時(shí)速200 km鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)優(yōu)化方案及控制要點(diǎn)

周 勇，周建和，劉 明

0 引言

時(shí)速200 km及以下的城際鐵路或普速鐵路的隧道空間較小，接觸網(wǎng)布置較為緊湊，在以往施工中常出現(xiàn)定位器無(wú)法正常安裝、絕緣距離不足、零部件侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線等問(wèn)題，給現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)很大的調(diào)整工作量，若調(diào)整不當(dāng)，將給后期運(yùn)營(yíng)留下安全隱患。筆者認(rèn)為出現(xiàn)該類(lèi)問(wèn)題主要是腕臂參數(shù)設(shè)置、定位器選型以及吊柱限界控制未針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行逐一計(jì)算分析和模擬安裝導(dǎo)致，如在施工前進(jìn)行合理的方案優(yōu)化，則完全可以避免此類(lèi)問(wèn)題的出現(xiàn)。本文對(duì)黔張常鐵路AT供電方式下隧道內(nèi)接觸網(wǎng)施工中容易出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，為避免出現(xiàn)以上問(wèn)題而采取相應(yīng)的優(yōu)化方案，并闡述取得的成果。

1 雙線隧道內(nèi)空間結(jié)構(gòu)

黔張常鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速為200 km，雙線隧道直線區(qū)段上下行線間距為4.4 m，在曲線區(qū)段上下行線間距有所加寬，隧道內(nèi)也會(huì)對(duì)應(yīng)加寬。普通區(qū)段隧道頂距低軌面8.15 m；非絕緣錨段關(guān)節(jié)段隧道頂距低軌面8.5 m；絕緣錨段關(guān)節(jié)段隧道頂距低軌面9.0 m；曲線區(qū)段線間距加寬，對(duì)應(yīng)隧道頂高度相應(yīng)加高，見(jiàn)表1。

表1 隧道內(nèi)線間距加寬隧道頂對(duì)應(yīng)高度 mm

2 隧道內(nèi)腕臂參數(shù)優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

黔張常鐵路采用AT供電方式，隧道內(nèi)設(shè)有正饋線和保護(hù)線，保護(hù)線經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)置在上下行腕臂吊柱之間固定，吊柱間需保證0.4 m的空間，直線區(qū)段吊柱中心距隧道中心按300 mm控制，吊柱寬度為200 mm，在線間距為4.4 m時(shí)吊柱限界為2.4 m，如圖1所示；接觸線高度為5.9 m，結(jié)構(gòu)高度為1.0 m；腕臂裝配依據(jù)通化（2009）1008-Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ隧道內(nèi)全補(bǔ)償鏈形懸掛安裝圖。本文圖中數(shù)值單位均為mm。

圖1 雙線隧道內(nèi)腕臂裝置及附加導(dǎo)線布置

2.2 采用通用圖腕臂參數(shù)出現(xiàn)的問(wèn)題

接觸網(wǎng)采用AT供電方式，腕臂上方預(yù)留正饋線安裝及絕緣空間。承力索設(shè)計(jì)高度為6.9 m，即上底座安裝高度為6.82 m；本線結(jié)構(gòu)高度較通用圖中減小0.2 m，因此上下底座間距也由通用圖中的1.4 m縮至1.2 m；限界為2.4 m。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)計(jì)算腕臂參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知，正定位時(shí)定位器支座與定位環(huán)沖突無(wú)法正常安裝，即便完全按照通用圖結(jié)構(gòu)高度設(shè)置為1.2 m，上下底座間距設(shè)置為1.4 m，定位器也只能勉強(qiáng)安裝上，當(dāng)存在曲線超高或限界負(fù)誤差時(shí)將存在問(wèn)題。

圖2 按通用圖參數(shù)設(shè)置計(jì)算的腕臂

2.3 腕臂參數(shù)優(yōu)化方案

通過(guò)圖2分析可知，由于承力索高度降低壓縮了結(jié)構(gòu)高度，導(dǎo)致斜腕臂傾斜角度加大，定位器支座與定位環(huán)沖突無(wú)法正常安裝。解決的辦法一種是加大套管雙耳距承力索距離，另一種是抬高下底座安裝高度，以使定位環(huán)向底座方向移動(dòng)。

