城市軌道交通新型裝配式軌道與雜散電流防護(hù)技術(shù)接口研究

田德倉(cāng) 黃德亮 尉大業(yè)

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

1 概述

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和發(fā)展，城市空間發(fā)展模式逐漸由單核向多核演變，城市軌道交通建設(shè)應(yīng)適應(yīng)城市空間發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，給城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新機(jī)遇。廣州擬規(guī)劃80～250 km/h不同速度級(jí)城市軌道交通，實(shí)現(xiàn)主城與衛(wèi)星城、組團(tuán)、多核心之間的交通聯(lián)系，刺激組團(tuán)內(nèi)部、衛(wèi)星城的經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)[1]。為提高城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)效率，積極開(kāi)展裝配式軌道相關(guān)研究很有必要。

上海、北京、深圳、蘇州等地鐵建設(shè)中引進(jìn)了高速鐵路技術(shù)，采用與CRTSⅢ型板類(lèi)似的裝配式軌道技術(shù)。傳統(tǒng)地鐵軌道系統(tǒng)中，受基礎(chǔ)沉降和溫度梯度影響，板下與自密實(shí)混凝土之間容易開(kāi)裂，導(dǎo)致地鐵鋼軌對(duì)地電阻值下降較快，運(yùn)營(yíng)期間地電阻值容易小于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中15 Ω·km的限值要求。針對(duì)軌道絕緣性不足等問(wèn)題，提出了一種新型預(yù)制裝配式軌道結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行深入分析。

2 城市軌道交通新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)

2.1 裝配式軌道在城市軌道交通的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

裝配式無(wú)砟軌道整體性好，其道床具有較高的耐久性；現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)少，方便現(xiàn)場(chǎng)施工管控；可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工技術(shù)；可利用信息化手段提高裝配式軌道施工鋪設(shè)精度，建造數(shù)據(jù)有可追溯性，可實(shí)現(xiàn)較高的軌道TQI質(zhì)量指數(shù)；施工環(huán)境好，軌道工程質(zhì)量高[2]。

2.2 采用新型裝配式軌道提高軌道結(jié)構(gòu)耐久性

列車(chē)荷載應(yīng)力波在軌道結(jié)構(gòu)自由面反射成拉伸波，易使混凝土產(chǎn)生破壞(稱(chēng)為層裂)[3]。高速鐵路中，對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，即土工布隔離層結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)實(shí)踐，土工布隔離層下的澆筑層仍然容易發(fā)生開(kāi)裂、破碎[4]。通過(guò)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)砂漿層傷損機(jī)理、隔離層材料剛度對(duì)砂漿層力學(xué)特性影響、隔離層材料等方面的研究，提出一種新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)示意

隔離層材料采用微彈性雙層結(jié)構(gòu)，既能方便軌道板起吊更換，又能提供較好彈性，提高板下自填充砂漿層耐久性，同時(shí)也為地鐵雜散電流接口設(shè)計(jì)提供條件。

2.3 微彈性隔離層性能

微彈性隔離層采用8 mm厚封閉發(fā)泡技術(shù)的聚氨酯或橡膠材料制造，起到如下3個(gè)作用：①增加軌道彈性，緩沖結(jié)構(gòu)受力，降低軌道結(jié)構(gòu)傷損；②提高軌道絕緣性，減少雜散電流泄露，干態(tài)電阻值為108Ω；③割線剛度≤0.09 N/mm3。與一般地段整體道床相比，可實(shí)現(xiàn)2～3 dB的減振效果。微彈性隔離層現(xiàn)場(chǎng)效果見(jiàn)圖2。

圖2 新型裝配式軌道用隔離層

3 雜散電流防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)多存在雜散電流現(xiàn)象(地鐵迷流)[5]，目前我國(guó)軌道工程中，一般采取鋼筋點(diǎn)焊，內(nèi)設(shè)排流條和端子等措施，來(lái)防止迷流破壞鄰近結(jié)構(gòu)物。因此，雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[6]。

3.1 雜散電流對(duì)軌道交通的危害

直流牽引供電系統(tǒng)中牽引電流由鋼軌流回至牽引變電所過(guò)程中，有一部分由鋼軌流入大地再返回至牽引變電所，被稱(chēng)為雜散電流[7]。雜散電流沿線穿越金屬管線或鋼筋結(jié)構(gòu)，電荷與金屬鐵單質(zhì)結(jié)合形成鐵離子流失到土壤里，逐漸對(duì)沿線金屬結(jié)構(gòu)腐蝕破壞(見(jiàn)圖3)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和人員安全。

圖3 直流供電系統(tǒng)雜散電流腐蝕示意

3.2 雜散電流泄漏途徑

裝配式軌道自上而下結(jié)構(gòu)為鋼軌、扣件、軌道板(帶隔離層)、細(xì)石鋼纖維混凝土調(diào)整層。軌道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)雜散電流泄漏途徑：走行軌→軌道板→隔離層→隧道基礎(chǔ)，再返回至牽引所的負(fù)極[8-9]。

3.3 裝配式軌道雜散電流接口標(biāo)準(zhǔn)

