拉林鐵路牽引供電工程建設(shè)與創(chuàng)新

徐鍵

（西藏鐵路建設(shè)有限公司，西藏 林芝 860000）

1 研究背景

拉薩—林芝鐵路（拉林鐵路）是西藏地區(qū)第1條電氣化鐵路［1］，2015年3月17日正式開工建設(shè)，于2021年6月25日竣工開通運(yùn)營。拉林鐵路的建設(shè)通車對于完善路網(wǎng)布局，開發(fā)沿線國土資源，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展，實(shí)施國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略，對增進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、保持社會(huì)穩(wěn)定均具有極為重要的作用，對政治、經(jīng)濟(jì)等方面的影響重大。

拉林鐵路90%以上線路位于海拔3 000 m以上，線路16次跨越雅魯藏布江，沿線地形地質(zhì)條件極為復(fù)雜，集高海拔、強(qiáng)震、峽谷風(fēng)、強(qiáng)雷暴、強(qiáng)紫外線、高地?zé)嵋约皹O端溫度等多種惡劣環(huán)境條件于一體，屬于目前國內(nèi)外最高海拔、最復(fù)雜艱險(xiǎn)的電氣化鐵路，給牽引供電系統(tǒng)工程的建設(shè)及后期的運(yùn)營維護(hù)帶來了極大困難和嚴(yán)峻考驗(yàn)。

拉林鐵路的建設(shè)，從勘察、設(shè)計(jì)、施工到開通運(yùn)營，在建設(shè)管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工建造等各方面，結(jié)合復(fù)雜的工程條件以及惡劣的氣候環(huán)境，基于牽引供電系統(tǒng)的服役性能，開展了大量基礎(chǔ)理論研究、試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了系列新方法、新方案，開發(fā)了多項(xiàng)新裝備、新機(jī)具，采用了大量施工建造新技術(shù)、新工藝，形成了高原電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)成套技術(shù)，順利地推進(jìn)了拉林鐵路的工程建設(shè)，為拉林鐵路后期安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)營奠定了良好基礎(chǔ)。因此，有必要對拉林鐵路建設(shè)中面臨的困難、技術(shù)創(chuàng)新及工程應(yīng)用進(jìn)行分析、總結(jié)、深化，對于復(fù)雜惡劣環(huán)境下的高原電氣化鐵路建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營維護(hù)等具有非常重要的指導(dǎo)意義。

2 工程概況

拉林鐵路位于西藏自治區(qū)東南部，線路始于拉薩站，工程方案從拉日鐵路的協(xié)榮車站引出，向南穿過岡底斯山余脈，進(jìn)入雅魯藏布江河谷，向東延伸，直至林芝，線路概況見圖1。線路設(shè)計(jì)時(shí)速160 km，國家Ⅰ級(jí)單線鐵路，正線建筑長度400.67 km，運(yùn)營長度431.675 km［2］。

圖1 拉林鐵路線路概況

拉林鐵路牽引供電系統(tǒng)采用帶回流線的直接供電方式，沿線新建110 kV牽引變電所5座（協(xié)榮、扎囊、澤當(dāng)、下覺、林芝）、220 kV牽引變電所6座（拉薩南、山南、拜珍、朗縣、康莎、米林）、開閉所1座；接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償簡單鏈形懸掛，全線共架設(shè)接觸網(wǎng)645條公里。

3 面臨的困難與挑戰(zhàn)

拉林鐵路沿線工程條件復(fù)雜、環(huán)境惡劣、災(zāi)害頻發(fā)、生態(tài)脆弱且地理位置偏僻、配套設(shè)施落后，嚴(yán)重影響牽引供電系統(tǒng)及裝備的安全性、適應(yīng)性、可靠性，為拉林鐵路牽引供電系統(tǒng)的工程建設(shè)帶來了極大的困難與挑戰(zhàn)。

