度在30～40 m，且施工场地周边已有房开地块在施工，若采用明挖法进行隧道施工，桩基支护费用昂贵，整体建安费用高于隧道顶管。综合考虑上述因素，除七都变电站外围采用矩形隧道外，七都岛隧道其余部分均考虑采用顶管圆形隧道。

1.2 顶管工艺简介

土压平衡式顶管是在顶进过程中，利用螺旋输送机排土和土仓内的压力来平衡土压力和地下水压力。与泥水式顶管施工相比，土压平衡式顶管最大优点是排出的土或泥浆一般都不需要再次进行泥水分离等二次处理。由于工程施工场地有限，单独设置泥浆处理池需增加临时借地费用，因此该工程推荐采用土压平衡式顶管。采用土压平衡式顶管掘进机施工有以下优点：

（1）能适用的土质范围广。从N值（土的密实程度）为0的软粘土到N值为50的砂砾土都能适用，是全土质的顶管掘进机。

（2）施工时的覆土很浅，最浅可缩小到0.8倍的顶管外径，而手掘式顶管覆土太浅地面容易造成施工面上部土层塌陷，泥水和气压式覆土太浅容易造成施工面上部土层拱起或者跑气。

表1 工法比较表

（3）能保持挖掘面的稳定，地面变形小。（4）弃土的运输和处理方便、简单。

1.3 顶管法的结构方案

顶管法是比较成熟的地下管道施工方法，它不需要开挖管道顶部的土层，并且能够穿越公路、铁路、地面建筑物、地下构筑物以及各种管线等。顶管法施工修建地下管道已有一百多年的历史，国内亦有许多宝贵的施工经验。近几年，随着工程实践的增多和顶管设计施工技术水平的提高，大直径长距离顶管设计施工中的诸如工具管设计、中继接力设计、顶进导向的控制、正面塌方的控制、管节制作、防水措施等难点，都已得到解决。

1.3.1 管节结构设计

工程根据工艺设计要求和环境条件的限制，分多段区间施工。根据电缆布置及排管工艺要求，采用3 000 mm内径的钢筋混凝土管节，壁厚270 mm，砼强度等级为C50，抗渗等级为P10。

工程管道平面线型为直线型和曲线型相结合，设计考虑标准管节长度为2.5 m，采用“F”型钢套环的承插式接口。在管节与管节接缝处采用松木衬垫以利内力传递，内、外弧面均设置密封垫槽。

由于工程工井设置间距较大，顶管顶进的距离较长，管壁四周土体的摩阻力和迎面阻力很大，主油缸的顶力不足，施工难度大，所以设计管道分段。除标准管节和中继环外，还分别设计了中继环前后节、进洞管节、出洞管节等。为适应管道与工作井之间不均匀沉降和抗震设防的需要，以及适应沿线其他地下建构筑物对管道造成的圆环附加内力和纵向不均匀沉降，设计了能适应一定变形的柔性接头，同时对管底土体进行注浆加固处理。另外，对穿越较近建筑物区段，还需采取二次注浆等加固措施。

1.3.2 管道结构的计算与分析

管道结构纵向按弹性地基梁的方法分析，横断面按匀质圆环计算，结构计算时分别按施工阶段、使用阶段各种不同工况进行分析，结构的内力、变形采用结构通用程序计算。

结构设计时，分别就施工阶段、正常运行阶段可能出现的最不利荷载组合进行结构强度、刚度和裂缝宽度验算。但特殊荷载阶段每次仅对一种特殊荷载进行组合，并考虑材料强度综合调整系数（不需验算裂缝宽度）。

2 电缆选型

2.1 电缆载流量计算

电缆的结构尺寸、各部分材料的性能及敷设条件等因素都会影响电缆的载流量[3]。以下结合该工程220 kV电力电缆、110 kV电力电缆布置情况，对电缆的载流量进行计算分析。

220 kV电力电缆沟道敷设方式下电缆载流量计算公式如下：

式中：I为载流量；Δθ为导体温度与环境温度之差；θ0为电缆沟道内温升；R为90℃时导体交流电阻；n为电缆中载流导体数量；Wd为绝缘介质损耗；λ1为护套和屏蔽损耗因数；λ2为金属铠装损耗因数；T1为导体与金属护套间绝缘层热阻；T2为金属护套与铠装层之间内衬层热阻；T3为电缆外护层热阻；T4为电缆表面与周围媒介之间热阻。

电缆载流量计算结果见表2。

表2 不同沟道敷设方式下YJLW03电缆载流量A

另外，浙江省电力公司《导线电缆载流量参考手册》给出了220 kV电力隧道敷设载流量，详见表3。

2.2 电缆截面选择

根据潮流计算得出的系统输送要求，该工程220 kV温蒲/州蒲双回线每回线输送容量为66.9万kW，折合极限载流量按1 950 A考虑；该工程4回线路按同一设计水平设计，即按最大负荷及极限载流量考虑。

根据上节计算列表分析：220 kV电缆在参考浙江省电力公司提供的载流量基础上适当放大修正，4回线路均选用2 500 mm2XLPE（交联聚乙烯）电缆，采用隧道敷设方式，电缆水平敷设，间距200 mm，载流量满足系统要求。