CJJ/T49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》第4.2.1條 規(guī)定：“兼做回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過(guò)渡電阻值(按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測(cè)量并換算為1 km長(zhǎng)度的電阻值)，對(duì)于新建線路不應(yīng)小于15 Ω·km，對(duì)于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω·km[10]。”

CJJ/T49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》5.3.5第14條規(guī)定：“具備鋪設(shè)條件的道床區(qū)段應(yīng)鋪墊道床素混凝土，其鋪墊厚度不小于400 mm。當(dāng)?shù)来膊捎娩摻罨炷两Y(jié)構(gòu)或受條件限制道床素混凝土厚度達(dá)不到400 mm時(shí)，應(yīng)在道床下面鋪設(shè)耐久絕緣層或采取其他絕緣措施”。第17條規(guī)定：“當(dāng)?shù)罔F采用防護(hù)工程方案三時(shí)，走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)、對(duì)地的過(guò)渡電阻值不應(yīng)低于15 Ω·km[11]?！?/p>

綜上，走行軌對(duì)地過(guò)渡電阻對(duì)雜散電流的大小和腐蝕量起著決定性作用，走行軌對(duì)地過(guò)渡電阻越大， 沿線雜散電流越小，腐蝕量越少[12]。

3.4 絕緣性改善

通過(guò)裝配式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)隔離層和灌注層的傷損機(jī)理分析，隔離層材料力學(xué)、電學(xué)特性影響分析，材料試制、試鋪和力學(xué)電學(xué)試驗(yàn)研究，使新型隔離層材料既能方便軌道板更換，又能提供較好的彈性、板下墊層耐久性，同時(shí)提高地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 新型裝配式軌道絕緣性能分析

4.1 既有線類(lèi)比測(cè)試情況

對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵線進(jìn)行鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻檢測(cè)，鋼軌測(cè)試數(shù)據(jù)包括鋼軌縱向電阻測(cè)試與過(guò)渡電阻測(cè)試。

(1)普通道床測(cè)試數(shù)據(jù)

①鋼軌縱向電阻

依照文獻(xiàn)[13]，鋼軌縱向電阻檢測(cè)原理見(jiàn)圖4。

圖4 鋼軌縱向電阻檢測(cè)原理

鋼軌本體縱向電阻RR10m計(jì)算式為

(1)

②鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻

按照相關(guān)文獻(xiàn)，隧道內(nèi)鋼軌對(duì)地的過(guò)渡電阻測(cè)量原理見(jiàn)圖5。

圖5 走行軌過(guò)渡電阻檢測(cè)原理

(2)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵普通道床區(qū)段和新型裝配式軌道區(qū)段的鋼軌測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可看出，鋼軌縱向電阻值相當(dāng)?shù)那闆r下，采用文中提出的道床絕緣方式，過(guò)渡電阻值提高1倍，滿足建設(shè)期和運(yùn)營(yíng)期間的規(guī)范限值要求。

表1 鋼軌測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

(1)縮比模型制備

結(jié)合擬定的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立室內(nèi)縮比模型[14]。模型構(gòu)成：2塊預(yù)制平板基座(模擬板下填充層)和2塊預(yù)制構(gòu)件(模擬軌道板)，平板上現(xiàn)澆2塊基座，均采用C40混凝土。其中，平板基座尺寸為500 mm×500 mm×200 mm，U形基座底部尺寸為500 mm×500 mm，高200 mm，U形槽的深度為50 mm，長(zhǎng)寬為300 mm×300 mm，軌道板尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。在每塊基座與軌道板中部預(yù)埋測(cè)量電極，道床結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6、圖7。

圖6 縮比道床混凝土結(jié)構(gòu)俯視(單位：mm)

圖7 縮比混凝土道床結(jié)構(gòu)側(cè)視(單位：mm)

分別將2個(gè)預(yù)制構(gòu)件表面粘上2 mm厚土工布和涂上2 mm厚新型裝配式減振墊材料，并保證土工布與新型裝配式減振墊材料覆蓋的表面積大小相同，覆蓋的厚度保持基本一致。將2個(gè)軌道板分別放入現(xiàn)澆的U形基座中。

(2)混凝土電阻率測(cè)試方法

在實(shí)驗(yàn)室采用四電極法測(cè)定混凝土電阻率。四電極法的電極間電場(chǎng)分布均勻，測(cè)試結(jié)果較為準(zhǔn)確，測(cè)量示意見(jiàn)圖8。其中，E1和E4為供電電極，E2和E3為電壓測(cè)量電極；電源加載到E1與 E4上，存在極化現(xiàn)象；E2與E3電極僅用于測(cè)量電壓，流經(jīng)的電流≈0，E2、E3處基本無(wú)極化現(xiàn)象。這樣測(cè)出的電壓與電流之比為E2與E3之間的混凝土材料電阻。在試件澆筑前均先涂抹潤(rùn)滑油再安裝電極片，以保證電極片表面干凈，與混凝土砂漿接觸良好[15]。

