一種拉壓式彈簧補(bǔ)償裝置在重慶地鐵的運(yùn)用

王建紅

（重慶市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400020）

0 引言

2012年，重慶軌道交通6號(hào)線一期工程受線路、限界等因素影響，不具備采用傳統(tǒng)的重力式墜砣補(bǔ)償?shù)臈l件；同時(shí)期，國(guó)內(nèi)渦輪卷曲式彈簧在既有線路出現(xiàn)了運(yùn)行不穩(wěn)定的情況。后經(jīng)考察，首次在國(guó)內(nèi)引進(jìn)了日本新干線成功運(yùn)營(yíng)的拉壓式彈簧補(bǔ)償裝置（以下簡(jiǎn)稱“彈簧補(bǔ)償裝置”），并在之后的各條線路中作為正線柔性接觸網(wǎng)補(bǔ)償下錨的首選方案，或得了用戶的好評(píng)。下文就彈簧補(bǔ)償裝置及其在工程中的運(yùn)用進(jìn)行總結(jié)與探討。

1 彈簧補(bǔ)償裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，彈簧補(bǔ)償裝置由內(nèi)部、外部彈簧通過套筒組裝而成，彈簧的材料采用高強(qiáng)度的彈簧鋼。裝置的頭、尾分別設(shè)連接雙耳，用于與線索下錨零件、錨固點(diǎn)之間的連接。外套筒的中部預(yù)留彈簧補(bǔ)償裝置的固定安裝雙耳，內(nèi)套筒的頭部安裝讀數(shù)標(biāo)尺。當(dāng)安裝完畢并按安裝曲線對(duì)接觸網(wǎng)線材施加張力后，內(nèi)部套筒被拉出，通過內(nèi)、外套筒與彈簧之間的傳導(dǎo)，為接觸網(wǎng)提供恒定的張力輸出。

圖1 彈簧補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)圖

2 彈簧補(bǔ)償裝置的選型

彈簧補(bǔ)償裝置目前已形成系列產(chǎn)品，張力范圍為10～30 kN，標(biāo)準(zhǔn)工作行程為580～1 080 mm，能夠滿足城市軌道交通各種工況下接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償?shù)男枨蟆?/p>

重慶軌道的正線柔性接觸網(wǎng)補(bǔ)償下錨一般分為三種，即雙接觸線補(bǔ)償下錨、雙承力索補(bǔ)償下錨、單承單導(dǎo)并聯(lián)補(bǔ)償下錨。三種補(bǔ)償下錨的額定張力設(shè)計(jì)值一致，結(jié)合重慶地區(qū)的溫度及錨段長(zhǎng)度設(shè)置，選用了額定張力為24.5 kN的彈簧補(bǔ)償裝置。彈簧補(bǔ)償裝置極限張力偏差為±15%，張力變化范圍為20.83～28.18 kN，折合單線的張力范圍為10.41～14.09 kN。文獻(xiàn)[1]中規(guī)定時(shí)速120 km/h的線路，接觸線的最小張力不宜小于10 kN。此種彈簧補(bǔ)償裝置滿足地鐵線路最高運(yùn)行時(shí)速為100 km/h的下錨需求?？紤]到實(shí)際錨段長(zhǎng)度≯750 m，最終選定了標(biāo)準(zhǔn)工作行程為840 mm的產(chǎn)品。

彈簧補(bǔ)償裝置安全可靠、免維護(hù)，適用于地鐵接觸網(wǎng)的下錨安裝，但其造價(jià)相較于棘輪補(bǔ)償裝置更高。重慶地鐵線路最終考慮在正線線路使用彈簧補(bǔ)償裝置，車輛段仍采用棘輪補(bǔ)償裝置下錨。

3 彈簧補(bǔ)償裝置的安裝

彈簧補(bǔ)償裝置安裝簡(jiǎn)單，適宜在各種型號(hào)的支柱上安裝，當(dāng)其安裝于隧道內(nèi)時(shí)，滿足柔性懸掛安裝的斷面即可用于彈簧補(bǔ)償裝置的安裝，無須對(duì)隧道斷面進(jìn)行擴(kuò)挖，這極大地增加了設(shè)計(jì)便利性。