表3 不同沟道敷设方式下YJLW03电缆载流量A

2.3 电缆结构选择

2.3.1 线芯导体

电缆线芯数量为单芯，要求为五分割导体。

高压电缆的导体常见有铜和铝2种材料，铝的优势主要表现在价格和成本上，而铜芯材料优势主要表现在电气和机械性能上。铜芯电缆相较铝芯电缆的主要优势在于：

（1）电缆载流量大：由于铜的电阻率比铝低，因此相同截面的铜芯电缆要比铝芯电缆载流量高30%左右。

（2）损耗低：由于铜的电阻率低，发热量小，提高了输电效率。

（3）压降低：在相同截面流过相同电流的情况下，铜芯电缆压降小，因此，同样的输电距离，铜芯电缆电压质量高。

（4）耐腐蚀，抗氧化性强：铜的化学稳定性比铝高，耐腐蚀性强，经久耐用。

（5）施工方便：由于铜芯的弯度半径小，所以电缆敷设更容易转弯；而且铜芯的机械强度高，能承受较大的机械拉力，为机械化敷设提供了条件。

虽然铝芯电缆在价格上有优势，但220 kV高压电缆尚无相应规格的成熟产品，因此，设计建议采用铜芯电缆。

2.3.2 绝缘型式

目前，国内使用的高压电力电缆主要有：采用油纸绝缘的自容式充油电缆（简称充油电缆）和采用XLPE电缆。

XLPE电缆是固态绝缘电缆，采用聚乙烯树脂绝缘用辐照或化学方法进行交联处理，使其分子结构由线型变为网状立体，从而改善了材料在高温下的电气性能和机械性能，可广泛应用于10 kV及以上电压等级的输配电线路。XLPE电缆具有以下优点：优越的电气性能；良好的耐热性和机械性能，聚乙烯树脂经交联工艺处理后，大大提高了耐热性和机械性能；由于XLPE电缆是干式绝缘结构，无需敷设供油设备，给敷设和施工带来很大的便利；接头和终端头基本采用预制成型附件，安装安装时间较短。因此，设计建议采用XLPE电缆。

2.3.3 金属护套

金属护套有隔水作用，金属护套是电缆的径向防水层，对于XLPE电缆，可防止XLPE绝缘接触到水分进而产生水树枝；另外，金属护套还可作为故障时零序短路电流的通道。

从目前国际上对高压电缆的应用来看，欧洲主要采用铅套和综合护套，而在亚洲特别是日本，电缆基本采用波纹铝护套，国内交联电缆也基本采用波纹铝护套，国内电缆厂家生产的电缆也以波纹铝护套为主，设计建议采用波纹铝护套。

2.3.4 外护套

该工程中因电力隧道内各回路之间无法进行有效隔断，因此对电缆本身的防火要求较高。

在GB/T 18890.1-2015《额定电压220 kV（Um=252 kV）交联聚乙烯绝缘电力电缆及附件》中，XLPE电缆外护套材料有PVC（聚氯乙烯）和PE（聚乙烯）2种。由于PE外护套阻燃效果差，GB/T 2952-2008《电缆外护套》不推荐其在隧道中使用。该工程若采用规程规范推荐的PVC外护套，由于普通PVC材料在火灾中会产生大量有毒的卤化氢气体，对隧道内设施产生腐蚀，并对消防员生命带来危害。随着新材料不断改进，带阻燃效果的PE材料也已经在工程中大量应用，且已有无卤低烟阻燃的PE，该工程推荐采用无卤低烟阻燃PE外护套，厚度按照国标要求为5 mm。

2.3.5 线芯截面选择

线芯截面选择的基本要求包括：

（1）最大工作电流作用下的电缆线芯温度不得超过规定的允许值。XLPE电缆连续运行时线芯最高额定温度为90℃，短时过负荷运行时线芯温度不能超过105℃。

（2）最大短路电流作用时间产生的热效应不应损坏电缆并影响其继续使用。按短路电流作用下线芯温度不应超过允许值，XLPE电缆线芯最高允许温度为250℃。

（3）当线路有电压降要求时，应不超过允许值。

在满足上述要求的前提下，宜按经济电流密度选择线芯截面。根据载流量分析，2 000 mm2截面220 kV铜芯电缆按4回路隧道敷设时额定载流量约1 832 A（电缆导体工作温度90℃，金属套一点接地或交叉互联，隧道中敷设空气温度40℃），满足系统要求的1 579 A。

线芯短路热稳定验算：2 000 mm2截面铜芯电缆的容许三相短路电流为208 kA（3 s），远大于工程系统设计提供的三相短路电流32 kA，而且此计算不考虑短路时线芯向外界的散热，如果按IEC 949-1988《考虑非绝热效应的允许短路电流计算》的规定，该截面电缆的允许短路电流还可以增加，因此电缆短路热稳定能满足安全运行要求。

综上所述，该工程采用铜芯XLPE绝缘波纹铝套无卤低烟阻燃PE外护套电力电缆，所选电缆的型号为YJLW03-127/220-1×2500。

3 结语

结合工程线路的载流量计算，对电力隧道各种结构形式和施工工艺进行比选，最终得出了七都岛地区电力隧道基本上采用顶管圆形隧道的施工工艺，并采用土压平衡式顶管机进行顶进。对电力隧道内的电缆选型进行了论述，确定选择YJLW03-127/220-1×2500型电缆。

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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 静（1985），女，助理工程师，从事电力电缆设计工作。

（本文编辑：方明霞）