《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》的技術(shù)創(chuàng)新

朱飛雄

(鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，北京 100038)

為滿足高速鐵路的高精確度、高平順性、高穩(wěn)定性、高可靠性、高安全性等五大要求，《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》(鐵建設(shè)［2010］241號)［1］在原《客運專線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》［2］(以下簡稱《客專電牽施工指南》)的基礎(chǔ)上，充分吸納京津、武廣、鄭西、合寧、石太、海南東環(huán)等高速鐵路的建設(shè)、運營經(jīng)驗，取得大量技術(shù)創(chuàng)新成果。

1 首次應(yīng)用精密測量控制網(wǎng)，實現(xiàn)電牽施工高精確度

《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》(以下簡稱《高鐵電牽施工指南》)與原《客專電牽施工指南》的最大不同點是新增了“施工測量”章，首次要求高速鐵路電牽工程施工從開工測量到開通運營的全過程都必須充分應(yīng)用精密工程測量技術(shù)——精密測量控制網(wǎng)(以下簡稱精測網(wǎng))，實現(xiàn)高速鐵路電牽工程施工高精確度，確保全線接觸懸掛具有持久的高平順性，保證牽引變電所內(nèi)的設(shè)備基礎(chǔ)與上下行鐵道線路、牽引變電所房屋基礎(chǔ)等的空間位置坐標(biāo)協(xié)調(diào)匹配。

1.1 精測網(wǎng)與接觸網(wǎng)施工的關(guān)系

我國過去的普通鐵路測量沒有建立一套完整的控制測量系統(tǒng)，各級控制網(wǎng)測量精度主要根據(jù)線下工程施工控制要求而制定，路基設(shè)計基本不考慮路基沉降控制，路基沉降通過補(bǔ)充道砟等方式補(bǔ)救。軌道鋪設(shè)和運營不以控制網(wǎng)為基準(zhǔn)按設(shè)計坐標(biāo)進(jìn)行絕對定位，而是按線下工程施工現(xiàn)狀采用相對定位。這種鋪軌方法因測量誤差的累積，往往造成軌道幾何參數(shù)與設(shè)計參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。例如，某時速200 km鐵路提速改造工程的某圓曲線半徑與設(shè)計半徑相差幾百米，大半徑的長曲線變成了多個不同半徑圓曲線的組合，緩和曲線、夾直線長度不夠，曲線五大樁位置與設(shè)計位置相差很大，縱斷面整坡變成了很多碎坡等。秦沈客運專線鐵路工程開始重視路基沉降控制，但其標(biāo)準(zhǔn)比無砟軌道低得多，其工后沉降不能滿足無砟軌道鋪設(shè)要求。

高速鐵路是一項集多種先進(jìn)技術(shù)于一體的龐大系統(tǒng)工程，各施工專業(yè)間有著內(nèi)在緊密聯(lián)系和大量信息交換。高速鐵路無砟軌道測量控制網(wǎng)的精度在滿足線下工程施工控制測量要求的同時必須滿足軌道鋪設(shè)精度要求，無砟軌道的絕對定位由各級平面高程控制網(wǎng)組成的測量系統(tǒng)來實現(xiàn)，從而保證軌道與線下工程路基、橋梁、隧道、站臺等的空間位置坐標(biāo)、高程互相協(xié)調(diào)匹配。接觸網(wǎng)工程的接觸線高度、拉出值等大量幾何參數(shù)是以軌道幾何參數(shù)為基準(zhǔn)。由于工期緊張等原因，我國普通鐵路接觸網(wǎng)施工不可能在軌道工程竣工后才開始，這經(jīng)常造成接觸網(wǎng)幾何參數(shù)隨軌道幾何參數(shù)變化而大量、反復(fù)重新調(diào)整。高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工需迫切解決的主要問題是:如何運用系統(tǒng)工程的思想和方法，研究優(yōu)化施工組織設(shè)計方案和施工工藝工法，在工期緊張、軌道未達(dá)到竣工狀態(tài)(甚至軌道未鋪設(shè))的情況下就開始接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工、腕臂安裝和懸掛調(diào)整，并避免發(fā)生以往普通鐵路接觸網(wǎng)隨軌道幾何參數(shù)變化而大量反復(fù)調(diào)整的現(xiàn)象?！惰F路客運專線技術(shù)管理辦法(試行)(300～350 km/h部分)》(TG/04—2009)［3］規(guī)定:“應(yīng)建立勘測設(shè)計、工程施工和運營維護(hù)'三網(wǎng)合一'的精密測量控制網(wǎng)?？睖y設(shè)計階段應(yīng)建立基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)、線路控制網(wǎng)(CPⅡ);線下工程施工完成后，應(yīng)建立軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)?！本珳y網(wǎng)為站前工程施工、竣工驗收和運營維護(hù)提供了坐標(biāo)基準(zhǔn)，也為接觸網(wǎng)施工高精度創(chuàng)造了充要條件。

