肖平成，谭志成，张涌泉，王家超

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

近年来，随着我国经济快速发展，城市化进程加快，新能源产业规模不断扩大，市场日益成熟，电力需求持续增长，导致城市电力供需失衡趋势明显。尤其是在大城市核心区，供电负荷巨大、建筑密集、土地资源紧张，传统地面变电站面临一系列挑战，如占地面积大、选址困难、环境影响等。经过不断摸索实践，目前地下变电站已经成为了缓解城市电力负荷与土地紧张矛盾的有效解决方案。我国越来越多的城市已经建成或正在规划地下变电站。

1 发展历程及现状

世界上第一座地下变电站于1952年在日本东京建成。作为研究起步及投入应用最早的国家，日本有着相当丰富的经验。东京在20世纪80年代建造的地下变电站多达130座，占当时世界变电站总数的30%。除此之外，法国于1975年在巴黎建成容量1×105kVA的地下变电站；加拿大于1984在温哥华年建造了容量4×105kVA的广场地下变电站；澳大利亚于1998～2004年对悉尼的供电系统全面升级为地下变电站。

我国20世纪60年代开始进行地下变电站的发展建设，虽然起步略晚，但发展速度快。北京、上海作为中国发展最快的两个城市，在地下变电站建设方面走在了前列。1969年，我国第一座地下变电站——北京东城35 kV战备用地下变电站建成投运，而上海在1987年建成了35 kV锦江变电站。在20世纪80年代，我国社会经济步入高速发展的黄金时期。在随后的几十年中，北京又陆续建成了110 kV、220 kV的半地下、全地下变电站四十余座，上海更是在2009年建成投运了目前国内规模最大的500 kV静安世博地下变电站。此前，500 kV地下变电站国际上也仅有日本东京的新丰洲地下变电站。除此之外，地下变电所也陆续建设于天津、重庆、青岛、广州、武汉、厦门等大中城市。资料显示，截至2016年年底，我国34个省级行政区域中建成有地下变电站的有18个。

2 地下变电站结构的关键技术

目前，我国有关地下变电站建设方面的研究主要集中于地下结构地震反应分析和施工技术方面，少部分关于建筑节能设计。

2.1 地下变电站抗震设计及地震响应分析

在地下变电站结构的设计计算中，主要从以下6个方面考虑地震的影响：①地震时地层发生变形的影响；②上覆土的影响，较严格的应考虑上覆土竖直方向的惯性力；③地震时的土压力的影响；④结构自身的惯性力的影响；⑤液化效应的影响；⑥水压和浮力的影响。

地下变电站的抗震设计在一定程度上能参照现有的地铁车站的抗震设计方法，但对于自身特点也必须有所考虑，如结构开孔、两层侧墙、开挖施工工法等对结构抗震有利及不利的影响。此外，在抗震设计计算的同时还必须充分发挥抗震构造措施的作用以避免地下变电站由于内部结构复杂，设备荷载大等特点引起的安全问题。

地下变电站结构在地震时的响应研究是进一步完善相关抗震设计规范的一大重点。文波、杨金熹等完成了一系列关于城市地下变电站结构及其内部电气设备的动力特性及地震反应规律的研究。以西安市快速轨道交通二号线张家堡地下变电站为工程背景，基于粘弹性人工边界理论和有限单元法，首先通过半空间自由场模型验证了地震动输入方法的有效性，然后对地下变电站系统进行了模态分析和动力时程分析，得出了该类结构的动力特性和地震响应规律，从而建立了考虑土体-结构-设备动力相互作用的三维有限元计算模型。研究表明，在8级罕遇地震中，地下变电站内的电气设备加速度放大系数明显超过了规范要求。结构构件应力增长的主要原因是地震作用下结构上覆土体和电气设备产生的惯性力。为此，需要采取相应的保护措施。