經(jīng)過(guò)計(jì)算軟件模擬，加大套管雙耳距承力索距離所產(chǎn)生的效果并不理想，即使其距離增加到500 mm也無(wú)法解決定位器安裝問(wèn)題，定位器支座在定位管壓接棱角處，且無(wú)調(diào)整空間，所以只能通過(guò)采用抬升下腕臂底座高度的方法來(lái)解決定位器安裝問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)計(jì)算軟件模擬，上底座高度不變，上下底座間距減小至1 m時(shí)，剛好滿足定位器支座的安裝條件，但施工調(diào)整量非常小，在征求設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)單位意見(jiàn)后，將上下底座間距調(diào)整為0.9 m，定位環(huán)在斜腕臂上、定位器支座在定位管上可調(diào)整的空間較大，較為適宜，如圖3所示，因此將隧道內(nèi)中間柱上下底座間距優(yōu)化調(diào)整為0.9 m。

圖3 上下底座間距設(shè)置為0.9 m時(shí)腕臂計(jì)算結(jié)果

2.4 對(duì)曲線區(qū)段腕臂計(jì)算和絕緣距離校驗(yàn)

在曲線區(qū)段，由于外軌超高原因，受電弓會(huì)隨車(chē)體平行于軌面傾斜，曲內(nèi)正定位腕臂定位器在定位管上的安裝空間也將隨超高的增大而逐漸縮小，此時(shí)需對(duì)腕臂計(jì)算進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)是否有足夠空間安裝定位器（曲線區(qū)段線間距一般會(huì)加大，為保守起見(jiàn)線間距按加大0.1 m校驗(yàn)，即限界按2.45 m計(jì)算）。通過(guò)計(jì)算軟件模擬，當(dāng)外軌超高為45 mm時(shí)，定位器支座恰好能安裝，稍有一點(diǎn)調(diào)節(jié)量，如圖4所示。如外軌超高大于45 mm，限界必須進(jìn)行調(diào)整（曲內(nèi)加大限界，曲外減小限界）。

圖4 外軌超高為45 mm時(shí)曲內(nèi)正定位腕臂計(jì)算

在曲線區(qū)段還需校驗(yàn)受電弓在最大抬升和擺動(dòng)量時(shí)，與另一股道的吊柱接地體之間的絕緣距離。受電弓偏移[1]計(jì)算式為

式中：H為受電弓高度，mm；G為軌距，曲線段軌距加寬，取1 500 mm；h為外軌超高，mm。

當(dāng)外軌超高為45 mm時(shí)，受電弓最大抬升校驗(yàn)高度為5 900 + 180 = 6 080 mm（180為受電弓最大抬升量的1.5倍），代入式（1）求得受電弓偏移量為0.182 m。另一側(cè)吊柱對(duì)本股道的限界C為4.5- 2.45 - 0.2 = 1.85 m（在曲線線間距均有加寬，此處線間距按4.5 m計(jì)算）；最近帶電體為腕臂底座的背角鋼，角鋼按0.1 m計(jì)算，即最近接地體距本股道限界為1.75 m。受電弓半寬加受電弓曲線最大晃動(dòng)量再加偏移量為0.975 + 0.3 + 0.182 = 1.457 m，最小絕緣距離為1.75 - 1.457 = 0.293 m（因受電弓工作時(shí)為傾斜狀態(tài)，實(shí)際絕緣距離比該值稍大，為301 mm，如圖5所示），此時(shí)吊柱接地體與帶電體絕緣距離符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)大于200 mm[2]的要求，超高再增大時(shí)，吊柱限界也將進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