1.2 在高速鐵路接觸網(wǎng)工程中應(yīng)用精測網(wǎng)

新建高速鐵路接觸網(wǎng)工程從支柱基礎(chǔ)定位測量、腕臂測量計算安裝、吊弦測量計算安裝、接觸網(wǎng)檢測精調(diào)等均應(yīng)以線路軌道橫、縱斷面設(shè)計圖為依據(jù)，接觸網(wǎng)和線路軌道專業(yè)測量都應(yīng)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)——精測網(wǎng)，并作為雙方施工和運營期間共同遵守的依據(jù)。

我國高速鐵路橋梁及隧道地段的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)基樁通常分別設(shè)置在橋梁防撞墻和隧道電纜槽的線路側(cè)面;路基地段的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)基樁一般在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)澆筑的同時，由設(shè)計院勘測人員設(shè)置在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)或軌道專業(yè)特設(shè)的混凝土基礎(chǔ)上。通過高速鐵路精測網(wǎng)基樁參數(shù)及其對應(yīng)的線路參數(shù)、曲線樁位置坐標(biāo)值及曲線參數(shù)值，可以精確計算確定接觸網(wǎng)支柱側(cè)面限界、支柱基礎(chǔ)面相對于低軌面的高差、外軌超高等，作為接觸網(wǎng)施工和復(fù)核站前專業(yè)施工的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)工程質(zhì)量的依據(jù)。根據(jù)線路控制網(wǎng)(CPⅡ)數(shù)據(jù)，可確定接觸網(wǎng)車站、區(qū)間分段測量起點，可測量隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的預(yù)埋槽道、錨栓、下錨斷面位置，可核查路基、橋梁上接觸網(wǎng)支柱及拉線基礎(chǔ)位置是否符合設(shè)計要求。根據(jù)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)數(shù)據(jù)，可測量核定接觸網(wǎng)支柱垂直線路中心線偏差及上部孔位的準(zhǔn)確性、隧道內(nèi)吊柱及錨栓的施工偏差，可測量并計算吊弦長度。在接觸網(wǎng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中，根據(jù)CPⅢ精測網(wǎng)數(shù)據(jù)和線路擬合參數(shù)，可進(jìn)一步分析判定軌道與接觸網(wǎng)耦合是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

京津城際鐵路接觸網(wǎng)下部工程施工在路基、軌道尚未穩(wěn)定的情況下，全線約5 000根接觸網(wǎng)H形鋼柱基礎(chǔ)以精測網(wǎng)為基準(zhǔn)，采用全站儀對其高程精確定位。合武高速鐵路接觸網(wǎng)施工利用精測網(wǎng)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料進(jìn)行精確測量，與站前工程進(jìn)行交叉施工，在線、橋、隧基本成形還沒有上砟鋪軌之前完成了大量的工作。

2 首次提出接觸線平直度要求，實現(xiàn)接觸線的高平順性

接觸線平順性包括接觸線相對軌面的高度、接觸線平直度等要求。與軌道“長波”、“短波”高平順性要求類似，一個工程項目全線的接觸線(“長波”)、局部接觸線(“短波”)、相鄰局部接觸線之間均應(yīng)達(dá)到高平順。

2.1 接觸線相對軌面的高度

《高鐵電牽施工指南》對接觸線相對軌面的高度的相關(guān)要求如下。

(1)軌道調(diào)整完成后，接觸線懸掛點距軌面的高度應(yīng)符合設(shè)計要求(全線數(shù)百乃至上千米的“長波”)，施工允許偏差±30 mm，且應(yīng)同時符合下列(局部、“短波”)要求:

①相鄰跨距(100 m左右的“短波”)接觸線高度變化允許偏差不得大于20 mm(不超出如圖1所示陰影范圍)，即:本跨距與相鄰跨距接觸線高度變化趨勢相同(同向)時，本跨距兩懸掛點接觸線高度允許偏差±20 mm;本跨距與相鄰跨距接觸線高度變化趨勢不同(異向)時，本跨距兩懸掛點接觸線高度允許偏差±10 mm。

圖1 相鄰跨距接觸線高度變化允許偏差示意

②1個跨距內(nèi)(50 m左右的“短波”)兩相鄰吊弦處的接觸線高度差不得大于10 mm。

③定位點兩側(cè)第1吊弦范圍內(nèi)(10 m左右的“短波”)接觸線高度應(yīng)相等，相對該定位點的接觸線高度施工允許偏差±10 mm，且不得出現(xiàn)“V”形(圖2)，以免該定位點處的弓網(wǎng)動態(tài)接觸力超標(biāo)。

圖2 定位點兩側(cè)第1吊弦范圍內(nèi)接觸線高度施工允許偏差范圍示意

(2)接觸線工作支懸掛點高度變化時，時速250 km接觸線坡度不得大于1‰，坡度變化率不得大于0.5‰;時速300 km及以上接觸線坡度為0。

施工時應(yīng)高度重視接觸線坡度變化率。為避免列車通過軌道變坡點時產(chǎn)生不利于列車運行的車輛振動和局部加速度，軌道線路縱斷面上的變坡點處不允許形成折線，而應(yīng)采用豎曲線。與輪軌關(guān)系類似，接觸線的高度發(fā)生變化時(如接觸網(wǎng)在低凈空立交橋下通過)，在變坡點處，接觸線高度應(yīng)以緩和曲線形式過渡，接觸線的坡度不允許從0(即接觸線平行于軌面)突然轉(zhuǎn)換到某個較大的坡度值，即接觸線坡度變化率應(yīng)符合設(shè)計要求。

2.2 接觸線平直度

《高鐵電牽施工指南》首次提出接觸線平直度要求，以使接觸懸掛具有良好的靜態(tài)特性，為達(dá)到設(shè)計要求的接觸懸掛動態(tài)性能奠定基礎(chǔ)。

最先在高速鐵路采用銅鎂合金接觸線的德國，曾因銅鎂合金接觸線架設(shè)張力小于工廠繞線張力導(dǎo)致接觸線出現(xiàn)大量硬彎，列車高速運行時產(chǎn)生大量電弧。銅鎂合金接觸線的硬度大，其出現(xiàn)硬彎后難以整治到滿足列車高速運行時的弓網(wǎng)受流要求，因此不得不整錨段更換。德國鐵路公司與工程總包公司、接觸線生產(chǎn)廠家等共同對此深入研究認(rèn)為:“0.1 mm/m及以上硬彎的銅鎂合金接觸線不能滿足列車運行時速300 km及以上要求，采用銅鎂合金接觸線專用整直器使硬彎不大于0.1 mm/m后，電弧不再產(chǎn)生?！蔽覈咚勹F路建設(shè)實踐證明，接觸網(wǎng)工程不論采用銅鎂或銅錫合金接觸線，只要嚴(yán)格遵照《高鐵電牽施工指南》對接觸線架設(shè)的相關(guān)要求，接觸線硬彎不大于0.1 mm/m平直度可以達(dá)到。

(1)架設(shè)前應(yīng)根據(jù)恒張力架線車類型、接觸線類型要求在恒張力架線車上安裝接觸線調(diào)直器。

(2)接觸線應(yīng)采用恒張力架線，架線張力應(yīng)根據(jù)恒張力架線車類型、線材材質(zhì)等因素選取，且不應(yīng)小于繞線張力，架線張力偏差不得大于8%。

