城市中心复杂环境条件下设置转换层的变电站结构研究

周 森 黄剑慧 李嘉业

（广州市电力工程设计院有限公司）

0 引言

城市的快速融合发展对用电负荷的需求不断增长，城市中心高密度负荷区变电站的建设需求迫切。然而城市建设用地资源稀缺，变电站用地与土地供给的矛盾越发突出。城市中心变电站面临高层建筑、地下空间、市政管涵等复杂环境，给变电站的建设及运营带来巨大的挑战，广州越秀国际会议中心110kV 变电站正是其中的典型代表。

目前，常规变电站主变压器基础为落地式，地基以大地土/岩体为载体，土地利用率较低，已不适应城市中心变电站建设模式。提出在变电站首层设置转换层，配电装置楼结构柱及主变压器坐落在转换层上，实现对地下基础设施的避让及跨越。设置转换层的变电站对城市中心复杂环境具有较好适应性，提高土地利用率。

1 工程概况

1.1 周边环境条件

广州越秀国际会议中心110kV 变电站（以下简称“变电站”）用地面积1793m2，配电装置楼长×宽×高=58.6m×17.8m×18m。变电站北侧紧邻兰圃路并与广州兰圃公园相望；变电站西北侧与清真先贤古墓邻近，变电站左侧约30～33m 进入文物保护紫线，该区域内变电站限高18m；变电站东侧及南侧为广州越秀国际会议中心地块行车道路，东南侧为广州越秀国际会议中心（一类高层建筑、建筑高度66m），变电站外墙与会议中心幕墙外立面距离不足20m。

变电站下方为运营中的广州地铁2 号线和驷马涌暗渠，其中：2 号线为双线盾构隧道，隧道宽度6m，两边各3m 内为盾构隧道保护线范围，隧道顶埋深约15m，现状地铁线与变电站呈西北-东南向斜交；驷马涌暗渠现状宽度约8m，渠箱底标高5.15m，顶标高7.25m，暗渠两侧为1.80m 高毛石挡墙，渠箱顶设有厚度300mm盖板，现状驷马涌与变电站呈东北-西南向斜交，现状交叠范围约20m×8m（长×宽）。兰圃路路面标高8.60～9.00m，变电站±0.00 相对绝对标高9.50m，场地设计标高9.20m。

配电装置楼首层主要设电缆层、主变压器室、消防水池，二层主要设10kV 配电室、电容器室、工具间，三层主要设110kVGIS 室、蓄电池室、站用变室，四层设主控室，局部五层设置屋面消防水池。变电站总平面布置如图1 所示。

1.2 工程地质条件

根据钻孔揭露，场地土/岩层按成因自上而下分为：①第四系人工填土层、②冲积层、③残积层、④基岩。人工填土层主要为素～杂填土、填石，堆积年限大于10年，属老填土；冲积层、残积层主要为粉质黏土，可塑～硬塑，干强度中等，均匀性差，夹杂粉细砂及风化岩碎块；基岩为强风化～中风化泥质砂岩、角砾岩，强风化岩芯呈短柱状、块状，中风化岩承载力高。各土/岩层物理力学指标如表1 所示。

图1 变电站总平面布置图

表1 土/ 岩层物理力学指标

2 结构转换

2.1 基础方案比选

综合考虑上部结构荷载、工程地质条件、周边环境保护、施工难易程度等对基础方案进行比选，选取旋挖成孔灌注桩作为基础方案。基础方案比选如表2 所示。

2.2 基桩承载力

配电装置楼基础采用旋挖成孔灌注桩，桩径分1600mm/2000mm/2400mm 共3 种类型，以中风化岩为桩端持力层，桩基设计为嵌岩桩，最大单桩竖向抗压承载力特征值为27000kN，桩净长约20～35m。

以3#桩为计算案例：桩承台顶标高为11.30m，承台高度3m，桩顶标高8.40m，桩净长约27m，桩端进入中风化岩≥5m。

根据广东省标准[1]，取C1=0.5、C2=0.05，ψc=0.75，嵌岩桩单桩竖向承载力特征值计算如下：

表2 基础方案比选

设计桩身强度为C40，按不考虑桩身构造钢筋作用时，验算桩身界面承载力如下：

单桩承载力特征值取两者的小值，设计取27000kN。

2.3 桩基平面布置

运行地铁2 号线双线区间盾构隧道下穿变电站地块，隧道平面投影面积约占配电装置楼投影面积的50%，基础桩外边线与地铁隧道结构外边线之间的最小水平投影距离≥3m[2]；驷马涌与盾构隧道呈斜交，涌底距离隧道结构顶约10m，驷马涌由现状8m 扩宽至15m。桩基布置既要避开地铁保护线又不能落至扩宽后的河涌里，使得桩位布置的空间局限性很大且不规则。桩基平面布置如图2 所示，其中#1 桩桩径1600mm，#2 桩桩径2000mm，#3 桩桩径2400mm，桩位均避开地铁保护线及扩建后的河涌断面。

