新關角隧道信號系統(tǒng)方案研究

馬書元

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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新關角隧道信號系統(tǒng)方案研究

馬書元

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：鑒于青藏線西格二線關角隧道的特殊性，通過對國內已開通可借鑒的長大隧道京廣線大瑤山隧道、蘭武二線烏鞘嶺隧道及青藏鐵路既有關角隧道情況進行調研、測試、分析，綜合新關角隧道環(huán)境條件、方案可靠性、維修維護、投資等各方面因素，推薦區(qū)間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路，隧道內進行軌道電路分割方案。

關鍵詞：關角隧道；道床電阻；軌道電路；分割

1項目概述

青藏線西寧至格爾木段增建第二線關角隧道位于海拔3 000～3 500 m的天棚車站與察漢諾車站之間，隧道全長32.645 km，是目前國內最長的鐵路隧道。設計為2座平行的單線隧道，線間距為40 m，隧道平面位于直線上，左線、右線隧道的縱向設計坡度基本一致，縱斷面為人字坡型。設計行車速度目標值160 km/h；整體道床，雙塊式無砟軌道。

隧道采用鉆爆法施工，施工輔助坑道(斜井)10座。隧道共設計77座聯絡橫通道，平均間隔420 m。隧道與鄰站的距離見圖1。

圖1　關角隧道位置示意(單位：km)

2系統(tǒng)構成及影響系統(tǒng)工作性能因素

目前國內還缺少普速鐵路無砟軌道隧道內軌道電路和機車信號安全傳輸的相關標準。由于各隧道情況不同，隧道的電磁環(huán)境、道床因素、溫濕度情況、海拔情況等因素均可能直接影響信號系統(tǒng)的軌道電路和機車信號安全傳輸。同時這些因素也是信號系統(tǒng)方案選型的重點和難點。

隨著我國西部鐵路建設步伐加快和客貨共線鐵路建設標準的提高，特長隧道的數量和里程逐漸增加，但現有規(guī)范中沒有對應普速鐵路客貨共線標準分路電阻條件下無砟軌道隧道內ZPW-2000軌道電路長度標準。

3既有隧道道床特性測試及軌道電路工作狀態(tài)分析

3.1已開通類似隧道道床特性測試

為了確定關角隧道信號方案，對國內具有借鑒意義的隧道進行了摸排，先期進行了大量的調查、研究與測試。具體情況如下。

3.1.1大瑤山隧道的調研情況

大瑤山隧道位于京廣鐵路廣東省北部羅家渡至土嶺之間，于20世紀90年代初建成通車。是國內軌道參數條件較差的典型工點，道床電阻最不利地段達到0.1 Ω·km。

隧道長約14 km，為非整體道床。在武廣電化時進行了改造。部分區(qū)段在采用分割ZPW-2000A軌道電路至其所能正常工作的最短距離300 m后仍不能穩(wěn)定工作后，適當調整軌道區(qū)段長度并增加了計軸設備。

3.1.2烏鞘嶺隧道的調研測試情況

具有與關角隧道同為整體道床、同為長隧道、氣候條件類似(均在北方區(qū)域)的特點。

烏鞘嶺隧道位于蘭新線龍溝站與打柴溝站間(站間距27.9 km)，隧道工作區(qū)域高程2 900～3 600 m，于2006年8月開通運營，隧道長約21 km，為雙單線隧道。隧道內采用整體道床，軌道板未作絕緣，底座未作絕緣。隧道內無明顯漏水、滲水現象。單側敷設貫通地線、未采取其他接地措施。

隧道外采用ZPW-2000A軌道電路，隧道內采用計軸+環(huán)線方案，計軸實現區(qū)間空閑、占用檢查，環(huán)線傳輸機車信號。自2006年開通運營以來，設備運行穩(wěn)定。在2012年出現了計軸通道防雷單元燒損的問題，經分析研究是由于回流不暢、隧道內牽引回流無法及時泄流，從而造成鋼軌電位過高所致。因隧道內已無法進行大規(guī)模改造，通過研究在隧道入口增加輔助接地網后該問題已得到解決。

開通4年后，于2010年8月加載ZPW-2000A軌道電路后對其軌道影響信號系統(tǒng)的性能的鋼軌電阻電感和道床漏泄電阻分別進行了測試

經測試在ZPW-2000A所需要的4種載頻下，鋼軌電阻均在2～3.2 Ω/km；鋼軌電感在1.18～1.31 mh/km。道床漏泄電阻大于20 Ω·km。

3.1.3克土隧道的調研測試情況

選擇在寒冷冬季(2012年12月)對已開通青藏線西格二線的現場反映工作不穩(wěn)定的克土隧道內個別區(qū)段進行了道床條件的測試。

克土隧道位于青藏線西格二線段海晏站與托勒站間區(qū)間，海拔約3300 m，隧道長4.3 km，為雙線隧道，鋪設有砟軌道。設有ZPW-2000A軌道電路。隧道內漏水不明顯，局部地方有翻漿冒泥現象。選擇道床條件較差的0879BG進行測試，0879BG歸克土中繼站控制，區(qū)段長度700 m，載頻1 700 Hz，控制電纜小于5 km。測試結果見表1。

