預(yù)埋槽道架空剛性接觸網(wǎng)技術(shù)研究及應(yīng)用

王博

摘 要：本文對城市軌道交通鐵路既有剛性接觸網(wǎng)安裝形式和盾構(gòu)管片預(yù)埋槽道進(jìn)行了分析說明，提出了兩種城市軌道交通預(yù)埋槽道架空剛性接觸網(wǎng)懸吊裝置形式，并對這兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究和論述。通過該技術(shù)的研究應(yīng)用，解決了隧道區(qū)間管片預(yù)埋槽道剛性懸掛接觸網(wǎng)技術(shù)難題，使得隧道使用壽命、產(chǎn)品壽命、弓網(wǎng)受流質(zhì)量、施工成本、設(shè)備安裝效率等同步提升，進(jìn)一步提高行車的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：預(yù)埋槽道；剛性接觸網(wǎng)；技術(shù)；應(yīng)用

0 引言

架空剛性接觸網(wǎng)在國內(nèi)城市軌道交通及電氣化鐵道領(lǐng)域的實際建設(shè)中，多采用化學(xué)植筋或打膨脹螺栓來進(jìn)行接觸網(wǎng)的安裝，但是這種方式需要在既有隧道結(jié)構(gòu)上鉆孔，施工中可能會碰到結(jié)構(gòu)鋼筋，損傷整體結(jié)構(gòu)，另外膨脹螺栓等也本身存在腐蝕問題，達(dá)不到地鐵耐久性的要求。城市軌道交通工程中的接觸網(wǎng)對隧道主體的這種破壞性施工帶來的損傷也成為地鐵后期運營的重要障礙。鑒于此，目前高速鐵路上很多線路已不再采用傳統(tǒng)打孔模式，而采用管片預(yù)埋槽道形式進(jìn)行接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛。許多城市的地鐵線路如深圳、天津、長沙等也紛紛效仿高速鐵路采用隧道預(yù)埋槽道形式。這樣，以往剛性懸掛安裝的接口與隧道預(yù)埋槽道就不再匹配，急需進(jìn)行隧道預(yù)埋槽道剛性懸吊裝置研究，以解決隧道區(qū)間管片預(yù)埋槽道剛性懸掛接觸網(wǎng)技術(shù)難題，便于運營維護(hù)和維修，提高行車安全可靠性。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 現(xiàn)有剛性接觸網(wǎng)典型安裝形式

目前，我國城市軌道交通剛性接觸網(wǎng)主要采用垂直懸吊安裝方式（如圖1）。垂直懸吊安裝底座上部通過錨栓直接裝在隧道頂部，下部通過T型頭螺栓連接垂直懸吊安裝底座、定位線夾、匯流排等組成的剛性懸掛系統(tǒng)。匯流排和接觸線通過定位線夾與隧道頂部槽鋼等裝置固定連接；定位線夾與匯流排之間存在一定間隙，以滿足匯流排因溫度變化而引起的順線路方向位移變化。整個剛性懸掛系統(tǒng)零部件與隧道壁的連接是通過現(xiàn)場打的螺桿錨栓與隧道壁相連。

既有的接觸網(wǎng)采用的現(xiàn)場打錨栓的方式，在設(shè)計上相對簡單，但在施工過程中可能破壞混凝土結(jié)構(gòu)，傷害混凝土鋼筋，造成管片傷痕累累，千瘡百孔（如圖2）。同時，膨脹螺栓在混凝土中產(chǎn)生應(yīng)力集中，也使破壞率增加結(jié)構(gòu)不安全。另外，錨栓本身壽命有限，在地鐵陰濕的環(huán)境下容易腐蝕，一般使用不超過15年就要進(jìn)行維護(hù)或更換，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到地鐵100年耐久性要求。現(xiàn)在采用的預(yù)埋滑槽可以比較好的解決了這一問題。

1.2 預(yù)埋滑槽形式

預(yù)埋滑槽也稱哈芬卡軌或哈芬槽，發(fā)源于德國，距今有100年的歷史。由于預(yù)埋滑槽具有非常高的防腐能力、優(yōu)秀的動載荷承受能力、安裝維修方便、高質(zhì)量、高可靠性等特點在歐美等發(fā)達(dá)國家的隧道工程中得到良好應(yīng)用。

目前預(yù)埋滑槽多采用C型帶弧度的槽鋼預(yù)埋件和布置在槽鋼背面的錨桿組成（如圖3）。在管片生產(chǎn)時將滑槽預(yù)埋在其中，盾構(gòu)機(jī)將管片連接，安裝好后，再通過配套的T型防墜落螺栓固定與之連接的剛性接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備等結(jié)構(gòu)件相連。槽道選用帶齒結(jié)構(gòu)，能夠承受垂直拉力、平行于線路方向的剪力、垂直于線路方向的滑動荷載三方向力同時作用，且適用于隧道內(nèi)長期動荷載。

2 接觸懸掛連接形式分析

深圳9號線全線引人預(yù)埋滑槽技術(shù)，這在中國城市軌道交通領(lǐng)域內(nèi)是第一次引入、設(shè)計城市軌道交通工程中的預(yù)埋槽道形式。根據(jù)實際使用已經(jīng)工況條件，有兩種預(yù)埋槽道的布置方式：單槽道及雙槽道布置方式。

