城市轨道交通装配式车站综合接地系统优化设计

芮学宝

（中铁第六勘察设计研究院集团有限公司，天津 300250）

0 引言

目前，城市化建设速度不断加快，轨道交通同样也取得了迅速发展，由于轨道交通车站内部具有大量的强电和弱电设施，而这些机电设备在运行过程中必须要符合安全接地的要求，所以需要在整个车站的底板土层设置综合接地网。接地系统的构成主要包括自然接地和人工接地网2个部分。在装配式站，其装配段不能引出自然接地极，人工接地极穿过结构装配管也比传统站难度大。因此，该文还专门针对装配式地铁车站的接地系统进行全面设计。

1 一般综合接地系统的设计原则

接地网络是任何设施稳定运作的必要前提，在地铁设计的国家规范要求当中，对各项电器设备的接地方面提出了明确指示。

地下车站的人工接地网络一般所处的位置是在最底层的回填土中，其包括垂直、水平接地极以及接地引出装置这3个部分，详细的结构如图1所示。另外，还需要考虑具体的埋藏深度，不同深度下的土壤电阻率也有一定的差别，一般来说，至少应该将其铺设在结构底板的0.8 m以下的位置。另外，在轨道交通的地下车站内，结构底板应该埋藏在20 m以下这部分区域。如果在部分城市岩层较浅，针对这样的情况，可以适当减少其埋藏深度，这样可以降低整个工程的工作量。

水平接地极采用的材料往往是规格为5 mm×50 mm的紫铜带。所处的位置在变电站正下方，紫铜带在边缘区域应该封闭为圆角矩形，垂直部分接地极同样也采用相同规格的材料，两者相交接的地方应该进行焊接。

而接地绝缘引出装置往往采用的是无磁钢管，钢管上还应该有扁铜，它与钢管之间的连接应该运用硅橡胶，另外还要加入止水环，并将其保温并固定，将其镶嵌在整个底板上。在施工过程中，最为关键的是要保证引出装置可以和结构钢筋实现绝缘，并防范渗水现象的发生。另外引出装置所处的位置需要加设站台夹层，电缆不能设置在桩基附近。一般来说，总的引出极可以为4组，也可以为2组，4组的情况具体可以参考图1中的P1～P3，而2组的情况则为P4～P6。强弱电之间的接地引出极间距应该保持在20 m以上。

2 综合接地系统接地电阻值的确定

2.1 总接地电阻

针对电阻来说，目前许多国家都要求城市轨道交通地下车站总的接地电阻要小于0.5 Ω，这项数值的确定并没有明确的标准，大部分是根据实际的施工经验得出的，另外也有部分学者提出，在弱电类设备系统当中，除了做好电缆屏蔽之外，还要给精密的集成电路提供参考电机极，所以最终将接地电阻大小确定为0.5 Ω[1]。

针对其他的特殊情况来说，在实际计算公式过程中，应该结合以下公式，如公式（1）所示。

式中：R为季节变化的最大接地电阻，Ω；IG为计算用经接地网入地的最大接地故障部队称电流有效值，A。

图1 人工接地网示意图

对于弱电设备来说，在参考电位接地方面并不需要考虑防雷效果，而需要考虑高频电流接地。该系统的接地效果主要取决于对应频段的阻抗，因此公平电阻值在此时的作用并不明显，即使它达到了规定0.5 Ω的接地电阻，也有可能导致该设备并不能正常运作。对于弱电设备的接地来说，更应该对其阻抗进行合理地选择，运用接地电缆来实现接地。

综上所述，在整个接地系统内，将接地电阻规定为0.5 Ω并不是强制性的1项规定，所以在工程建设中也没有必要为了这0.5 Ω而大大增加整体的工程造价，提升工程的建设难度。

2.2 人工接地网的接地电阻计算

对于水平接地网来说，采用的材料规格为50 mm×5 mm的紫铜排管，所处的位置是该变电站的下方位置，在电阻方面具体计算可以结合公式（2）完成[4]。

为了便于计算，令

可得

而符合接地极的形状系数

式中：Rn为任意形状边缘闭合接地网的接地电阻，Ω；Re为等值方形接地网的接地电阻，Ω；S为接地网总面积，m2；d为水平接地极的等效直径，m；h为水平接地极的埋设深度，m；L0为接地网的外缘边线长度，m；L为水平接地极的总长度，m；ρ为土壤电阻率；B为方形接地网形状系统。

3 装配式车站介绍

3.1 装配式车站主体结构基本概况

目前我国城市轨道交通发展得较为迅速，提升速度的关键是预制技术，在综合轨道交通建设过程中，预制技术应用得越广，相应的建设速度也会更快，也体现了更高的技术水平[2]。未来部件的预制化必然也是工厂的主要发展趋势，这项技术不仅能够帮助改善整个工程的质量，同样也可以使工期以及成本得到更好的控制，另外，这对于改善地下工程的施工环境来说也具有突出贡献。

具体的装配式车站结构可以参考图2，这个结构具体包括了ABCD 4种不同的构件，每一个构件两者之间是借助于螺纹钢实现连接。中板主要运用现淋结构制作而成。在完成拼装之后再实现现浇，最后运用交圈梁连接而成，顶上的部分需要覆盖土壤，厚度为4 m～5 m。