2.2 施工技术

施工技术包括深基坑工程、混凝土温度裂缝及多层框架结构重型设备吊运方案等。

出于地下变电站结构及设备的特殊性，其基坑在设计、施工、监测等各个环节存在着不同于一般基坑的特征，因此需要专门的研究。北京地区和上海地区是我国地下变电站蓬勃发展的前沿阵地，拥有我国大部分地下变电站，且北京的硬土层与低地下水位和上海的软土高水位地况也是我国大部分地区的典型代表，并形成鲜明的对比，因此不少学者的研究均基于京沪地区的地下变电站开展。

地下变电站基坑平面形状多为矩形和圆形，形状相对规则、开挖深度相对较大、平面尺寸相对较小、基坑防水防渗要求高，且基坑挡土结构水平变形控制严格。学者们以京沪地区地下变电站数据资料为基础，对基坑总体方案设计、围护结构设计、水平及竖向传力体系设计、地基加固设计、基坑降水等方面对基坑的主要特征进行了总结。不同地区的地下变电站基坑应与本区域的地质条件、水文条件、环境条件等条件相对应，因此在地下变电站基坑方案设计时应多借鉴类似地区的建设方案以指导施工。

对于混凝土温度裂缝的研究，白斯宇等通过对混凝土外加剂的研究防控混凝土早期温度裂缝的产生。结合实际工程，运用软件模拟地下变电站的施工过程，分析地下结构的墙体、楼板和地基底板中温度裂缝主要发生的位置以及在整个施工过程中裂缝随工况演变的规律，由此探讨不同位置和不同发展程度的裂缝的具体的施工控制措施。

地下变电站作为重要的一种电力基础设施，拥有如主变压器等一系列大型电气设备。在土建工程结束后，电气安装的过程对变电站主体结构，尤其是全地下变电站，有着不可忽视的影响，因此针对地下重型设备吊运方案的研究也是必要的。袁本根据地下多层框架结构力学特点，结合武汉徐东地下变电站的施工条件，选择平板车运输与轨道滑移法两种方案。利用Midas/Civil软件建立空间框架模型，进行运输过程模拟分析，确定较优的吊运方案。

2.3 结构节能设计

对于地下变电站结构方面的节能设计研究较少。张肖峰等以处于夏热冬暖深圳市的某110 kV地下变电站为基础，通过软件模拟得到了不同围护结构工况下的通风、空调负荷指标，并对其热工参数和空调负荷的影响进行了分析，对预测围护结构节能性具有一定的参考价值。

3 地下变电站典型结构形式

3.1 结构选型影响因素

现阶段不少地下变电站的主接线选择、设备选型、电气布置均已较为完善。但相对于地面变电站，在和土建相关的一些问题上、如防渗水、防洪、防火、通风取暖和大件运输、运行安全等方面，还存在一些问题，选取合适的主体结构形式更是首要考虑的。

针对不同工程的实际情况，地下变电站的主体结构形式通常采用剪力墙结构、框架结构和框架-剪力墙结构。具体采用何种结构，需要根据特定的地下变电站综合下列因素进行考虑：

（1）工程造价，包括主体结构以及由相应的基坑工程引起的附加造价。

（2）结构体系的受力合理性涵盖两个层面：结构层面和构件层面。如应具备抵抗竖向不均匀变形的能力，保持结构抗震稳定性的能力和控制构件的挠度、裂缝及轴压比在合理范围内的能力。