表1　克土隧道0879BG道床電阻測試

測試結果為道床漏泄電阻大于20 Ω·km。

3.1.4既有關角隧道的調研測試情況

選擇與新建關角隧道具有類似海拔、類似氣候環(huán)境特點的既有關角隧道進行調研與測試。既有關角隧道于20世紀80年代初建成通車，2007年進行電氣化改造。既有關角隧道位于海拔約3 700 m的青藏線西格段天棚站與南山口站間，隧道長約4 km。隧道內鋪設寬軌枕，為半自動閉塞的區(qū)間部分，未設軌道電路。圖2為既有關角隧道西進口。

圖2　既有關角隧道西進口

既有關角隧道部分區(qū)域隧道內壁有滲漏水現象，某些地段道床有嚴重向上滲水現象及輕微翻漿冒泥現象。

于2013年10月對既有關角隧道滲漏水及翻漿冒泥區(qū)域進行了道床電阻測試，測試結果見表2、表3。

既有關角隧道測試結果為道床電阻在0.9～11.5(Ω·km)

3.2既有隧道情況對比及信號系統(tǒng)工作狀態(tài)分析3.2.1大瑤山隧道情況的分析

大瑤山隧道因建設較早，隧道防水、排水工藝較差，造成道床漏泄電阻最不利地段僅能達到0.1 Ω·km，這些區(qū)段采用了軌道電路+計軸的方式，正常情況下，軌道電路單獨使用，完成軌道占用檢查及機車信號傳輸；計軸設備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號控制。當遇到特殊情況或環(huán)境變化導致軌道電路不能可靠工作時，采用人工倒入方式由軌道電路轉為計軸加軌道電路方式。利用計軸設備實現區(qū)間軌道區(qū)段空閑、占用檢查，軌道電路只完成機車信號傳輸功能，從而保證正常運輸作業(yè)。

表2　既有關角隧道測試結果(一)

表3　既有關角隧道測試結果(二)

參照《計軸加軌道電路解決自動閉塞“紅光帶”方案的指導意見》(運基信號[2006]446號)，結合大瑤山隧道實際運用情況，當道床漏泄電阻在0.1 Ω·km時，軌道區(qū)段分割至300 m后增加計軸設備方可保證系統(tǒng)可靠工作。

3.2.2烏鞘嶺隧道的情況分析

(1)接地情況：因建設較早，當時鐵路上普遍采用各專業(yè)、各設備分散接地，尚未采用綜合接地方式。全線敷設1根25 mm2貫通地線，烏鞘嶺隧道貫通地線與信號電纜同溝敷設在預留的信號電纜槽。由于長距離的貫通地線懸浮于隧道中，無法及時泄流，造成鋼軌感應電壓高，影響設備穩(wěn)定工作甚至影響作業(yè)人員人身安全的后果。

(2)信號系統(tǒng)工作情況：烏鞘嶺隧道按6 min運行間隔、四顯示自動閉塞制式進行區(qū)間信號機布點。隧道外采用ZPW2000A型區(qū)間設備，隧道內采用計軸加環(huán)線設備。采用北京泰雷茲交通自動化控制系統(tǒng)公司的4套AzL90型計軸主機設備，采用ZP30C型室外計軸設備控制相關信號點。計軸設備實現列車占用檢查，環(huán)線設備完成機車信號傳輸。

計軸設備的工作不受道床泄漏電阻變化影響，并且與鋼軌表面潔凈度和線路條件無關，不受電氣化牽引電流干擾，控制范圍大，方式靈活。在鋼軌表面生銹、污染條件下，仍能可靠安全的檢測列車。利用環(huán)線傳輸機車信號時，軌道區(qū)段的控制距離將不受道床環(huán)境條件的限制。

因隧道內整體道床配筋未做絕緣處理加之未設置綜合接地系統(tǒng)，出現了隧道內軌道電位較高，危及人身安全和干擾信號設備的正常工作及行車安全的問題。后經改善接地，目前信號系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

(3)道床電阻測試情況分析：根據測試結果，雖然隧道內底板鋼筋未做絕緣處理，經過幾年的運行后，道床受到一定的污染，但整體道床的道床電阻遠大于目前使用的ZPW-2000軌道電路區(qū)間標準分路電阻下最低道床電阻的要求。

3.2.3既有關角隧道

根據既有關角隧道的測試數據分析，結合西格二線(海拔2 000～3 000 m)已開通運營的ZPW-2000系列軌道電路均能穩(wěn)定工作的情況，可認為高海拔對軌道絕緣、道床漏泄電阻等電氣參數影響較小。

