小直径长距离隧道二次衬砌施工供配电技术

雷星星 王海双 张伟涛 谷海华

中建三局基础设施建设投资有限公司 湖北 武汉 430073

目前国内外对于长隧道的供电方案主要有3种[1]：第1种是低压直接进洞，在隧道的洞口通过变压器将电压由高压直接变为低压后，引入隧道，通过增加导线的横截面面积，从而降低线路电压降；第2种是通过较大截面积的导线将低压电源引到施工处，用低压补偿设备进行低压补偿；第3种是在隧道口通过高压铠装电缆将高压电源接引到洞内变压器的位置，通过洞内变压器将高压转化为低压[2]。在小直径隧道二次衬砌施工中，洞内空间有限，设备较多，负荷大，安全性要求高，在国内外暂无可供参考的成熟技术。本文以武汉大东湖核心区污水传输系统工程主隧二次衬砌施工（以下简称“本工程”）为例，通过优化临电布置方式及设计研发应用新型稳压装置，总结了一套小直径长距离隧道二次衬砌施工供配电技术。

1 小直径隧道长距离供电方案适应性分析

1.1 高压进洞供电方案

长距离隧道施工供电时，一定的距离安装1台变压器，此台变压器为此距离内的所有用电设备供电，需专门设置变压器安装场地[3]。近年来兴起了车载移动式变电站在长大隧洞施工供电中的应用，例如辽宁某输水隧洞工程[4]。因小直径隧道二次衬砌施工为全断面同步施工，设备多，隧道直径狭小（最小二次衬砌成形直径仅为3 m）的特点，高压部分与人的安全距离不足，且隧道须满足通行条件，变压器无安放位置，故高压进洞方案不适用于小直径隧道二次衬砌施工长距离供电。

1.2 低压直接进洞方案

若采用低压直接供电方案，根据容许电压UA要求[5]，如式（1）所示：

本工程现场单回路总负荷约210 kW，输送电路距离为500 m，采用截面积为150 mm2的铜芯电缆，由式（1）可得线路压降约为9.15%，则设备端电压为363.4 V。长距离低压会导致电网波动大，电压出现波峰和波谷的振荡，对电网的冲击大，危害严重，且会损坏用电设备，故低压直接进洞方案不适用于小直径隧道二次衬砌施工长距离供电。

1.3 低压补偿供电方案

低压补偿供电方案是对低压直接进洞供电方案的改进。通过增大线径，在设备前端增加低压补偿设备进行低压补偿，这个方案只能补偿15%～20%，超过1 500 m后，补偿效果不明显，补偿不稳定。本次讨论的供配电技术单回路可达2 km，总负荷约为207.5 kW，通过增大线径延长供电距离会加大成本投入，故低压补偿供电方案也不适用于小直径隧道二次衬砌施工长距离供电。综合考虑各项因素，对于小直径长距离供电，须研究新型稳压装置和隧道临时用电布置方式。

2 隧道用电设备统计及负荷计算

隧道内的供电方案选择时应首先对隧道内的用电设备进行统计和负荷计算，根据不同的负荷类型，将隧道内二次衬砌施工专用主电缆分为照明回路和动力回路。照明回路因负荷小，供电距离较长，采用常规供电方式即可。动力回路负荷较大，现针对动力回路进行负荷计算。负荷种类及统计如表1所示。

表1 拱墙施工负荷统计

由表1可知，设备电动机总功率P1为207.5 kW，电焊机的额定功率P2和照明的额定功率P3均为0，视在总功率（总的电力负荷）PS为259.38 kV·A。

总的用电量为施工动力用电和照明用电两部分之和，动力负荷可按负荷性质分组需要系数法计算，变压器至总配电箱的电缆属于主电缆，在多个设备下需要考虑同时性，选择考虑需用系数的计算方式选型（包括电压器低压开关、总配电箱），即考虑系数的计算方法〔式（2）〕[5]得出的容量用于考虑变压器的低压出线开关大小选型、总配电箱选型以及主电缆的标准选择。

K1取0.5～0.7：电动机为3～10台时取0.7，11～30台时取0.6，30台以上取0.5；K2取0.5～0.7，电焊机为3～10台时取0.7，11～30台时取0.6，30台以上取0.5；K3取1.0。拱墙施工负荷计算数据如表2所示。由表2数据和式（2）计算得出总电力负荷PS0＝194.77 kV·A。总计算电流I＝281.12 A。

表2 拱墙施工负荷计算

3 新型稳压装置研发应用

3.1 新型稳压装置设计

该装置由主切换接触器、控制板、升压变压器等组成。当供电半径超过普通施工距离时，将新型稳压装置送至作业处，电源经此装置后再输出至设备端，即可保证更远距离的供电半径。此装置每次浇筑时随设备进入，浇筑完后随设备退出，解决了小直径隧道的通行问题，确保人电的相对安全距离。