（1）高原特點(diǎn)突出。拉林鐵路地處青藏高原，所處地段平均海拔約3 500 m、最高海拔3 650 m，相對高差近2 000 m，高原缺氧、氣候惡劣、紫外線強(qiáng)、生態(tài)脆弱，人工和機(jī)械施工效率嚴(yán)重下降，工程建設(shè)十分困難。

（2）工程環(huán)境復(fù)雜。拉林鐵路橋隧占比超過75%，沿線地形險(xiǎn)峻、山高谷深、氣候極端惡劣、地質(zhì)災(zāi)害多，對牽引供電系統(tǒng)的技術(shù)方案、裝備選型、施工建造，特別是如何更易于后期運(yùn)營維護(hù)等方面提出了更高要求。

（3）外電條件薄弱。沿線位置偏僻，地區(qū)電網(wǎng)薄弱，地形地貌復(fù)雜，牽引變電所選址困難，同時(shí)長大線路坡度多，牽引供電負(fù)荷大、供電要求高，外電系統(tǒng)接入牽引變電所的方案規(guī)劃及工程建設(shè)面臨更多困難。

（4）交通條件落后。沿線峽谷眾多、長大隧道多，交通條件差，受氣候及地質(zhì)條件影響極大，通所道路修建以及變壓器和接觸網(wǎng)支柱等設(shè)備與材料的運(yùn)輸困難。

（5）環(huán)保要求極高。西藏地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、敏感，在外電線路路徑規(guī)劃、接觸網(wǎng)供電饋線路徑選擇及桿塔定位、施工等方面，生態(tài)環(huán)保對設(shè)計(jì)方案、施工建造提出了更高要求和嚴(yán)苛規(guī)定。

4 建設(shè)與創(chuàng)新

4.1 做全做好建設(shè)管理，服務(wù)于運(yùn)營

拉林鐵路位于海拔3 000 m以上的高原嚴(yán)寒地區(qū)，沿線地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣，后期搶修、運(yùn)營維護(hù)極其困難。在工程建設(shè)中，高度重視規(guī)劃與決策的前瞻性、全面性、合規(guī)性，始終秉持建設(shè)充分考慮運(yùn)營、建設(shè)服務(wù)于運(yùn)營的建維一體化建造理念，適時(shí)、定期組織建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、運(yùn)營對接聯(lián)席會(huì)議，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，加強(qiáng)過程控制，做全、做好拉林鐵路牽引供電工程的建設(shè)管理，以運(yùn)營維護(hù)為目標(biāo)，全力推進(jìn)工程建設(shè)，保障工程質(zhì)量。

4.1.1 外部電源接入建設(shè)

拉林鐵路沿線電網(wǎng)薄弱，外部電源工程艱巨，全線牽引變電所接入電網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，決定著拉林鐵路能否按期開通并順利為復(fù)興號(hào)動(dòng)車組送電運(yùn)行。工程伊始，多次組織電力公司、鐵路運(yùn)營部門及設(shè)計(jì)單位共同開展拉林鐵路的外部電源規(guī)劃、方案論證工作，合理利用外部電源條件，充分優(yōu)化牽引供電方案，對全線牽引變電所接入電網(wǎng)系統(tǒng)的可行性和可靠性進(jìn)行了反復(fù)論證，提出根據(jù)不同區(qū)段電網(wǎng)條件，分別采用220 kV和110 kV兩種電壓等級(jí)外部電源的外電接入方案（見圖2），既充分利用了電網(wǎng)資源條件，也滿足了鐵路的供電需要，得到鐵路、電網(wǎng)行業(yè)專家的認(rèn)可。

