既有变电站10 kV高压室基础托换技术

侯光荣

（佛山电力设计院有限公司 广东佛山528200）

1 工程概述

某110 kV 户内变电站［1-2］于2014 年12 月建成投产，主体结构和主变压器基础均采用预应力管桩处理地基。而位于首层的10 kV高压室和接地变室没有采用桩基础，仅在基础下部设置了200 mm 厚的钢筋混凝土底板，且与结构主体脱开。

2015年10月发现10 kV 高压室地面下沉，引起母线桥和母线穿墙套管变形，立即将母线穿墙套管两端改为软联接，并通过调整母线桥吊杆长度调平了母线桥，保证了变电站的正常运行。同时业主委托了有资格的测量单位对结构主体、变压器室、10 kV 高压室、接地变室进行沉降观测。经过2015 年10 月～2017 年6月之间共8次测量，数据显示结构主体和变压器室基本没有沉降，而10 kV高压室地面沉降整体呈锅底形，中间沉降最大四周沉降较小，最大沉降达到80 mm，并且沉降没有稳定的趋势，接地变室也有沉降，严重影响变电站的安全运行，必须对10 kV 高压室和接地变室进行处理。

2 沉降原因分析

2.1 地质条件

本变电站位于深圳市宝安区沙井镇，地貌上属于珠江三角洲平原腹部，地势平坦开阔。场地原为鱼塘，现被填平。经钻探揭露，场地地基由人工填土、第四纪海相沉积层、第四纪残积层及震旦纪混合岩组成。各岩土层特征分述如下。

〈1〉素填土：分布于全场地，层厚2.7～3.5 m，为新近填土，未经压实。

〈2〉淤泥：分布于全场地，层厚3.6～6.3 m，土层呈深灰色，饱和，流塑。夹薄层粉砂，属高压缩性土层。

〈4〉粉质粘土：分布于全场地，层厚4.2～11.9 m，饱和可塑。属中压缩性土层。

〈5〉残积砂质粘性土：分布于全场地，层厚2.0～5.8 m，饱和，可塑～硬塑。属中压缩性土层。

〈6〉全风化基岩：分布于全场地，层厚3.1～11.0 m，岩芯连续完整，承载力特征值为330 kPa。

〈7〉强风化基岩：分布于全场地，层厚1.3～8.9 m，岩芯连续完整，承载力特征值为550 kPa。

2.2 原因分析

新近填土分布于全场地，平均层厚3.15 m，未经压实，承受高压室荷载后，必然会产生沉降。

淤泥分布于全场地，平均层厚4.95 m，饱和流塑，夹薄层粉砂，属高压缩性土层。在上部新填土自重和高压室荷载作用下，会逐渐排水固结，竖向没有排水通道，仅水平向薄层粉砂可以作为排水通道，根据软土排水固结原理［3-6］，可以判定这种固结沉降是漫长的，不会在短期内完成。

综合考虑以上2种因素就不难理解变电站投产近3 年时间10 kV 高压室和接地变室沉降还没有稳定的原因了。

3 加固方法比选

高压柜沉降是填土和淤泥引起的，在高压室内进行加固处理，因受到层高的限制，只能利用预制小方桩或钢花管桩穿过淤泥和填土层，直接支承在岩层上，再利用水平钢梁将高压柜托起，才可彻底解决沉降问题。

预制小方桩常用截面为200 mm×200 mm、250 mm×250 mm、300 mm×300 mm，经计算3 种截面所对应的单桩承载力特征值分别为370 kN、500 kN、640 kN，若压桩力取为单桩承载力特征值的1.5 倍，则最小的压桩反力为555 kN，虽然本站高压室下面有200 mm 厚钢筋混凝土底板，但在局部承受555 kN的集中力会使底板变形较大，甚至会局部抬起混凝土底板，影响高压柜的正常运行，且桩自重也较大，不便于人工搬运。

静压钢花管桩是从树根桩［6］演变而来的一种地基加固托换技术，经改进，直接用钢管代替钢筋笼和套管，并借鉴锚杆静压桩的原理和方法，将钢管压入土中不需拔出，同时在钢管壁上梅花型开孔，然后向钢管内填灌碎石并高压注浆，使水泥浆液不但能够充满碎石空隙，而且能够通过钢管壁上的梅花型孔进入周围土层，将原状土加固，同时增大钢花管桩周围的摩阻力，该处理法即能够起到静压注浆法［7］的作用，且使灌浆的质量更便于控制，同时也起到锚杆静压小方桩的作用，且压桩力是锚杆静压混凝土小方桩的50%左右，施工过程中对带电设备产生扰动小，可将施工对带电设备的影响降到最低，同时其自重轻，便于人工搬用。

综合比较2 种桩的优缺点，决定采用锚杆静压钢花管桩托换高压柜。

4 10 kV高压柜托换

4.1 钢花管桩布置

由于10 kV 高压室的跨度为10.8 m，为了减小钢梁的截面高度，需在跨度中间位置增加一排钢花管桩，钢花管桩直径φ 160 mm，每节长度2.0 m，平均桩长18.0 m，以全风化岩为持力层，单桩承载力特征值为220 kN。经综合考虑高压柜自重、排列方式、控制钢梁截面高度等因素，共需布置φ 160 mm 钢花管桩10根（见图1）。