根据总计算电流和压降计算，稳压装置需设置5个挡位，挡位之间能根据设备负荷自动切换。第1挡位电压变比为1.133，当输入为326～361 V时，输出为370～409 V；第2挡位电压变比为1.258，当输入为295～326 V时，输出为365～411 V；第3挡位电压变比为1.418，当输入为262～295 V时，输出为369～411 V；第4挡位电压变比为1.619，当输入为230～262 V时，输出为374～422 V；第5挡位电压变比为1.887，当输入为201～230 V时，输出为379～435 V。

3.2 隧道临电布置

3.2.1 电缆布置

电缆选型时除考虑电压降外，还应考虑使用的经济性。对于回路中任意一个用电设备而言，电压降应包含主回路（变压器到总配电箱）与其所在分回路的电压降之和。由式（1）可知，回路中功率越大，线路距离越远的用电设备，其电压降越大，若单一依靠增加电缆直径的方式降低电压降，会导致投入的电缆成本更高，且大材小用。

综合考虑，选取3×BLV1×300＋2×BLV1×120作为主芯线电缆，在满足符合使用要求的同时也能控制成本投入。主电缆也采用定长采购，长度与单次整体浇筑二次衬砌距离相同，从而使隧道主电缆一次布置成形，避免了二次搬运。

钢筋绑扎阶段和仰拱施工阶段采用二次衬砌电缆钩挂设电缆。二次衬砌电缆为定制加工产品，共设计可挂设8股线路，上部端头由螺帽焊接而成，弯钩处均穿绝缘套管，使用时将上部和下部绑扎在钢筋上固定即可。

二次衬砌电缆支架同样为定制加工产品，下部为凹槽状，中部为与隧道相同半径的圆弧钢筋，上部由短钢筋焊接而成。使用时二次衬砌电缆支架底部卡住轨枕端头，圆弧钢筋依靠在二次衬砌混凝土结构表面，将二次衬砌电缆钩上部的螺帽挂在支架上部短钢筋上即可。此创新设计可保证二次衬砌成形面的完整性，同时满足电缆架空方式的快速转换要求。

3.2.2 电箱布置

定制加工配电台车采用与拱墙台车同轨且中间可穿行设计，达到小直径隧道内配电箱的放置不影响隧道内水平运输且随作业面前移的效果。配电台车的另一作用是作为二级配电箱的布置平台，随作业面前移，这样二级配电箱至设备开关箱的电缆只需1次即可布置到位，减少设备端电缆的频繁移动。

3.2.3 拱墙台车临电布置

8台拱墙台车采用1根主线（3×25+2×10）供电，主线固定在拱墙台车上，主线在每组台车的间隔区采用快接式航空插头连接，一次性布置到位。前移台车时，仅需拔出插头收好多余电缆，到位后再连接插头即可恢复使用，保证了多台设备用电的独立性，同时避免了设备电缆频繁移动和布置杂乱。

3.3 2个供电阶段

供电方法由2个阶段组成，第1个阶段为市电变压器正常供电范围，电能通过主电缆经洞外一级配电箱至低压配电台车上的二级配电箱，再经低压配电台车上的二级配电箱、三级配电箱至二次衬砌用电设备；第2个阶段为超出市电变压器的正常供电范围，电能通过主电缆经洞外一级配电箱至新型稳压装置，再至低压配电台车上的二级配电箱、三级配电箱、二次衬砌用电设备。

3.3.1 二次衬砌施工距离0～1 km

所有二次衬砌用电设备均使用地面变压器供电。1号一级箱放置于洞口处，做好基础与防护。将1号二级箱与2号二级箱固定在配电台车上，拖泵与小罐车用电从1号二级箱接出，拱墙台车用电从2号二级箱接出。配电台车布置于拱墙台车之后，跟随作业面前移。经计算，0～1 km段在此种布线及负荷分配方式下，设备端在正常运转时的最低电压为375.52 V，可保证设备正常运转。

3.3.2 二次衬砌施工距离1～2 km

在此区间需要切换线路，具体操作为：拆除原主电缆与二级箱的连接，隧道主电缆延长至配电台车处→将新型稳压装置运送至配电台车之后，输入端接隧道主电缆，输出端接至二级箱。当设备均以额定工况运转时，新型稳压装置工作在第2挡位处输出稳定可用电压389.2 V。当设备启动和重载时，电压降增大，稳压装置输入端电压下降，稳压器监测到电压变化后向下调整到相应的挡位仍能满足使用。

4 结语

小直径隧道二次衬砌施工中，机械设备数量多，单台设备功率大，设备相对分散，采用常规建筑施工电压供电无法满足远距离供电要求，设备无法正常启动，使用寿命缩短。而采用长距离供电，线路压降大，线损严重，供电的经济效果差[6]。对于小直径隧道，高压进洞供电方案的变压器布置影响隧道设备通行，洞内所需配电箱数量多，体形大，小直径隧道中空间有限，无法满足设置变压布置平台的条件。通过优化隧道内临电布置方式和研发新型稳压装置，既保证了施工作业人员的安全，也解决了供电距离与经济效益的矛盾，使小直径隧道中二次衬砌施工供电得到保障。