圖2 拉林鐵路接入外電系統(tǒng)方案

4.1.2 牽引變電所所址選擇

拉林鐵路橋隧占比高、峽谷眾多，泥石流、洪澇等災(zāi)害頻發(fā)，沿線交通不便，外電接入困難，牽引變電所選址、通所道路引入及供電線路徑選擇極為困難，在土建開始施工圖設(shè)計(jì)的同一時(shí)間，組織路基、地質(zhì)、站場、供變電及接觸網(wǎng)多個(gè)專業(yè)，協(xié)調(diào)電力公司、鐵路運(yùn)營單位、地方鐵辦、土地局、規(guī)劃局、民航局及設(shè)計(jì)等多單位，聯(lián)合對全線12座牽引變電所等變電設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場踏勘，形成了拉林鐵路牽引變電設(shè)施位置及供電線路徑選擇專題報(bào)告。后續(xù)工程實(shí)施一次到位，順利解決了外電接入、征地以及大型設(shè)備運(yùn)輸、供電線架設(shè)等重難點(diǎn)工程問題。

4.1.3 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)預(yù)留原則

接觸網(wǎng)工程沿線架設(shè)，裸露在自然環(huán)境中且無備用，時(shí)刻經(jīng)受高原復(fù)雜環(huán)境的影響，屬于開通后運(yùn)營維護(hù)的重難點(diǎn)。在接觸網(wǎng)基礎(chǔ)方面，結(jié)合沿線凍土、高地?zé)峒案叩卣鹆叶鹊姆植记闆r，開展技術(shù)、經(jīng)濟(jì)及可實(shí)施性的綜合分析論證，提出全線優(yōu)先采用土建預(yù)埋方式的理念［3］，多次組織專家論證，形成拉林鐵路基礎(chǔ)路基、橋梁及特殊環(huán)境隧道內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)采用土建同步預(yù)留預(yù)埋的方案，減少了接觸網(wǎng)二次施工對土建的影響，提高了接觸網(wǎng)安全可靠性及耐久性，降低接觸網(wǎng)后期施工、運(yùn)維的困難及工作量。

4.1.4 變電所無人化工程

全線牽引變電所實(shí)施無人化工程，在牽引變電所、分區(qū)所、開閉所內(nèi)設(shè)置輔助監(jiān)控系統(tǒng)，完成全所一體化監(jiān)控，高度集成視頻監(jiān)控、信息監(jiān)測、火災(zāi)報(bào)警、照明控制、設(shè)備巡檢等多項(xiàng)功能［4］，實(shí)現(xiàn)高原山區(qū)鐵路牽引供變電所無人值班值守。

4.1.5 運(yùn)營維護(hù)策略及配置

拉林鐵路地形復(fù)雜，工區(qū)選址困難，搶修距離長，高原缺氧、人員活動(dòng)困難，交通不便、機(jī)械難以到達(dá)，后期搶修、運(yùn)維極其困難。工程建設(shè)前期，組織對西格、蘭新、海南環(huán)島等典型復(fù)雜環(huán)境鐵路開展充分調(diào)研，與施工、制造、運(yùn)維等部門進(jìn)行充分研討，結(jié)合拉林鐵路特點(diǎn)以及高原環(huán)境特征，共同制定了拉林鐵路牽引供電運(yùn)營維護(hù)策略，考慮高原作業(yè)效率降低等因素合理增加工區(qū)定員，適當(dāng)增配應(yīng)急搶修點(diǎn)數(shù)量及規(guī)模，充分配置制氧、醫(yī)療等設(shè)施，配備高性能的車輛、工器具及備品備件，配置2C、4C等供電安全檢測監(jiān)測裝置［5］。

4.2 做足做細(xì)方案研究，創(chuàng)新于工程

4.2.1 高海拔牽引供電系統(tǒng)技術(shù)