圖5 超高為45 mm時(shí)受電弓距鄰線吊柱接地體距離

3 隧道吊柱限界及型號(hào)確定

3.1 吊柱限界設(shè)置

由于上下行吊柱之間需布置AF線（回流線），因此吊柱限界控制必須以隧道中心為基準(zhǔn)來(lái)控制，不能單純以懸掛軌道來(lái)控制。通過(guò)上述闡述，在直線和超高小于45 mm的曲線區(qū)段，吊柱距線路中心按照300 mm控制（吊柱半寬100 mm）均滿足腕臂計(jì)算和絕緣距離要求；當(dāng)超高大于45 mm時(shí)，吊柱限界控制統(tǒng)一向曲內(nèi)移150 mm，以滿足腕臂計(jì)算和受電弓偏移的絕緣距離要求，隧道內(nèi)限界控制見(jiàn)表2。

表2 隧道內(nèi)限界控制 mm

3.2 吊柱型號(hào)確定

3.2.1 確定長(zhǎng)度

通過(guò)對(duì)腕臂底座間距進(jìn)行優(yōu)化，確定了上底座安裝高度為6.82 m，上下底座間距為0.9 m，此時(shí)下底座安裝高度為5.92 m，吊柱外露為0.2 m，即吊柱底部距軌面高度為5.72 m；通過(guò)繪圖軟件模擬可知，隧道吊柱法蘭中心距隧道頂高差約為0.01m，通過(guò)這些參數(shù)即可以得出不同情況下的吊柱長(zhǎng)度，標(biāo)準(zhǔn)普通斷面區(qū)段吊柱長(zhǎng)度為8.15 - 5.72 - 0.01 =2.42 m；標(biāo)準(zhǔn)非絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)段吊柱長(zhǎng)度為8.5 -5.72 - 0.01 = 2.77 m；絕緣錨段關(guān)節(jié)區(qū)段吊柱長(zhǎng)度為9 - 5.72 - 0.01 = 3.27 m。

以上長(zhǎng)度是標(biāo)準(zhǔn)斷面情況下，在曲線或車(chē)站附近的隧道斷面都有加寬時(shí)，隧道頂高度隨之變化（表1），確定吊柱長(zhǎng)度前需根據(jù)線路資料逐一修正吊柱長(zhǎng)度，可按100 mm為一檔進(jìn)行歸納，高差在±50 mm內(nèi)的高度可用同一種型號(hào)吊柱，超出范圍的應(yīng)進(jìn)行調(diào)檔。

3.2.2 確定吊柱法蘭角度

隨著鐵路建設(shè)施工技術(shù)的不斷提高，隧道斷面施工基本與設(shè)計(jì)一致，吊柱法蘭角度可以直接在繪圖軟件中確定，根據(jù)吊柱中心距隧道中心理論距離，測(cè)量出吊柱法蘭傾斜角度，即使在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)誤差，采用調(diào)整墊片也完全可予以調(diào)整。為保證吊柱安裝后向受力反方向傾斜，黔張常鐵路隧道內(nèi)吊柱法蘭角度較理論值減小了0.3°。吊柱中心距隧道中心為300 mm時(shí)，吊柱法蘭角度為2.6°；吊柱中心距隧道中心為450 mm時(shí)，吊柱法蘭角度為4°；吊柱中心距隧道中心為150 mm時(shí)，吊柱法蘭角度為1°。

3.2.3 確定吊柱最終型號(hào)

當(dāng)?shù)踔L(zhǎng)度和法蘭角度均確定后，將兩個(gè)數(shù)據(jù)組合即可得到最終的吊柱型號(hào)。在Excel中可利用判定函數(shù)進(jìn)行分類(lèi)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，根據(jù)隧道類(lèi)型和加寬判定長(zhǎng)度，根據(jù)限界判定法蘭角度，再進(jìn)行組合。標(biāo)準(zhǔn)的隧道斷面和加寬斷面最大高差可達(dá)到290 mm，吊柱長(zhǎng)度將相差300 mm，未對(duì)吊柱進(jìn)行長(zhǎng)度區(qū)分可能對(duì)腕臂計(jì)算、安裝造成較大影響，因此隧道內(nèi)吊柱的材料提報(bào)和現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)一一對(duì)應(yīng)，以提高安全可靠性和一次安裝成功率。