（1）單槽道布置方式。單槽道布置方式，為單根槽道垂直于線路中心線正上方布置。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計資料，槽道設(shè)置在距離每個管片中心120mm的位置，環(huán)與環(huán)沿線路方向的縱向間距為1.5m。

（2）雙槽道布置方式。根據(jù)盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計資料，槽道設(shè)置在距離每個管片中心120mm的位置，環(huán)與環(huán)沿線路方向的縱向間距為1.5m?？紤]避開管片中心線上的吊裝孔，槽道在管片中心線兩側(cè)對稱布置，順線路方向的平行間距為240mm。

2.1 單槽預(yù)埋槽道接觸網(wǎng)安裝形式

目前推薦使用兩種形式：隧道預(yù)埋槽道架空剛性懸吊裝置雙螺栓及四螺栓形式（如圖4、圖5）。預(yù)埋槽道底座（或懸吊底座）上部通過預(yù)埋槽道自帶的T型頭螺栓連接，下部通過螺栓與懸吊槽鋼連接整個剛性接觸網(wǎng)懸掛裝置。

2.1.1 理論分析

對于盾構(gòu)管片預(yù)留預(yù)埋件剛性懸掛系統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行了相關(guān)的有限元分析。

（1）應(yīng)力分析

整體裝置進(jìn)行有限元應(yīng)力分析結(jié)果表明應(yīng)力最大值為42MPa，遠(yuǎn)低于材料的屈服極限（如圖6）。

（2）位移分析

研究中對整體進(jìn)行了有限元位移分析（如圖7）。結(jié)果表明順線路方向位移最大值為0.2mm，Y方向位移0.027mm；Z方向位移0.036mm。

a）順線路方向

以上有限元計算應(yīng)力及位移分析結(jié)果表明最大應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力，整體位移順線路方向X方向最大，值為0.2mm，相對于1m長細(xì)桿件而言，位移較小。結(jié)構(gòu)產(chǎn)品滿足使用要求。

2.2 雙槽預(yù)埋槽道接觸網(wǎng)安裝形式

普通的結(jié)構(gòu)形式采用的是單槽道形式，但是如果線路裝置上出現(xiàn)異常受力，如匯流排卡滯時，其卡滯產(chǎn)生的彎矩會通過連接螺桿傳遞給預(yù)埋槽道，對槽道的抗彎分析結(jié)果（如圖8）表明當(dāng)水平荷載加載至4.5KN時，槽道發(fā)生塑性變形，無法承受更大的彎矩。因此也有地鐵線路隧道布置兩個槽道即雙槽道形式。

隧道雙預(yù)埋槽道架空剛性懸吊裝置方案（如圖9）。雙槽道用懸吊底座上部通過預(yù)埋槽道自帶的T型頭螺栓連接，下部通過螺栓與A型懸吊安裝底座連接整個剛性懸掛裝置。

理論分析：

采用單個雙槽道用懸吊底座進(jìn)行建模分析，底座矩形管材質(zhì)為20#無縫管材，垂直及水平方向分別加載破壞載9kN、6kN，利用solid軟件進(jìn)行有限元分析，結(jié)果滿足使用要求（如圖10）。

2.3 主要特點

（1）隧道預(yù)埋槽道架空剛性懸吊裝置技術(shù)方案，解決土建施工偏差大、精度低的問題，便于施工及其剛性懸掛系統(tǒng)的配合安裝，降低施工成本，提高設(shè)備安裝效率、安裝環(huán)境。

（2）形成一套完整的裝置，改變以往底座、絕緣子、定位線夾不同廠家供貨的混亂局面而導(dǎo)致的接口問題，為用戶提供成套產(chǎn)品，標(biāo)準(zhǔn)化程度高、互換性強(qiáng)。

（3）將槽道連接螺栓通過安裝底座轉(zhuǎn)換成直螺栓與鋼結(jié)構(gòu)、絕緣子、匯流排的安裝，改善了受力狀態(tài)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3 預(yù)埋槽道剛性接觸網(wǎng)懸掛方式應(yīng)用

預(yù)埋槽道剛性接觸網(wǎng)形式在深圳9號線和天津5、6號線已有應(yīng)用，圖11是該產(chǎn)品在現(xiàn)場應(yīng)用照片?，F(xiàn)場運營情況表明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理，安全可靠。目前該種形式產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用在上海、青島、上海、長沙等地鐵線路。

4 結(jié)束語

隧道預(yù)埋槽道剛性懸吊裝置的研究和應(yīng)用，解決了隧道區(qū)間管片預(yù)埋槽道剛性懸掛接觸網(wǎng)技術(shù)難題，不僅提高了土建結(jié)構(gòu)的耐久性、節(jié)省資源；降低施工成本、縮短工期；而且提高了設(shè)備安裝效率。使得隧道使用壽命、產(chǎn)品壽命、弓網(wǎng)受流質(zhì)量、施工成本、設(shè)備安裝效率、安裝環(huán)境、行車速度等同步提升，進(jìn)一步提高行車安全可靠性。因此預(yù)埋槽道剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝形式終將成為城市軌道交通接觸網(wǎng)供電發(fā)展的主流方向。

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（作者單位：中國電氣化局集團(tuán)有限公司）