拉林鐵路沿線平均海拔高于3 000 m，現(xiàn)行電氣化鐵路行業(yè)規(guī)范對牽引供電系統(tǒng)的電氣絕緣高海拔修正缺乏具體數(shù)值規(guī)定。工程結(jié)合沿線海拔分布情況及溫度、濕度特征，開展了高海拔地區(qū)27.5 kV牽引供電系統(tǒng)過電壓機(jī)理、電氣設(shè)備絕緣性能研究，并在山南、朗縣開展了高原現(xiàn)場的電氣耐壓試驗(yàn)，通過充分驗(yàn)證，提出了不同海拔區(qū)段的電氣絕緣修正原則及具體參數(shù)［6］，制定了高海拔區(qū)段牽引變電所布置方案、隧道內(nèi)低凈空接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)、電氣設(shè)備絕緣性能指標(biāo)及選型原則，形成了牽引供電系統(tǒng)高海拔電氣絕緣修正、技術(shù)參數(shù)及設(shè)備選型等成套技術(shù)，成功應(yīng)用于目前最高海拔3 650 m地區(qū)，為高原電氣化鐵路建設(shè)提供了系統(tǒng)思路和模板。拉林鐵路典型牽引變電所布置見圖3。

圖3 拉林鐵路典型牽引變電所布置

4.2.2 高原惡劣環(huán)境下牽引供電系統(tǒng)技術(shù)

拉林鐵路沿線環(huán)境復(fù)雜、氣候惡劣，牽引變電、接觸網(wǎng)設(shè)施設(shè)備承受高海拔、峽谷風(fēng)、強(qiáng)雷暴、強(qiáng)紫外線、強(qiáng)震及極端溫度等多種因素的共同作用。在建設(shè)前期，聯(lián)合高校、設(shè)計(jì)、施工及制造企業(yè)等成立多個(gè)科研攻關(guān)組，基于牽引供電系統(tǒng)及裝備的服役機(jī)理及演變規(guī)律，陸續(xù)開展峽谷風(fēng)風(fēng)洞試驗(yàn)、高地震烈度振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及極端溫度下金屬材料屈服與沖擊試驗(yàn)等，構(gòu)建了牽引供電系統(tǒng)抗風(fēng)、防雷、抗震及凍土區(qū)段基礎(chǔ)及接地等設(shè)計(jì)方法［7］。經(jīng)充分論證后，在峽谷大風(fēng)區(qū)段接觸網(wǎng)采用抗風(fēng)能力更優(yōu)、連接件少、更易于運(yùn)營維護(hù)的“整體腕臂+彈性定位器+剛性吊弦”懸掛系統(tǒng)及裝備，提出了適應(yīng)拉林鐵路高原強(qiáng)震環(huán)境的戶內(nèi)GIS組合電器、鋼管型變電架構(gòu)、帶法蘭連接的格構(gòu)式鋼柱［8］等技術(shù)方案及措施，制定高海拔環(huán)境下的牽引變電及接觸網(wǎng)布置、安裝等詳細(xì)參數(shù)及裝備性能指標(biāo)，完成了各項(xiàng)高原設(shè)備的選型及試驗(yàn)，全面應(yīng)用于工程建設(shè)，開通運(yùn)營后質(zhì)量優(yōu)良、性能穩(wěn)定，保障了拉林鐵路安全可靠運(yùn)行。

4.2.3 高原低凈空長大隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛技術(shù)

拉林鐵路橋隧占比高，全線長大隧道多，隧道內(nèi)接觸懸掛方案對工程技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性影響較大。根據(jù)拉林鐵路速度目標(biāo)值需求，經(jīng)過充分調(diào)研，基于技術(shù)成熟、安全可靠的原則，綜合隧道斷面尺寸、高海拔環(huán)境以及接觸網(wǎng)服役性能等因素，全面分析弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)耦合性能、腕臂支持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性及撓度等，充分考慮施工誤差以及軌道抬落道等影響，經(jīng)大量對比試驗(yàn)與分析，研發(fā)了適應(yīng)高原低凈空隧道的700 mm小結(jié)構(gòu)高度、一體式折彎型整體腕臂［9］（見圖4），其結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、連接件少、施工簡便、運(yùn)營維護(hù)量少，適應(yīng)斷面能力強(qiáng)，能有效降低接觸網(wǎng)對隧道斷面尺寸的需求，同時(shí)，據(jù)此配合完成滿足高原需求的隧道斷面設(shè)計(jì)，形成了我國高原山區(qū)時(shí)速160 km客貨共線電氣化鐵路系列隧道斷面標(biāo)準(zhǔn)，社會(huì)、技術(shù)及經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖4 拉林鐵路隧道內(nèi)采用一體式折彎型整體腕臂