(3)接觸線架線速度宜為3～5 km/h并應(yīng)保持勻速，中途不應(yīng)停車。

(4)接觸線架設(shè)應(yīng)在每個跨距內(nèi)均勻懸掛不少于4個帶有滑輪的工具吊弦。

(5)接觸線架設(shè)完成后，應(yīng)使用接觸線專用檢測尺和塞尺對接觸線平直度進(jìn)行檢測，每300 m檢測1處，最大空氣間隙(即接觸線平直度)不應(yīng)大于0.1 mm/m。

(6)接觸線架設(shè)完成后，應(yīng)在48 h內(nèi)安裝中心錨結(jié)和定位器，以防接觸線新線蠕變過程中發(fā)生扭面。

接觸線架設(shè)前應(yīng)檢查放線架的線軸直徑是否與線盤的軸孔匹配，以免間隙過大而導(dǎo)致放線后產(chǎn)生硬彎;架線作業(yè)人員應(yīng)訓(xùn)練有素并成立專門的架線作業(yè)組;接觸線架設(shè)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，不應(yīng)走走停停，否則制動線盤或停車后啟動時，因線盤慣性易導(dǎo)致接觸線硬彎且無法完全整直(速度變化導(dǎo)致線盤張力變化。如果單位時間的速度變化量超過一定范圍，將導(dǎo)致線盤張力變化過大)。

3 高度重視高速接觸網(wǎng)特性，實現(xiàn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性

除重載電氣列車外，我國普通鐵路電氣列車取流一般小于400 A。與普通鐵路相比，高速鐵路接觸網(wǎng)工作電流和短路電流成倍增加、接觸懸掛振動的幅度和頻率顯著加大;線材、零部件及電氣設(shè)備更加容易發(fā)熱燒損;接觸網(wǎng)部件間的電位差更大，更易出現(xiàn)打火花等。例如，16輛編組的CRH3型動車組在運行時速300 km時，總裝機(jī)容量約23 400 kVA，單車電流約936 A;時速350 km時，總裝機(jī)容量約29 500 kVA，單車電流約1 180 A;時速380 km與350 km相比，速度增加約8.6%，電流增大約20%。

3.1 緊固力矩與導(dǎo)流能力

高速鐵路如果出現(xiàn)接觸網(wǎng)(吊弦、定位等)線夾松動、墊片丟失等，后果將比普通鐵路更加嚴(yán)重。例如，某高速鐵路因為接觸線電連接線夾壓接不牢脫落，發(fā)生多起弓網(wǎng)故障、中斷列車供電。

電力脂不僅在線索與線夾之間起潤滑作用，而且能加強(qiáng)它們間的電氣接觸和導(dǎo)流能力。因此，德國鐵路要求在可能出現(xiàn)大電流(或短路電流)的接觸網(wǎng)連接處涂電力脂。

為確保高速鐵路電氣主導(dǎo)電回路的導(dǎo)電能力、實現(xiàn)接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)高穩(wěn)定性，《高鐵電牽施工指南》一是要求“所有預(yù)配件、零部件中螺栓應(yīng)采用力矩扳手緊固，緊固力矩、防松措施應(yīng)符合設(shè)計或產(chǎn)品技術(shù)要求。”二是要求除吊弦壓接套管外，吊弦線夾、電連接線夾、定位線夾、其他在正常和短路情況下通過大電流的線夾以及開關(guān)觸頭間，均必須在其與線索的接觸面處先除去臟污，然后涂抹導(dǎo)電脂;在預(yù)配腕臂時，平腕臂管、斜腕臂管和定位管的螺紋上也要涂抹上薄薄一層導(dǎo)電脂。

3.2 溫度變化與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定

溫度變化將引起金屬導(dǎo)體熱脹冷縮，大電流通過金屬導(dǎo)體而發(fā)熱是接觸網(wǎng)的重要特性之一。溫度變化時，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)保持穩(wěn)定，其幾何位置不得超出規(guī)定范圍。我國北方地區(qū)最低氣溫可達(dá)-40℃，接觸網(wǎng)正常工作時可允許銅合金接觸線溫度最大升高到80℃，接觸線溫度變化可達(dá)120 K(即-40℃至+80℃)，因此，《高鐵電牽施工指南》要求腕臂和定位裝置、下錨補(bǔ)償裝置、承力索中心錨結(jié)、電連接線和開關(guān)引線等的安裝均應(yīng)考慮接觸懸掛的線索達(dá)到最大允許溫度時的情況。例如，《高鐵電牽施工指南》首次要求承力索中心錨結(jié)繩按設(shè)計安裝曲線施工。此量化規(guī)定比以往“承力索中心錨結(jié)繩弛度應(yīng)小于或等于所在跨距承力索的弛度”的定性要求更嚴(yán)，可避免最低氣溫時承力索中錨繩的張力過大而影響中錨柱的安全。

