巴基斯坦拉合爾橙線軌道交通項(xiàng)目高架區(qū)間防雷接地設(shè)計(jì)

巴基斯坦拉合爾橙線軌道項(xiàng)目作為巴基斯坦國(guó)內(nèi)開工建設(shè)的首個(gè)城市軌道交通項(xiàng)目，是“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”早期收獲和示范性項(xiàng)目，其成功實(shí)營(yíng)不僅將對(duì)中巴兩國(guó)具有重要意義，也將對(duì)“一帶一路”和“中巴經(jīng)濟(jì)走廊”的其它項(xiàng)目起到示范性作用。根據(jù)合同文件規(guī)定，本項(xiàng)目車輛、軌道及各機(jī)電系統(tǒng)由中方負(fù)責(zé)完成，采用中國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，橋梁、路基及房建結(jié)構(gòu)由巴方負(fù)責(zé)完成，采用歐美標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

本項(xiàng)目全線長(zhǎng)約25.58km，其中地下線1.290km，地下線路與高架線路過渡段0.722km，高架線路23.568km，全線橋梁長(zhǎng)度約21.979km，占全線長(zhǎng)度80.8%；沿線設(shè)24座高架車站、2座地下車站及2座132/33kV主變電站，線路北端設(shè)車輛段1座，線路南端設(shè)停車場(chǎng)1座，設(shè)有控制中心和安全中心1座，位于車輛段。

2 橋梁設(shè)計(jì)方案[1]

高架區(qū)間梁、墩、承臺(tái)及樁基設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間采用單線U型梁結(jié)構(gòu)形式，道岔梁采用雙線U型梁結(jié)構(gòu)形式，典型單線U型梁結(jié)構(gòu)形式如圖1。選擇30m 梁為標(biāo)準(zhǔn)跨度梁，選擇20m、25m跨度梁為配跨梁，個(gè)別跨公路或鐵路的控制工點(diǎn)采用非標(biāo)準(zhǔn)跨布置或其他大跨度橋梁；橋梁整體高度達(dá)到15m。高架區(qū)間橋墩采用圓柱形獨(dú)柱墩；橋墩結(jié)構(gòu)由預(yù)應(yīng)力混凝土頂帽和鋼筋混凝土墩身組成，頂帽預(yù)制施工，墩身現(xiàn)場(chǎng)澆筑，頂帽與墩身采用拼裝連接；橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，鉆孔樁樁長(zhǎng)范圍在28～48m 之間；承臺(tái)基礎(chǔ)規(guī)格為11.8m(長(zhǎng))×7m(寬)×1.85m（厚），承臺(tái)頂部距地面0.5m。

圖1 單線U型梁結(jié)構(gòu)形式

高架區(qū)間附屬設(shè)施。高架區(qū)間附屬設(shè)施有整體道床、疏散平臺(tái)、疏散平臺(tái)金屬護(hù)欄、通信信號(hào)等弱電電纜槽、通信信號(hào)天線、強(qiáng)電電纜支架、接觸軌、接觸軌保護(hù)罩及其避雷器等。

3 高架區(qū)間防雷接地設(shè)計(jì)[2-7]

3.1 防雷接地設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及需求

本項(xiàng)目線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側(cè)比橋梁高的建筑不是太多，部分區(qū)段穿越空曠地帶，有些區(qū)間兩側(cè)還有地方電力公司的架空線路。因此，為了保證高架區(qū)間機(jī)電設(shè)備正常工作、橋梁附屬設(shè)施及區(qū)間維修人員的安全，需要設(shè)置可靠的防雷接地系統(tǒng)。本項(xiàng)目高架區(qū)間及其構(gòu)筑物按照第二類防雷標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

高架區(qū)間防雷接地的主要需求有疏散平臺(tái)金屬護(hù)欄、安裝于中間檢修平臺(tái)的通信信號(hào)天線（間隔300m）、接觸軌保護(hù)罩和避雷器（間隔300m）、強(qiáng)電電纜支架等。除了通信信號(hào)天線和疏散平臺(tái)金屬欄桿高出疏散平臺(tái)外，其余附屬設(shè)施均安裝于U梁表面或側(cè)壁，其中通信信號(hào)天線自帶避雷針，只需預(yù)留雷電流泄放通道即可，其余附屬設(shè)施提供接地引下通道即可。因此，區(qū)間防雷部分主要考慮凸出疏散平臺(tái)的金屬欄桿及橋梁疏散平臺(tái)表面；對(duì)于高架區(qū)間的輕軌車輛而言，可以看做是一個(gè)法拉第籠，可以保護(hù)車內(nèi)乘客的安全，沒有雷擊風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目中整體澆筑的大跨區(qū)段、車站出入斷線道岔區(qū)橋墩和梁體較少，考慮到巴方土建施工預(yù)留的難度及施工水平，該部分在選擇區(qū)間防雷接地引下時(shí)有效避開，其余標(biāo)準(zhǔn)橋墩和U型梁體均選擇作為高架區(qū)間防雷接地引下通道。