4 隧道內(nèi)定位器角度控制

理論定位器角度是指定位器所受水平力Fs和垂直力Fc所形成合力F與水平面形成的夾角，按此角度安裝后處于力平衡狀態(tài)，主要由補(bǔ)償張力、跨距、拉出值、第一吊弦距離、線索單重、定位器重量、曲線半徑等參數(shù)確定[3]。時(shí)速200 km及以下鐵路，因其技術(shù)參數(shù)與高速鐵路存在一定差異，定位器角度完全按照受力平衡計(jì)算安裝仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)，如曲線半徑R= 3 500 m，中間柱定位統(tǒng)一向曲外拉出100 mm，由于補(bǔ)償張力和曲線中豎值不夠大，導(dǎo)致定位點(diǎn)水平分力較小，定位器理論計(jì)算角度將達(dá)到20°以上，這種情況只能按照設(shè)計(jì)最大角度13°進(jìn)行安裝，理論計(jì)算角度過(guò)小時(shí)，按設(shè)計(jì)給定的最小角度8°進(jìn)行安裝，但即便定位器角度完全控制在8°～13°范圍內(nèi)也不能完全確保定位器不會(huì)侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，還需結(jié)合定位器長(zhǎng)度、受電弓最大抬升量、左右偏移量、超高等參數(shù)進(jìn)行安全校核。

安全校驗(yàn)參數(shù)：受電弓最大抬升量為120 mm，按1.5倍抬升量進(jìn)行校核，即180 mm；左右最大偏移直線區(qū)段250 mm，曲線區(qū)段300 mm；標(biāo)準(zhǔn)跨距40 m；隧道內(nèi)定位器長(zhǎng)度選擇900型和1000型兩種進(jìn)行校驗(yàn)；受電弓類(lèi)型選用UIC608—2003附錄D受電弓（寬度1 950 mm）。

為便于歸納和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，本文將按照直線段、超高h(yuǎn)≤45 mm、超高45 mm＜h≤90 mm 3種情況分別對(duì)定位器角度控制范圍進(jìn)行分析。

4.1 直線區(qū)段

直線區(qū)段拉出值按±200 mm布置，定位器長(zhǎng)度為900 mm，矩形定位器的安裝范圍為8°～13°，把定位器最小角度設(shè)為8°進(jìn)行模擬計(jì)算，查看是否存在侵入動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的情況。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，受電弓抬升180 mm，水平方向偏移250 mm，900型定位器根部處在紅色的受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之外，符合安全要求，當(dāng)定位器角度越大，定位器根部離動(dòng)態(tài)包絡(luò)線將隨之加大，因此直線區(qū)段定位器角度安全取值范圍為8°～13°。

圖6 直線區(qū)段定位器按8°計(jì)算與受電弓的狀態(tài)

4.2 超高h(yuǎn)≤45 mm

在曲線區(qū)段，受外軌超高影響，受電弓與軌面平行傾斜，此時(shí)需分別驗(yàn)證曲內(nèi)、曲外定位器最小安裝角度為多少時(shí)不會(huì)侵入受電弓包絡(luò)線，以確定定位器角度控制范圍。定位器選用900型定位，受電弓水平最大偏移量按300 mm進(jìn)行計(jì)算校核。

（1）向曲內(nèi)方向定位，定位器角度按8°計(jì)算模擬，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7，曲內(nèi)側(cè)受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線端部相對(duì)于中心更低，從圖上可看出定位支座在受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線外，滿足安全條件，因此超高h(yuǎn)≤45 mm曲內(nèi)方向定位的定位器角度安全取值范圍為8°～13°。

圖7 曲內(nèi)超高45 mm定位器按8°計(jì)算與受電弓的狀態(tài)