3.1 支柱上下錨安裝

重慶軌道的柔性接觸網(wǎng)一般情況下將雙支承力索及雙支接觸線在一根大容量支柱上下錨。當(dāng)錨柱為7.5 m時(shí)，承力索下錨彈簧補(bǔ)償裝置通過上部拉桿固定，接觸線下錨彈簧補(bǔ)償裝置通過下部的弧形支撐固定，安裝方式如圖2所示。當(dāng)安裝于聲屏障下方或其他空間受限處，支柱高度為7 m及以下時(shí)，接觸線及承力索下錨彈簧補(bǔ)償裝置均可通過下部的弧形支撐固定，安裝方式如圖3所示。應(yīng)當(dāng)注意的是，受下部斜撐影響，采用圖2及圖3安裝方式時(shí)，下錨支柱不宜安裝雙腕臂底座。

圖2 雙承雙導(dǎo)在7.5 m支柱上下錨安裝

圖3 雙承雙導(dǎo)在7 m支柱上下錨安裝

3.2 隧道內(nèi)下錨安裝

地鐵接觸網(wǎng)一般在隧道內(nèi)采用剛性懸掛，在隧道外采用柔性懸掛。但也經(jīng)常有兩段高架橋之間夾著一段小隧道，為減少剛?cè)徇^渡的次數(shù)，通常會(huì)選擇在該段隧道內(nèi)設(shè)置柔性接觸網(wǎng)，并在隧道內(nèi)設(shè)接觸網(wǎng)下錨。隧道內(nèi)彈簧補(bǔ)償裝置下錨的安裝方式如圖4所示，彈簧的中部和尾部均需通過隧道頂部進(jìn)行懸掛，并通過調(diào)整螺栓保持彈簧與下錨支線索的共線，彈簧尾部可根據(jù)需要固定在隧道側(cè)壁或通過下錨吊柱固定。

圖4 隧道內(nèi)彈簧補(bǔ)償下錨安裝

隧道內(nèi)下錨時(shí)，承力索或接觸線下錨的彈簧補(bǔ)償器宜分別單獨(dú)下錨。

4 下錨補(bǔ)償量的計(jì)算

棘輪與墜砣組合形成的補(bǔ)償裝置，可以利用下錨高度與結(jié)構(gòu)面之間的空間提供補(bǔ)償距離，補(bǔ)償?shù)木嚯x足夠長(zhǎng)，特殊情況下可以采用雙墜砣串方案，以增加補(bǔ)償距離。而壓縮式彈簧補(bǔ)償裝置依靠彈簧的伸縮提供恒定的補(bǔ)償，額定工作行程有限，補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償距離是恒定的，這就需要對(duì)受補(bǔ)償導(dǎo)線的伸縮長(zhǎng)度進(jìn)行更為精確的計(jì)算。

國(guó)內(nèi)采用棘輪補(bǔ)償時(shí)，一般利用公式（1）進(jìn)行導(dǎo)線的伸長(zhǎng)量計(jì)算：

式中：l為導(dǎo)線（接觸線或承力索）的伸縮量；L為接觸線或承力索硬錨（或中錨）至補(bǔ)償器的距離；α為接觸線或承力索的線脹系數(shù)；t1為設(shè)計(jì)中采用的最低溫度值；t2為設(shè)計(jì)中采用的最高溫度值。

公式（1）的模型較為簡(jiǎn)單，未考慮線材形變及張力變化等因素引起的伸縮量變化。鑒于棘輪補(bǔ)償裝置的下方一般都有足夠的補(bǔ)償距離，該計(jì)算方法可以完全滿足工程實(shí)際的需要。

彈簧補(bǔ)償器由于補(bǔ)償量恒定，需要更加精確地計(jì)算導(dǎo)線的伸長(zhǎng)量，公式（2）為彈簧補(bǔ)償器的伸縮量計(jì)算公式[2]：

式中：E為彈性模量；A為接觸線或承力索硬錨的截面積；T1為接觸線或承力索在設(shè)計(jì)最低溫度時(shí)的張力；T2為接觸線或承力索在設(shè)計(jì)最高溫度時(shí)的張力；W為接觸線或承力索單位長(zhǎng)度的重量；s為跨距。

線材本身的伸縮量扣除導(dǎo)線溫度變化引起的收縮量及弛度引起的收縮量后，其值更加接近導(dǎo)線在補(bǔ)償器位置的實(shí)際伸長(zhǎng)量。

5 彈簧補(bǔ)償裝置下錨的安裝注意事項(xiàng)

5.1 跨江大橋伸縮縫對(duì)下錨的影響

重慶主城區(qū)有兩江四岸，跨江大橋眾多，當(dāng)柔性接觸網(wǎng)下錨跨越大橋伸縮縫時(shí)，應(yīng)特別注意橋梁伸縮縫對(duì)接觸網(wǎng)補(bǔ)償下錨的影響。