4 充分研究定位裝置結(jié)構(gòu)特點，實現(xiàn)接觸網(wǎng)運行高可靠性

定位裝置是列車運行中與受電弓最接近的部件之一，不妨礙受電弓順利通過是對定位器最基本的要求。我國高速鐵路設(shè)計一般采用限位定位裝置。限位定位裝置的功能之一是防止因定位器的過度抬升造成打弓。限位定位器的限位間隙或坡度太大，則列車高速運行時，定位點處弓網(wǎng)接觸力將可能過大、接觸線和受電弓磨損加劇;限位定位器的限位間隙或坡度偏小，則接觸線在標(biāo)準(zhǔn)允許的正常范圍內(nèi)抬升時，定位器限位功能也可能起作用，使定位點處弓網(wǎng)接觸力過大、接觸線和受電弓磨損加劇。因此，《高鐵電牽施工指南》規(guī)定:限位定位器傾斜度與定位管的坡度應(yīng)符合設(shè)計要求，限位間隙允許偏差為±1 mm。

5 不斷加強(qiáng)弓網(wǎng)靜態(tài)檢測力度，實現(xiàn)接觸網(wǎng)運營高安全性

國內(nèi)外多年的理論研究、試驗和工程實踐表明，接觸網(wǎng)靜態(tài)特性優(yōu)異是保證接觸網(wǎng)動態(tài)特性良好的先決條件，受電弓滑行速度越快，對接觸網(wǎng)的靜態(tài)特性要求就越高。接觸網(wǎng)工程竣工后應(yīng)先進(jìn)行靜態(tài)特性檢測。若靜態(tài)檢測出的缺陷沒有被消除時，則動態(tài)檢測該處所時同樣會出現(xiàn)質(zhì)量缺陷。因此，《高鐵電牽施工指南》規(guī)定:接觸網(wǎng)工程竣工后，應(yīng)采用非接觸式接觸網(wǎng)檢測車或綜合檢測列車對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)進(jìn)行檢測。非接觸式接觸網(wǎng)檢測車運行時速宜為20～80 km，綜合檢測列車檢測前應(yīng)用接觸網(wǎng)檢測車對接觸網(wǎng)空間安全參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，運行時速80～160 km。

上述規(guī)定與《客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南》［4］有關(guān)接觸網(wǎng)靜態(tài)檢測的主要區(qū)別如表1所示。

表1 高速鐵路與普通鐵路有關(guān)接觸網(wǎng)靜態(tài)檢測的主要區(qū)別

6 結(jié)語

我國鐵路通過自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，在世界上首次實現(xiàn)了接觸網(wǎng)與兩列時速350 km動車組聯(lián)掛升雙弓運行。我國石太、合寧及其他時速250 km高速鐵路按時速250 km動車組和雙層集裝箱貨物列車共線運行設(shè)計，這在世界上沒有先例，但截至目前這些鐵路除進(jìn)行過雙層集裝箱貨物列車運行試驗和弓網(wǎng)模擬外，均尚未大量運行雙層集裝箱貨物列車。因此，在各種工況(如最大允許運行風(fēng)速)和接觸線高度6.45 m情況下，接觸網(wǎng)施工如何滿足受電弓動態(tài)包絡(luò)線要求，確保時速250 km動車組和雙層集裝箱貨物列車共線運行安全，將可能成為高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工的研究課題。

［1］鐵建設(shè)［2010］241號，高速鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［2］經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)［2007］103號，客運專線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［3］中華人民共和國鐵道部.TG/04—2009 鐵路客運專線技術(shù)管理辦法(試行)(300～350 km/h部分)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［4］經(jīng)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)［2008］30號，客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.