4.3 做實(shí)做優(yōu)施工質(zhì)量，鑄精品工程

4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化管理，推行“四化”建設(shè)

全面推行“專業(yè)化、機(jī)械化、工廠化、信息化”四化建設(shè)。結(jié)合拉林鐵路施工作業(yè)困難，提出“能在預(yù)配工廠完成的、絕不放在施工現(xiàn)場，能機(jī)械作業(yè)的、絕不人工作業(yè)，能在地面完成的、絕不高空作業(yè)”等建設(shè)理念，保障施工質(zhì)量，提升作業(yè)效率。基于拉林鐵路沿線復(fù)雜艱險(xiǎn)特點(diǎn)，開展信息化平臺(tái)開發(fā)，加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)控、設(shè)備檢測、施工安裝等信息化設(shè)備設(shè)施建設(shè)，提升信息化手段，降低建造風(fēng)險(xiǎn)。

4.3.2 打造資源配置中心，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化、工廠化加工預(yù)配

結(jié)合拉林鐵路線路條件及接觸網(wǎng)工程情況，合理選取山南作為資源配置中心，沿線科學(xué)布設(shè)材料存儲(chǔ)料庫；資源中心配置數(shù)控機(jī)床、預(yù)配平臺(tái)、數(shù)顯檢測儀器等，開展腕臂、吊弦等加工預(yù)配，有效提升制作效率、降低了人力消耗；搭建包裝運(yùn)輸平臺(tái)，采用托盤及木箱，機(jī)械化裝卸，快捷、方便，利于成品保護(hù)；結(jié)合冬雨季及施工工期，對沿線材料存儲(chǔ)料庫科學(xué)合理增加或減少物資配備，全時(shí)保障全線物資供應(yīng)及現(xiàn)場施工。

4.3.3 高效、精準(zhǔn)的高原施工工法

（1）接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道施工。在我國首次形成高地?zé)?、瓦斯隧道?nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道施工工法，提出的工廠化制作、整體焊接式接地槽道方案，提升了預(yù)埋精度和效率，避免了現(xiàn)場施工定位不準(zhǔn)、焊接質(zhì)量不高等問題。

（2）接觸網(wǎng)化學(xué)錨栓施工。針對目前接觸網(wǎng)基礎(chǔ)化學(xué)錨栓施工易出現(xiàn)的質(zhì)量控制、管理困難等問題，首次提出錨栓施工定位模板、清孔方案、注膠時(shí)間、環(huán)境溫度及用量等詳細(xì)、量化的控制措施，提升施工質(zhì)量；對施工完畢后、安裝懸掛前的化學(xué)錨栓開展現(xiàn)場非破損拉拔檢驗(yàn)，荷載檢驗(yàn)值為1.3Nt（承載力設(shè)計(jì)值），確保結(jié)構(gòu)性能；全線化學(xué)錨栓要求進(jìn)行根根拉拔，監(jiān)理現(xiàn)場旁站，拉拔狀態(tài)及數(shù)據(jù)記錄簽字后納入信息化管理平臺(tái)，動(dòng)態(tài)檢驗(yàn)、管理及驗(yàn)收；形成的系列隧道內(nèi)化學(xué)錨栓工法工藝及管理措施，有效提高了拉林鐵路化學(xué)錨栓的施工質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全水平。

（3）接觸網(wǎng)避雷線架設(shè)施工。結(jié)合沿線溫度低、溫差大且變化頻繁的特點(diǎn)，首次提出接觸網(wǎng)避雷線架設(shè)通過“降低溫度法”，觀測、調(diào)整避雷線的安裝張力和弛度，解決了避雷線安裝后容易出現(xiàn)的安全隱患，形成的接觸網(wǎng)避雷線施工工法，提供了成熟、高效、可靠的流程和工藝，避免了施工隱患，提升了運(yùn)行品質(zhì)。