（3）工程场地的水文地质条件会影响到结构的整体性要求。当工程场地的土层条件较差、水文地质条件较复杂时，这种要求会增加。

此外，对某一个区域而言，本地的经济发展水平及周边环境的因素等也是地下变电站主体结构形式选择时需充分考虑到的。

3.2 结构选型建议

具体项目应综合考虑当地工程地质条件、水文条件、抗震设防烈度以及工程造价等因素，结合三类结构类型的特点，选择适合的结构类型。

由于在地震中，框架结构的框架柱通常是最先破坏以及破坏程度最为严重的构件。因此剪力墙结构和框架-剪力墙结构的结构抗震性能明显优于框架结构。在施工阶段的抗浮能力方面，剪力墙结构、框架结构和框架-剪力墙结构都能够满足规范规定的最低抗浮要求。在结构整体性、地基最大沉降量以及差异沉降量等方面，剪力墙结构的表现最好，框架-剪力墙结构次之，框架结构整体性最差。工程造价方面，剪力墙结构造价明显高于框架-剪力墙结构，框架-剪力墙结构高于框架结构。

上海地区总体上建议采用剪力墙结构，在土质较好或对结构有特殊要求的地方，应优先考虑使用框架-剪力墙结构。一般情况下，不宜采用框架结构。除非土层条件极好，出于节省造价的目的，可以考虑采用框架结构。同时剪力墙结构也仅推荐在特别重要的地下变电站中使用。对于北京地区来说，总体建议采用框架-剪力墙结构。

4 存在的问题与发展方向

4.1 存在的问题

虽然地下变电站较之独地面变电站有着隐蔽性高、对周围居民影响小等优势，但也并存着以下问题。

（1）地下变电站的建设施工费用较高。相比地面变电站，地下变电站的施工规模更大，其涉及的通风、排水、防渗、消防等系统的设计安装也更复杂，且还需要进行基坑开挖和支护工程。同时安装地下变电设备需要开挖大截面运输通道。因此地下变电站工程的总土方开挖量较大（包括地上和地下部分），土建费用通常是地面变电站的2～2.5倍，因此工程建设费用较高。此外，地下变电站的后期运行维护成本也大幅上升。

（2）运营安全风险高。在现有技术水平下，地下变电站的安全风险明显高于地上变电站。首先，地下建筑的渗水和返潮属于常见现象，因此运行条件通常比较恶劣，容易导致变电设备发生故障。其次，地下变电站的空气流通性差，容易发生有毒气体的积聚。此外，地下空间规模庞大复杂，其救援和逃生难度要远大于地面变电站。同时近年来城市频繁出现内涝，给地下变电站的安全运行造成了严重威胁。

（3）土地资源利用率较低。地下变电站需要布置大面积的通风系统和设备运输通道，这导致在相同电气规模下地下变电站的建筑总体量和实际用地指标远超地上变电站。以上海为例，在等电压规模下，地下变电站的用地面积比同地上变电站增加了35%～50%。从土地供应的角度来看，建设独立地下变电站并不能体现其优势。因此应当通过结合建设的方式实现土地分层使用，以充分发挥地下变电站节约用地的优势。

4.2 发展方向

为使城市中心区的土地资源得到最大限度的开发和利用，将地下变电站与非居建筑相结合，将成为我国今后地下变电站的主要发展方向。结合建设是指通过贴建或合建方式将地下变电站与商业中心、写字楼等公共建筑结合在一起，以实现一体化的规划、设计和施工。然而，要推动地下变电站与非住宅建筑的合建，需要研发适用的专用电气设备，同时对地下变电站与非住宅建筑结合建设的防火规范也亟须制定。

5 结论

随着城市用电与用地矛盾等种种原因，地下变电站的发展势不可挡。国内地下变电站的研究应用虽然较国际起步较晚，但发展迅速。地下变电站的抗震设计在考虑了自身特点的基础上可适当参考已有的地铁车站的抗震设计方法，但是地下变电站结构的动力特性及地震反应规律的研究也是推进相关抗震设计规范完善的必经之路。

关于地下变电站的典型结构选型问题，应参考具体工程场地水文地质条件、结构体系的受力合理性、工程造价等因素，在剪力墙结构、框架-剪力墙结构和框架结构中选择。地下变电站在土建费用、运营安全风险及土地资源利用率等方面存在的不足，以及与非居建筑合建的发展趋势所面临的问题需要亟待解决的。