2.4 转换平面布置

配电装置楼首层设置转换层，首层主要布置电缆层、主变压器室（含主变压器基础、油坑等）、消防水池、东西两侧电缆出线井等，转换平面布置如图3 所示。

主变压器（3×63MVA）放置在第二道转换梁上，消防水池跨越第一、二、三道转换梁。西侧电缆出线井底标高-2.70m，东侧电缆出线井底标高-3.10m。主变压器油坑设置有效深度为800mm，因转换梁将油坑阻隔，为保证事故漏油时油坑内液体流通，在梁中预埋DN200mm 铸铁联通管。

2.5 转换立面布置

为确保驷马涌日常管养、维修安全需要，要求变电站横跨驷马涌的结构底板距离渠箱面板高度≥1.8m[3]。设计转换梁最大跨度（位于驷马涌正上方）为30.91m，最大截面为2200mm×2250mm（宽×高），现状渠箱顶绝对标高7.25m，为保证转换梁底距离渠箱面板的净高要求，则转换梁顶面绝对标高至少应为11.30m。驷马涌由现状8m 扩宽至15m，拟新建钢筋混凝土挡土墙岸壁，墙顶设1.30m 宽悬挑式检修通道，并在临水面侧加装安全护栏，待钢筋混凝土挡土墙施工完毕后再将现有毛石挡土墙拆除处理，拆除后的石料作为扩宽河涌底的堆填料。在变电站北侧检修通道的端头并靠近转换梁侧面处设置φ1200mm 检修井，用作从地面到检修通道的出入口。转换结构三维模型示意如图4 所示。

图2 桩基平面布置

图3 转换平面布置

图4 转换结构三维模型示意图

因110kV 及10kV 电缆均为电缆出线，配电装置楼以外电缆沟为埋地式，而户内电缆层高出室外地面2.10m，因此在配电装置楼的东、西两侧各设沉箱式电缆出线井，并满足电缆出线的转弯半径要求。根据转换平面布置图，东侧电缆出线井上方为转换梁，因此由转换梁梁底设置悬吊沉箱侧壁、暗柱及底板；西侧电缆出线井在转换梁以外，通过局部降低承台顶标高，出线井侧壁从承台间连系梁上做起。盾构隧道距地面埋深约15m，设计桩基础外边线与隧道结构外边线之间的距离满足不小于3m，且桩底高程低于地铁结构底不小于3m，作为对地铁盾构隧道的一项保护措施。转换梁与改造河涌、盾构隧道断面如图5 所示。

3 基础隔振

较常规变电站不同的是，主变压器及基础放置在转换梁上，而不是直接放置在大地上。考虑到主变压器运行存在振动，为避免设备运行振动引起建筑结构谐振，并降低振动噪声对周边环境的影响，在主变压器基础与转换梁顶间设置弹簧隔振支座。

3.1 隔振原理分析

图5 转换梁与改造河涌、盾构隧道断面示意图

假设激振力是一正弦函数，定义激振频率与系统固有频率之比（调谐比）η，定义传递到基础上的基础力振幅与激振力振幅之比（传递比）ν，单质量-单自由度振动系统的稳态振动传递函数如下：

图6 传递比与调谐比关系曲线

本工程取阻尼比为0.2，当调谐比≥4 时，传递比≤0.1，隔振效率≥90%。

3.2 主变振动频率

主变压器本体主要由铁芯与绕组组成，振动的主要来源包括：①硅钢片磁滞伸缩引起的铁芯振动；②硅钢片接缝处和叠片之间因漏磁产生的电磁吸引力引起的铁芯振动；③负载电流漏磁引起绕组及油箱振动等。已有研究表明，主变压器的振动频率为50Hz 及其倍频[4]，振动的频谱峰值一般在100～600Hz 之间。

3.3 基础隔振布置

图7 隔振支座平、立面布置图

4 结语

⑴面对高层建筑、轨道交通、市政管涵等复杂环境，常规变电站的设计思路已不适应城市中心变电站建设模式，用电负荷大、选址落地难、风险因素多是此类变电站面临的突出问题。

⑵提出在变电站首层设置转换层，上部结构柱及主变压器坐落在转换层上，实现对地下基础设施的避让及跨越；设置大直径旋挖成孔灌注嵌岩桩，可满足大跨度转换结构对单桩承载力的要求，并可根据场地条件不规则布桩，避开地下设施的同时做到文明施工。

⑶在主变压器基础与转换梁间设置弹簧隔振支座，以控制调谐比不小于4 来设置隔振系统的固有频率，隔振效率可达90%以上。建议主变安装运营后，加强对结构振幅、设备运行噪声的监测，以量化隔振效果。