4新關角隧道內影響信號系統(tǒng)方案的因素分析

4.1綜合接地系統(tǒng)

新關角隧道為亞洲最長的鐵路隧道，位于高海拔地區(qū)且為電氣化鐵路，借鑒烏鞘嶺隧道運營中出現的問題，參照高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)的設計理念及《鐵路綜合接地和信號設備防雷系統(tǒng)工程設計指南》，新關角隧道內設計采用了綜合接地系統(tǒng)。以沿線兩側通信信號電纜槽內敷設的貫通地線為主干，充分利用隧道地段構筑物設施內的接地裝置為接地體，形成低阻等電位綜合接地平臺。

綜合接地系統(tǒng)的設置能夠大大改善隧道內電磁環(huán)境，目前開通的采用綜合接地系統(tǒng)的客運專線上的長隧道感應電勢均未對信號系統(tǒng)產生影響。

新關角隧道內采用了綜合接地系統(tǒng)后，可消除電磁干擾對軌道電路的影響。

4.2軌道結構類型

隧道內全段采用雙塊式無砟軌道，道床板采用鋼筋混凝土結構，這種結構極大地改善了隧道內道床條件，對軌道及道床參數影響最大的鋼軌底部翻漿冒泥等現象將基本杜絕。

4.3隧道縱斷面設計

隧道線路設計為“人”字坡，道床面設計為1%橫坡，每5 m設一泄水孔，排泄道床集水，按運營期正常排水量計算，無道床積水。

4.4隧道防排水

從烏鞘嶺隧道的施工至運營10多年情況看，沒有明顯的滲漏水現象，即隧道內線路條件未對軌道及道床參數產生影響。根據關角隧道的隧道防排水設計及前期建成的隧道效果，不會發(fā)生滲漏水現象。

4.5影響軌道電路的相關因素

主要有鋼軌內牽引總電流、鋼軌不平衡電流、鋼軌電阻、鋼軌電感、道床電阻、軌間電容、環(huán)境空氣濕度、鋼軌扣件的絕緣等?，F就各因素逐一進行歸類分析。

(1)鋼軌內牽引總電流、鋼軌不平衡電流

本線鋼軌內牽引總電流與鋼軌不平衡電流是ZPW-2000型一體化軌道電路選擇匹配變壓器、防雷單元和空心線圈類型的主要參數。隧道內外鋼軌內牽引總電流與鋼軌不平衡電流基本一致，對隧道內方案不產生主要影響，僅對隧道內綜合接地方案有一定影響。

(2)鋼軌電阻、鋼軌電感

這兩個因素直接關系到ZPW-2000型一體化軌道電路的傳輸長度和傳輸質量。本線采用60 kg/m區(qū)間無縫長鋼軌，鋼軌電阻、鋼軌電感隧道內外基本一致，對隧道內方案不產生主要影響。

綜上分析，關角隧道無論從隧道防水、排水設計標準，施工工藝還是道床排水設計施工、鋼軌扣件的絕緣性能均優(yōu)于烏鞘嶺隧道。根據對烏鞘嶺隧道通車后的測試情況及既有關角隧道道床電阻測試情況分析，新關角隧道道床電阻在正常工務養(yǎng)護的情況下應可達到1Ω·km。

5自動閉塞軌道電路方案研究

參照既有隧道軌道電路分析，結合新關角隧道內影響信號系統(tǒng)方案的因素，對以下軌道電路方案從軌道電路的正常工作和機車信號的可靠傳輸等方面進行比選研究。

方案Ⅰ：ZPW-2000系列軌道電路分割方案

軌道占用檢查和機車信號傳輸方案均由ZPW-2000型一體化軌道電路實現。本方案工作原理單一清晰；對防護的軌道區(qū)段能夠實現連續(xù)檢查；ZPW-2000系統(tǒng)在全國各線及西格二線上均有多年成功運營的經驗；采用本方案后全線制式一致，車載設備不增加，便于維護維修、備件及管理。

方案Ⅱ：軌道電路分割疊加計軸方案

在方案Ⅰ基礎上每段軌道電路增加1套計軸設備。正常情況下，軌道電路單獨使用，計軸設備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號控制。當遇到特殊情況或環(huán)境變化致使軌道電路不能可靠工作時，由人工導入計軸加軌道電路方式，利用計軸設備實現所在區(qū)間軌道區(qū)段空閑、占用檢查，這些區(qū)段軌道電路只完成機車信號傳輸功能。

此方案既保證正常情況下區(qū)間信號系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，也可滿足因其他因素導致軌道電路無法實現區(qū)間占用檢查時區(qū)間信號系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