（2）向曲外方向定位，定位器采用900型、角度按8°計(jì)算時(shí)，由于受電弓在曲外側(cè)抬高并向曲內(nèi)傾斜，導(dǎo)致定位器根部已侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線內(nèi)，需要加大定位器角度，當(dāng)加大到9.5°時(shí)才能保證定位器支座在動(dòng)態(tài)包絡(luò)線外，如圖8所示，最小控制角度必須不小于9.5°，因此在曲外時(shí)定位器安全角度取值范圍為9.5°～13°。

圖8 超高45 mm定位器按9.5°計(jì)算與受電弓的狀態(tài)

4.3 超高45 mm＜h≤90 mm

曲線半徑R＞3 500 m的區(qū)段拉出值仍按±200 mm布置；曲線半徑R≤3 500 m的區(qū)段統(tǒng)一向曲外定位，拉出值為100 mm；超高為45～90 mm的曲線存在上述兩種情況，也需分析曲內(nèi)曲外定位器角度取值范圍，需注意拉出值±200 mm布置的定位采用900型定位器校核，統(tǒng)一向曲外定位100 mm的采用1000型定位器校核。

（1）向曲內(nèi)方向定位，從圖7可以看出，在定位器角度不變的情況下，超高越大，受電弓傾斜角度越大，定位器支座離動(dòng)態(tài)包絡(luò)線會(huì)越遠(yuǎn)，所以向曲內(nèi)方定位的定位器角度安全取值范圍仍為8°～13°。

（2）向曲外方向定位，為保證所模擬的條件能夠概括最極端的情況，此處分析取最大超高值90 mm，定位器采用1000型定位器進(jìn)行計(jì)算模擬。通過(guò)計(jì)算軟件模擬發(fā)現(xiàn)，定位器角度達(dá)到10.5°時(shí)，定位器根部才能夠在受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線之外，如圖9所示，因此在超高45～90 mm曲線外側(cè)，定位角度安全取值范圍應(yīng)為10.5°～13°。

圖9 超高90 mm定位器按10.5°計(jì)算與受電弓的狀態(tài)

4.4 計(jì)算腕臂參數(shù)時(shí)定位器應(yīng)控制的范圍

通過(guò)上述分析，隧道內(nèi)定位器角度安全取值范圍見(jiàn)表3。

表3 隧道內(nèi)定位器角度安全取值范圍

計(jì)算腕臂參數(shù)時(shí)應(yīng)按照受力平衡原則計(jì)算定位器角度，以便現(xiàn)場(chǎng)施工后接觸網(wǎng)質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，當(dāng)理論計(jì)算角度超出表3所示范圍時(shí)，應(yīng)就近修正定位器角度，確保弓網(wǎng)安全可靠性。

5 結(jié)語(yǔ)

時(shí)速200 km及以下鐵路隧道斷面變化較多，不能一概而論確定施工方案，應(yīng)根據(jù)不同情況確定技術(shù)方案。通過(guò)以上技術(shù)方案的改進(jìn)和計(jì)算控制，完全可以避免在施工中出現(xiàn)定位器無(wú)法正常安裝、零部件侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線的情況，大幅減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工作量，消除后期運(yùn)營(yíng)安全隱患。

對(duì)后續(xù)類(lèi)似鐵路施工的幾點(diǎn)建議：（1）施工前，應(yīng)用可視化計(jì)算軟件對(duì)腕臂進(jìn)行計(jì)算模擬驗(yàn)證，確定方案是否可行，如不能實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整技術(shù)參數(shù)；（2）隧道內(nèi)吊柱須根據(jù)隧道斷面高度參數(shù)選擇隧道吊柱，不能完全按類(lèi)別提報(bào)，保證現(xiàn)場(chǎng)腕臂參數(shù)符合要求；（3）定位器角度應(yīng)盡量依據(jù)受力計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)需控制好定位器角度，避免定位器侵入受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，最好采用可視化計(jì)算軟件加入受電弓進(jìn)行模擬計(jì)算。希望通過(guò)本項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)楹罄m(xù)同類(lèi)型鐵路接觸網(wǎng)施工、設(shè)計(jì)提供借鑒，提高施工質(zhì)量。