根據(jù)橋梁跨度的不同，重慶已建軌道跨江大橋的伸縮縫長(zhǎng)度一般在300～700 mm，設(shè)計(jì)伸縮量最小一般±100 mm，最大±385 mm。當(dāng)橋梁伸縮量較小時(shí)，通過減小錨段長(zhǎng)度的方式，保證導(dǎo)線的伸縮量與橋梁的伸縮量的總和位于彈簧補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償范圍之內(nèi)即可。但當(dāng)橋梁伸縮縫過大時(shí)，比如±385 mm的橋梁伸縮量已基本用完了彈簧補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償量，那么只能采用棘輪與墜砣的補(bǔ)償方式，利用棘輪下錨與橋面之間的高度來完成對(duì)接觸網(wǎng)的補(bǔ)償下錨。

5.2 新線蠕變的影響

接觸線及承力索新線架設(shè)后，無論是否采用恒張力放線，均無法完全克服新線蠕變的影響。通常情況下，采用棘輪加墜砣補(bǔ)償下錨時(shí)，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去考慮新線蠕變的長(zhǎng)度，然后在下錨調(diào)整時(shí)對(duì)下錨高度進(jìn)行預(yù)留，最大程度避免對(duì)下錨進(jìn)行二次調(diào)整。而且采用墜砣下錨時(shí)，補(bǔ)償距離一般情況下均足夠大，很容易克服新線蠕變的影響。

采用彈簧補(bǔ)償裝置時(shí)，新線蠕變將對(duì)彈簧補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償量產(chǎn)生影響，后期的調(diào)整也較為困難。施工安裝時(shí)宜對(duì)線材進(jìn)行超拉，以克服新線的蠕變量。但新線超拉對(duì)工藝要求較高，而且沒有較為統(tǒng)一的超拉工藝，超拉過程對(duì)接觸網(wǎng)及其零部件的影響也不易評(píng)估，所以，對(duì)新線接觸網(wǎng)超拉的使用案例較少。

實(shí)際下錨安裝中，施工過程一般會(huì)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去估算不同錨段長(zhǎng)度的蠕變量，采用增加臨時(shí)連接桿件的方式去克服新線蠕變的影響，并結(jié)合調(diào)整螺栓對(duì)下錨補(bǔ)償量進(jìn)行調(diào)整，最終可以避免對(duì)下錨終端進(jìn)行多次的反復(fù)拆裝，保證下錨安裝的可靠性。

5.3 天氣條件對(duì)安裝的影響

一般情況下，下錨補(bǔ)償安裝曲線的計(jì)算，均利用氣溫與錨段長(zhǎng)度之間的關(guān)系曲線。但露天環(huán)境下，陽光直曬時(shí)，特別是高溫天氣，導(dǎo)線的溫度明顯高于氣溫，此時(shí)利用氣溫進(jìn)行彈簧補(bǔ)償裝置的調(diào)整會(huì)出現(xiàn)一定的偏差。由于導(dǎo)線的平均溫度不易測(cè)量，建議根據(jù)氣溫進(jìn)行彈簧補(bǔ)償器刻度調(diào)整時(shí)，選擇在陰天或清晨進(jìn)行。

6 結(jié)語

彈簧補(bǔ)償裝置在重慶地鐵線路中已成功運(yùn)營(yíng)10年，其具有安全性高及免維護(hù)的特性；因其外觀結(jié)構(gòu)較棘輪補(bǔ)償裝置簡(jiǎn)潔，景觀效果較為明顯；特別是當(dāng)土建條件受到制約時(shí)，彈簧補(bǔ)償裝置可以極大地節(jié)約限界空間，解決現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際問題。

當(dāng)然，彈簧補(bǔ)償裝置的運(yùn)用對(duì)設(shè)計(jì)及施工的要求更加嚴(yán)格，在使用彈簧補(bǔ)償裝置時(shí)，應(yīng)根據(jù)其特點(diǎn)，在前期進(jìn)行充分的設(shè)計(jì)預(yù)留。比如跨越大伸縮縫時(shí)的接觸網(wǎng)錨段設(shè)置須經(jīng)計(jì)算后確定，若條件不允許，必要的時(shí)候應(yīng)更換下錨補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

彈簧補(bǔ)償裝置結(jié)合合理的設(shè)計(jì)以及施工安裝工藝，將達(dá)到良好的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)效益，在充分考慮經(jīng)濟(jì)性的前提下，可作為新建及改造工程接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償?shù)膬?yōu)質(zhì)比選方案。