圖2 典型高架區(qū)間防雷接地系統(tǒng)示意圖

3.2 接閃器

本項(xiàng)目高架區(qū)間采用雙U梁方案，疏散平臺(tái)設(shè)置在外側(cè)，疏散平臺(tái)外側(cè)設(shè)有1.2m 高的金屬欄桿，利用金屬欄桿作為接閃器，金屬欄桿在區(qū)間伸縮縫或有斷開的位置采用熱鍍鋅扁鋼連接以保證電氣連通；因高架區(qū)間U梁表面預(yù)埋了雜散電流端子，為防止雜散電流通過防雷引下線導(dǎo)入大地從而對(duì)橋墩內(nèi)鋼筋造成腐蝕，對(duì)土建提出金屬欄桿底部固定件與U梁平臺(tái)采用絕緣處理的要求。每隔30m 分別用熱鍍鋅扁鋼將作為接閃器的金屬欄桿與U梁預(yù)埋接地端子可靠連接，以保障因接閃帶過長(zhǎng)易引起高電位反擊的問題。

3.3 防雷引下線

U梁防雷引下棒預(yù)埋。本項(xiàng)目中區(qū)間雜散電流通過軌道道床和U梁表面內(nèi)鋼筋電氣通路回收至車站軌電位設(shè)備，為防止軌道雜散電流沿防雷引下通路導(dǎo)入大地，造成對(duì)橋墩基礎(chǔ)鋼筋的腐蝕，防雷接地引下線需與U梁表面內(nèi)鋼筋完全絕緣?？紤]到U梁為巴方土建整體預(yù)制，且架梁時(shí)無法保證按順序進(jìn)行，因此每片U梁端頭均預(yù)埋防雷引下棒，具體埋設(shè)方案為在每片U梁內(nèi)靠近端頭30cm（避開梁面吊裝孔）位置處分別預(yù)埋2處不同長(zhǎng)度規(guī)格的防雷引下棒，一處預(yù)埋于弱電電纜槽內(nèi)，一處預(yù)埋于U梁內(nèi)側(cè)斜坡位置，分別用于弱電接地和強(qiáng)電接地；防雷引下棒采用不銹鋼材質(zhì)，并在外層套一根硬質(zhì)PVC管，以保證與U梁內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣；防雷引下棒兩端預(yù)留螺母和螺絲，以便于后期防雷引下時(shí)采用電纜或鍍鋅扁鋼連接。

圖3 U梁防雷引下棒預(yù)埋（左側(cè)為雜散電流端子）

圖4 U梁與蓋梁防雷引下線電纜軟連接

引下線連接電纜。全線除大跨度的位置梁體采用整體澆筑外，其余部分U梁均采用預(yù)制，U梁與蓋梁之間通過橋梁支座固定，無法實(shí)現(xiàn)U梁內(nèi)預(yù)埋接地棒與蓋梁頂部預(yù)留防雷引下線端子直接連接，本項(xiàng)目中采用易于現(xiàn)場(chǎng)施工的軟電纜連接方案，從而實(shí)現(xiàn)了U梁內(nèi)預(yù)留接地引下端子與橋墩內(nèi)用于防雷引下鋼筋之間的電氣連通。

墩臺(tái)引下線。本項(xiàng)目中蓋梁亦采用預(yù)制方案，預(yù)制時(shí)在蓋梁中心位置預(yù)留28個(gè)圓孔，作為橋墩內(nèi)預(yù)埋的用于固定蓋梁的鋼筋組（28根），選擇該鋼筋組內(nèi)的其中4根作為防雷引下線；由于固定蓋梁的鋼筋組是埋在橋墩中心位置，與橋墩一周的鋼筋之間無電氣連通條件，與巴方土建配合階段提出固定蓋梁鋼筋組內(nèi)與橋墩周邊內(nèi)用于防雷引下的兩根直徑不小于16mm 鋼筋進(jìn)行可靠焊接，從而確保橋墩內(nèi)防雷引下線的貫通性。