3.2 装配式车站施工流程

当完成了基坑的挖掘工程之后，为了进一步减少构件拼装过程存在的误差，首先必须要完成基底精平条带的施工，接下来再拼装2个A块，然后在左右两边分别拼装B块，最后再完成C和D这2个部分的拼装。

3.3 装配式车站综合接地系统的设计存在的问题

就接地方面来说，装配式车站和一般车站两者相比，其特殊的地方主要包括以下2个方面[3]：1） 由于装配式车站的装配段为预制拼装结构，所以车站的综合接地引上极在装配段操作起来较为困难。如果在拼装管片上预留引上孔，孔洞的现场封堵和防水问题很难处理。2） 装配段的结构缺乏自然的接地体。

3.4 装配式车站综合接地系统的设计注意事项

装配式车站综合接地系统的设计注意事项：1） 应该在整体的结构底板0.8 m以下这部分设置水平、垂直接地体。2） 要在主体结构现浇段这个区域内将接地引上线引出，如果现浇段强、弱引出极距离不能满足20 m的间距，可在装配段下部的水平接地体取点，然后焊接铜排至现浇段再引上至站台板下。只要在水平导体路径上强、弱电引出极保证20 m间距即可（如图3中的 P4、P5、P6引上点）。3）根据现有工程的实际情况，有部分工程装配式车站不设置自然接地体，主要为了防止防止杂散电流对主体结构的影响。从人身安全的角度考虑，结构钢筋应用综合接地网进行等电位连接，而结构钢筋在被杂散电流钝化后其影响也微乎其微。所以，还是应该利用现浇段中的结构钢筋设置自然接地体（如图3中的 Z2）。4） 此外，对于装配管片内部的钢筋，应做好管片和管片之间、管片与金属设备及管线间的电气绝缘，以免因电位差造成人生安全事故。

4 自然接地极与杂散电流

GB 50157—2013《地铁设计规范》规定：“结构钢筋不应用作排流网”。部分学者指出地铁网络中道床部分主杂散电流收集网络可能会在该地铁线长期运行之后受到自然界的腐蚀而失效。此时，如果不全线停运更换杂散电网采集网，结构钢筋将被迫参与杂散电流的采集。

图2 装配式车站结构

图3 装配式车站综合接地网局部

部分学者并不支持将结构钢筋同时作为自然接地级以及杂散电流采集体[1]，但是在笔者看来并不是这样，由于地铁在最初建设的过程中，钢轨和道床本身具有良好的绝缘性，牵引供电回流该过程都是从钢轨开始的，而在道床和结构钢筋当中存在的杂散电流比较小。在这一前提下，杂散电流存在的平均正向偏移以及在整体结构钢筋中存在的漏电流密度相对安全，并且也会控制在标准要求的范畴内。此时可以认为杂散电流影响的主要是钝化。在结构钢筋中可能存在的杂散电流也是被控制在可控范围内的。

随着地铁站投入运行时间的不断加长，整个站站点内部的情况也会越来越复杂。轨道上可能存在常年积水的现象，道床洁净程度也不能得到保证，道床本身其绝缘性会逐步受到破坏。此时就可能会在结构钢筋中存在杂散电流的现象，后期工作人员需要结合杂散电流系统监测的结果完成及时检修和排查，尽量减少在结构钢筋中存在的杂散电流的情况。

5 综合接地系统方案

在地铁车站中，当整个车站的横纵梁方向上的主钢筋完成焊接以后，此时可以将其与扶梯、电缆、屏蔽门等相应的金属体进行连接，这也是1种自然接地极，而在整个车站结构下部应该加设人工接地网，该网络与结构漏板当中的结构实现连接，此外还需要将人工地网和自然接地网络分开进行建设，做好其连接和分离条件的预留，只有这样才能够在完成建设后对单独的接地电阻值进行测量，结合测量的相应杂散电流状况确定是否需要将自然接地和人工接地网络两者连接。

针对通信方面的相应设施来说，包括火警、气体报警系统和信号系统等，这些设备也要借助于弱电接地端子箱实现与接地电缆之间的连接。

地铁装配式车站综合接地是系统性设计工作，在方案设计过程中应该注意以下4点：1） 在综合接地系统内，其接地的电阻值在计算过程中应该借助于最大接地故障的不对称电流完成计算，同时也要结合实际施工情况灵活进行调整。2） 需要将人工地网和自然地网两者之间的连接条件和分离条件等进行提前预留，然后要结合杂散电流的监测结果确定是否需要将两者连接。3） 在接地方案的设计上需要考虑的因素较多，不仅有车站内的人身安全，同时还有各项设施的正常运作，是否能够保证强弱电设备的运行等。 4） 在装配式车站结构当中，自然接地体应该充分运用现浇段部分来引出，另外还要实现自然接地体和人工接地体两者之间的连接。由于传递段结构钢筋不接地，管片钢筋电绝缘，装配段设备外壳等安全接地应考虑等电位连接。

6 结论

地铁装配式车站是全新的车站建筑模式，解决了传统地铁地下车站建设难度大、周期长、投资高这一普遍性难题，国内很多城市都在做试点推广。配合装配式车站相关的系统设计都需要根据具体的车站方优化设计，该文从综合接地设计原则、装配式车站与传统车站的区别、接地方案接地电阻的计算、装配式车站注意事项等方面进行说明，提出了装配式车站综合接地优化的设计方案，既可以达到良好的短路接地防护效果，稳定各项设备的运作，也可以保障地铁出行的人们的生命安全。