圖8 混凝土電阻率測(cè)量示意

(3)模擬道床結(jié)構(gòu)絕緣電阻測(cè)量原理

分別測(cè)量干燥條件和潮濕條件下新型裝配式減振墊和土工布的絕緣性能[16]。潮濕條件下指分別將鋪設(shè)土工布和減振墊的構(gòu)件結(jié)構(gòu)放入水中浸沒(méi)，浸泡24 h，然后取出，瀝干表面水分。測(cè)量比較不同電極棒位置的電阻大小。測(cè)量示意圖見(jiàn)9，紅線為減振墊或土工布，R0表示其電阻大小，上下兩混凝土塊的電阻分別為R1、R2。

圖9 道床結(jié)構(gòu)電阻測(cè)量示意

將混凝土構(gòu)件放置在兩塊電極板之間，在上下兩電極板與混凝土構(gòu)架的接觸面涂抹導(dǎo)電膏，減小接觸電阻，上下電極板間分別通入500 V電壓，在回路中串聯(lián)耐壓微安表，在上下電極板間的鋼筋處并聯(lián)電壓表，上下電極棒間的電壓為Uβ，流過(guò)上下電極棒間的電流為Iβ，分別測(cè)量1-1對(duì)應(yīng)的電極棒、2-2對(duì)應(yīng)的電極棒和3-3對(duì)應(yīng)的電極棒間的電阻Rβ，有

(2)

Rβ=R0+R1+R2

(3)

測(cè)量流過(guò)Rβ的電流Iβ和其兩端的電壓Uβ，則可通過(guò)式(2)求出Rβ，通過(guò)式(3)可表達(dá)出Rβ、R0、R1和R2的關(guān)系。

(4)實(shí)驗(yàn)計(jì)算原理

根據(jù)歐姆定律，對(duì)混凝土試塊的電阻值進(jìn)行計(jì)算?；炷岭娮杪适腔炷恋挚闺娏魍ㄟ^(guò)的能力[17]。本次計(jì)算中，忽略土工布與新型裝配式減振墊成品的厚度，混凝土電阻計(jì)算見(jiàn)式(4)、式(5)，體積電阻率α計(jì)算見(jiàn)式(6)～式(8)。

(4)

(5)

S0=S2

(6)

R0=Rβ-R1-R2

(7)

(8)

式中，α為體積電阻率；h為隔離材料厚度；S0為隔離材料表面積；R1與R2均為測(cè)量值；電阻率均為ρ；上電極板的混凝土塊陰影部分橫截面積為S1，高為L(zhǎng)1；下電極板的混凝土塊陰影部分橫截面積為S2，高為L(zhǎng)2。

由式(4)與式(5)可算得R1和R2；根據(jù)式(7)得到電阻R0；由式(6)與式(8)可得到隔離材料體積電阻率[18]。

(5)實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果

由所測(cè)數(shù)據(jù)得出Rβ值，繪制得到1 000 V潮濕土工布下電極棒不同位置Rβ，見(jiàn)圖10。由圖10可以看出，潮濕土工布的絕緣性能，電極棒在不同位置下的影響不大。由不同位置下測(cè)得的電極棒1-1、電極棒2-2、電極棒3-3三者的平均值來(lái)代替Rβ。

電極棒在不同位置下的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，電極棒在不同位置時(shí)電阻R基本相同，故表中的Rβ由三者的平均值來(lái)代替。分別測(cè)得干燥土工布、干燥新型裝配式減振墊成品、潮濕土工布和潮濕新型裝配式減振墊成品的Rβ，再計(jì)算平均電阻Rβ和體積電阻率α。

表2 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)記錄

圖10 1 000 V潮濕土工布下電極棒不同位置的Rβ(R總)

由表2可知，土工布內(nèi)空隙被自填充混凝土填充，已經(jīng)不是絕緣體。干燥環(huán)境下，新型裝配式減振墊成品體積電阻率是土工布體積電阻率的22 651.899倍；潮濕環(huán)境下，新型裝配式微彈性層成品體積電阻率是土工布體積電阻率的33.676倍。采用該道床絕緣方式，室內(nèi)分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果正相關(guān)。

5 結(jié)論

(1)在工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，采用設(shè)置微彈性絕緣隔離層的新型裝配式軌道后，鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻提高到普通軌道區(qū)段鋼軌對(duì)地過(guò)渡電阻的2倍以上。

(2)在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，建立道床塊縮比模型，在2種不同隔離材料下測(cè)試其不同工況的絕緣性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干燥環(huán)境下，新型裝配式減振墊成品體積電阻率是土工布體積電阻率的22 651.899倍；潮濕環(huán)境下，新型裝配式減振墊體積電阻率是土工布體積電阻率的33.676倍。潮濕工況下，采用減振墊作為隔離層材料，可以顯著提高鋼軌對(duì)地的絕緣性能。

(3)新型裝配式軌道具有鋪設(shè)質(zhì)量高，軌道耐久性好等優(yōu)點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工。潮濕環(huán)境下，新型裝配式軌道較傳統(tǒng)裝配式軌道絕緣性能更好，能有效提高對(duì)雜散電流泄漏的控制。