4.2 钢花管桩施工

锚杆静压钢花管桩是一种将锚杆和静力压桩结合而形成的施工方法，具体施工过程如下：

⑴钢花管桩施工时高压室不用停电，但需用2.5 m高度的木板封闭高压柜，并安排专人对高压柜等设备进行监视。

图1 新增桩布置Fig.1 Layout of New Piles

⑵ 在原200 mm 厚度的钢筋混凝土底板上钻φ 200 mm 的压桩孔和4 个φ 30 mm 锚杆孔，再用粘接剂锚固种植锚杆［8］。

⑶将反力架安装在锚杆上，用千斤顶将桩逐段压入土中，每节之间必须焊接牢固。

⑷在钢花管内先放入φ 50 mm钢管，要求插到底后再灌满碎石。

⑸通过φ 50 mm钢管高压灌注水泥浆，直至管口有水泥浆液返出为止。

⑹在钢管外侧均匀焊接6根锚筋，浇筑新承台并预埋钢板准备与钢梁连接。

4.3 钢托换梁的布置

利用新桩承台和主体结构的原有桩承台作为支点，架设一级托换钢梁，再利用一级托换钢梁支承二级钢梁，二级钢梁支承三级钢梁，完成高压柜的托换。钢托换梁的布置如图2 所示，其中GL-A～D 为一级钢梁，GL-E为二级钢梁，10号槽钢为三级钢梁（图略）。

图2 钢梁布置Fig.2 Layout of Steel Beam

4.4 钢托换梁的安装

同钢花管桩施工一样，一、二级钢托换梁的安装也不用停电，但仍需用2.5 m 高度的木板封闭高压柜，并安排专人对高压柜等设备进行全程监视。

从图2 可以看出，高压室下边和右边相邻站内道路，为了保证绝对安全，必须在相邻道路两侧的砖墙上一、二级钢梁对应的位置对应的高程开洞，将所有钢梁从地面以下逐段运到室内再拼装［9-10］。

具体安装过程如下：

⑴对照一、二级钢梁的设计位置和高程，在高压室外墙和室内电缆沟壁上凿洞（见图3）。

⑵按照一、二级钢梁的设计位置和高程，在室外地面开挖沟槽，长度约6.0 m，深度约0.6 m。

⑶钢梁分段制作并热镀锌，长度控制在6.0 m内。

图3 钢梁穿墙示意图Fig.3 Schematic Diagram of Steel Beam through Wall（mm）

⑷首先就位一级钢梁GL-A～D，按设计要求全部采用螺栓连接好，并用砂浆封堵相应砖墙上的洞口和缝隙。

⑸其次就位二级钢梁GL-E，并用螺栓与一级钢梁连接，并用砂浆封堵相应砖墙上的洞口和缝隙。

⑹最后就位三级钢梁，三级钢梁安装时必须分段停电施工，并做好安全措施。

5 高压室电缆沟托换

通过钢梁托换后，虽然保证了高压柜的正常运行，减小了作用在地基上的荷载，但电缆沟仍处于软基上，仍会产生沉降，使得电缆与高压柜的接头会被慢慢拉紧，将来也会影响高压柜的正常运行，所以高压室电缆沟也必须进行托换。

电缆沟底板以上的填土和电缆的平均荷载约为18 kPa，高压室面积约为390 m2，所以初步估算大约需要布置38 根φ 140 mm 钢花管桩，结合高压室内的设备和电缆沟的具体情况，实际布桩41根（见图1）。

φ 140 mm钢花管桩单桩承载力特征值为180 kN，施工过程完全同φ 160 mm钢花管桩，但唯一不同的是要封桩。封桩前必须清除干净压桩孔内的杂物和积水，用2φ 16 mm钢筋交叉焊接于锚杆上，同时在原有钢筋混凝土底板下100 mm 处沿桩头双向布置弯起钢筋，再用C30 微膨胀早强混凝土浇注压桩孔，在桩孔顶面以上浇注桩帽，厚度不得小于150 mm，才可保证钢管桩与原有200 mm 钢筋混凝土板连成整体，起到托换作用。

6 接地变基础托换

接地变室地质情况同高压室，同样道理，也采用φ 160 mm锚杆静压钢花管桩进行基础托换。

首先在原设备基础长边两侧植钢筋，将原来3 个独立的设备基础连成整体（见图4），并在新增钢筋混凝土厚板下布置12根钢花管桩，压桩结束后也应封桩（见第5节），才可将钢管桩与500 mm厚新增钢筋混凝土板连成整体，达到托换的目的。

图4 接地变基础托换Fig.4 Grounding Transformer Foundation Underpinning（mm）

7 结论

本变电站建成3年多后高压柜和接地变基础沉降不稳定，主要原因是地基中的新填土自身沉降和淤泥固结沉降。

首先利用φ 160 mm钢花管桩和钢梁托换了高压柜，然后再利用φ 140 mm钢花管桩和原有200 mm 的钢筋混凝土板托换电缆沟，最后对接地变基础进行托换，历经3个多月完成了全部托换工作。

在既有变电站中进行基础托换处理，不但要保证托换工程本身质量，还要确保施工机具、人员与电气设备的安全，增加了设计和施工难度。经过设计、施工、运行、监理人员的密切配合，基本在不停电的情况下顺利完成了托换工程。本变电站托换处理完成已经有3年多，再没有出现下沉现象，保证了变电站的安全运行，达到了预期目的。