4.3.4 方便、快捷的高原施工機(jī)具

（1）腕臂、吊弦預(yù)配平臺(tái)。拉林鐵路隧道凈空較低，同時(shí)存在較多有砟軌道，對于全線采用的整體腕臂及剛性吊弦，規(guī)格數(shù)量繁多、預(yù)配精度嚴(yán)苛。為此，組織設(shè)計(jì)、施工及制造廠商共同研究、反復(fù)論證，開發(fā)的整體腕臂和剛性吊弦智能化預(yù)配平臺(tái)自動(dòng)、高效、精準(zhǔn)，順利地解決了全線1萬多套接觸網(wǎng)腕臂、近10萬根吊弦的預(yù)配，大幅提升了加工制作的精度和效率。

（2）吊鉤、掛梯施工機(jī)具。針對高原地區(qū)接觸網(wǎng)支柱和腕臂吊車組立過程中脫鉤困難、爬桿費(fèi)時(shí)費(fèi)力等問題，通過對吊鉤的巧妙改裝，開發(fā)的支柱組立吊鉤自動(dòng)脫鉤裝置，在地面即可簡單、輕松地實(shí)現(xiàn)脫鉤功能，節(jié)省了大量施工工時(shí)。針對長大橋梁多、峽谷風(fēng)大，人員上橋困難、耗時(shí)較長，創(chuàng)新研制出一種便攜式掛梯，通過掛鉤與橋體連接，能滿足各型橋梁規(guī)格，自由滑動(dòng)、方便定位，可實(shí)現(xiàn)“在哪施工就從哪上橋”，省時(shí)省力，可進(jìn)一步確保施工安全。

4.3.5 美觀、和諧的高原精品電氣化鐵路

拉林鐵路大多途經(jīng)少數(shù)民族地區(qū)，沿途風(fēng)景優(yōu)美，人文景觀獨(dú)特，牽引供電工程結(jié)合民族、人文、景觀，開展方案比選、細(xì)部設(shè)計(jì)，編制工藝標(biāo)準(zhǔn)。在拉薩、林芝等大型車站以及臧木特大橋等區(qū)段，接觸懸掛充分利用雨棚柱或鋼桁梁等結(jié)構(gòu)合建，鄰近支（吊）柱采用類似的輕型鋼管截面，整體統(tǒng)一、視覺通透；避雷線肩架一體式彎折成形，形似藏區(qū)“牦牛角”［10］，簡潔美觀、自然和諧；變電所布置采用BIM技術(shù)，開展可視化設(shè)計(jì)、碰撞檢測，實(shí)施后線纜排布及設(shè)備擺放整齊、外觀美觀，全方位打造極具特色的高原電氣化鐵路精品工程。

5 結(jié)束語

西藏地區(qū)首條電氣化鐵路拉林鐵路的開通運(yùn)營，意義極其重大。拉林鐵路的建設(shè)，面臨著復(fù)雜的工程環(huán)境及落后的配套條件，對牽引供電系統(tǒng)的勘察、設(shè)計(jì)、施工等各方面均提出了更高要求、更多挑戰(zhàn)。在拉林鐵路工程建設(shè)中，始終秉持“建設(shè)為運(yùn)維”“創(chuàng)新鑄精品”的理念，做好建設(shè)管理，做足基礎(chǔ)理論，做細(xì)技術(shù)方案，做實(shí)施工質(zhì)量，做優(yōu)工程建設(shè)；牽引供電工程在理論、方案、裝備、施工及管理等各方面取得系列創(chuàng)新，并全面應(yīng)用于工程建設(shè)中，順利地推動(dòng)了拉林鐵路的工程建設(shè)，保障了拉林鐵路牽引供電系統(tǒng)安全可靠、持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，示范引領(lǐng)高原電氣化鐵路的工程建設(shè)，同時(shí)也為川藏鐵路后續(xù)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。