本方案存在以下不足：隧道內外各區(qū)段工作原理不統(tǒng)一，不利于現場人員維護維修及運營操作；大量計軸設備設于隧道內，增加了維修維護工作量及工作難度。若采用方案Ⅰ，線路運營一段時間后，進行增加計軸設備的施工不僅影響線路運營，且本段交通不便、施工空間狹小、施工難度大。

方案Ⅲ：軌道電路分割疊加計軸自動站間閉塞方案

區(qū)間隧道內每段閉塞分區(qū)分割1次，兩鄰站隧道側進站信號機外方分別增加計軸設備。正常情況下，軌道電路單獨使用，計軸設備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號控制。當遇到特殊情況或環(huán)境變化致使軌道電路不能可靠工作時，由人工轉為計軸自動站間閉塞。由計軸設備檢查區(qū)間空閑，隨著辦理發(fā)車進路自動構成站間閉塞，列車憑出站信號機顯示進入發(fā)車進路后，出站信號機自動關閉，待列車出清區(qū)間后自動解除閉塞。

采用此方案在自動站間閉塞情況下運行時，一方面區(qū)間軌道占用檢查成為點式方式，另一方面對運輸效率產生一定影響。

綜合關角隧道環(huán)境條件、方案可靠性、維修維護、投資等各方面因素，推薦區(qū)間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路，關角隧道內進行軌道電路分割方案。

類比烏鞘嶺隧道、結合既有關角隧道測試及分析論證，可認為關角隧道道床電阻值通常情況下應能滿足區(qū)間1 Ω·km的要求。在控制電纜不超過10 km、分路電阻0.15 Ω時，ZPW-2000軌道電路在600 m可穩(wěn)定工作。

按照6 min布點、7 min計算能力，本區(qū)間通過布點優(yōu)化，各閉塞分區(qū)長度及根據線路條件區(qū)段采用的分割情況見表4。

表4　關角隧道內軌道電路分割情況

注：帶#表示在隧道內的信號點

6結語

通過全面的調查研究及現場測試，經過分析比較，設計出安全可靠、經濟合理的關角隧道信號方案，為青藏線的安全穩(wěn)定運營提供保障，同時為現場維修維護及備品備件提供便捷。 此方案得到了運營維護單位及項目審批單位的一致認可。

參考文獻：

[1]中華人民共和國鐵道部.運基信號[2006]168號關于發(fā)布《ZPW-2000A軌道電路整治基本技術原則》的通知[Z].中華人民共和國鐵道部，2006.

[2]中華人民共和國鐵道部.運基信號[2006]168446號關于印發(fā)《計軸加軌道電路解決自動閉塞“紅光帶”方案的指導意見》的通知[Z].中華人民共和國鐵道部，2006.

[3]中華人民共和國鐵道部.TB/T3206—2008ZPW-2000軌道電路技術條件[S].中華人民共和國鐵道部，2008.

[4]趙自信.ZPW-2000A無絕緣軌道電路自動閉塞系統(tǒng)的技術綜述[J].鐵路通信信號工程技術，2003(S1)：12-19.

[5]中華人民共和國鐵道部.鐵路綜合接地和信號設備防雷系統(tǒng)工程設計指南[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009高速鐵路設計規(guī)范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB10020—2009高速鐵路設計規(guī)范(試行)條文說明[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[8]中華人民共和國鐵道部.鐵科技[2006]188號關于發(fā)布《無砟軌道條件下ZPW-2000系列軌道電路傳輸特性關鍵參數技術條件(暫行)》的通知[Z].中華人民共和國鐵道部，2006.

[9]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.改建鐵路青藏線西寧至格爾木段增建二線關角隧道信號自動閉塞Ⅰ類變更設計[Z].西安：中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2013.

[10]中華人民共和國鐵道部.TB10007—2006鐵路信號設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2006.

[11]北京全路通信信號研究設計院列車自動控制研究所.烏鞘嶺隧道軌道電路一次參數測試報告[Z].北京：北京全路通信信號研究設計院列車自動控制研究所，2011.

Research on Guanjiao Tunnel Signal System

MA Shu-yuan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：In view of the special nature of Guanjiao tunnel on Qinghai-Tibet Xining-Ge’ermu second-line and on the basis of the investigation， test and analysis of the existing long tunnels on some domestic railway lines， this paper recommends ZPW-2000 non-insulation track circuit in the section between stations and track circuit segmentation in the tunnel with respect to environmental conditions of the tunnel， reliability of plan， maintenance and investment.．

Key words：Guanjiao tunnel; Ballast bed resistor; Track circuit; Segmentation

中圖分類號：U284.23+8

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.027

文章編號：1004-2954(2015)04-0111-05

作者簡介：馬書元(1972—)，女，高級工程師，1993年畢業(yè)于蘭州交通大學，工學學士。

收稿日期：2014-09-06； 修回日期：2014-11-21