3.4 接地極

分別選擇橋墩承臺(tái)和樁基內(nèi)的2根直徑不小于16mm的主鋼筋作為自然接地體，兩者之間可靠焊接，并與橋墩內(nèi)用于防雷引下的2根直徑不小于16mm的主鋼筋可靠焊接，從而確保高架區(qū)間防雷接地系統(tǒng)的電氣連通性和有效性。要求每個(gè)橋墩的接地電阻值不大于10歐姆，并在橋墩基礎(chǔ)距地面標(biāo)高0.5m 處設(shè)接地電阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

4 高架區(qū)間防雷接地計(jì)算

4.1 防雷保護(hù)范圍計(jì)算

將高架區(qū)間用作接閃器的疏散平臺(tái)金屬護(hù)欄等效為通長(zhǎng)的兩根等高接閃線，采用滾球法計(jì)算防雷保護(hù)范圍。根據(jù)《防雷接地設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50027-2010）附錄D.0.5和D.0.6相關(guān)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算選擇參數(shù)：接閃線高度h=16.2m，第二類防雷標(biāo)準(zhǔn)滾球半徑hr=16.2m，被保護(hù)物的高度hx=15m，接閃線間距D=12m。

圖5 承臺(tái)和樁基接地鋼筋焊接

疏散平臺(tái)表面兩根接閃線外側(cè)保護(hù)范圍按照單根接閃線計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，接閃線在hx高度xx'平面的保護(hù)寬度bx計(jì)算結(jié)果為：由結(jié)算結(jié)果可知，每側(cè)U梁疏散平臺(tái)利用金屬護(hù)欄作為接閃器，U梁靠近外側(cè)部分處在接閃器保護(hù)范圍之內(nèi)。

疏散平臺(tái)表面兩根接閃線之間的保護(hù)范圍最低點(diǎn)的高度計(jì)算結(jié)果為：

由結(jié)算結(jié)果可知，兩根接閃線之間保護(hù)范圍最低點(diǎn)為0.8米，利用疏散平臺(tái)金屬護(hù)欄作為接閃器可以保護(hù)U梁表面0.8m 高度之內(nèi)的設(shè)施。

4.2 接地電阻計(jì)算

4.2.1 土壤電阻率的折算

計(jì)算雷電保護(hù)接地裝置所采用的土壤電阻率按照公式ρ=ρ0×φ 計(jì)算，式中ρ0為實(shí)際測(cè)試的土壤電阻率；φ為土壤干燥時(shí)的季節(jié)系數(shù)。根據(jù)巴方地質(zhì)提供的土壤電阻率資料，全線橋墩承臺(tái)埋深2.5m的實(shí)測(cè)土壤電阻在25～35Ω·m 之間，計(jì)算時(shí)ρ0=30(Ω·m)按取值。測(cè)試土壤電阻率時(shí)土壤比較潮濕，季節(jié)系數(shù)按照表《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》（第四版）表14.6-15的較大值考慮，即φ=1.1，折算后計(jì)算用土壤電阻率為：ρ=30×1.1=33(Ω·m)。

4.2.2 接地電阻值計(jì)算

根據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊(cè)》（第四版）表14.6-2所示，不考慮多層土壤電阻率的影響，用簡(jiǎn)易估算法對(duì)高架區(qū)間利用橋墩承臺(tái)和樁基內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體時(shí)的接地電阻進(jìn)行計(jì)算。

式中V為橋墩承臺(tái)和樁基基礎(chǔ)所包圍的體積總和，其中樁基深度按照30m 考慮，每個(gè)橋墩承臺(tái)對(duì)應(yīng)6根樁基基礎(chǔ)。

4.3 接地電阻測(cè)試結(jié)果

工程實(shí)施完成后在預(yù)留接地電阻測(cè)試點(diǎn)對(duì)用作防雷接地的高架區(qū)間橋墩進(jìn)行了接地電阻測(cè)試，選擇不同高架區(qū)間部分測(cè)試結(jié)果見表1。表中結(jié)果表明，實(shí)測(cè)接地電阻值小于通過簡(jiǎn)易估算法得出的計(jì)算結(jié)果，主要原因在于多層土壤電阻率和混凝土基礎(chǔ)所包圍體積的影響，估算結(jié)果可作為一個(gè)設(shè)計(jì)參考依據(jù)。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，利用橋墩承臺(tái)和樁基內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地極，接地電阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)所要求的10歐姆，具有良好的接地效果。

5 結(jié)語

巴基斯坦拉合爾橙線軌道交通項(xiàng)目全線橋梁長(zhǎng)度約21.979km，占全線長(zhǎng)度80.8%；線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側(cè)比橋梁高的建筑不是太多，部分區(qū)段穿越空曠地帶，有些區(qū)間兩側(cè)還有地方電力公司的架空線路，易受雷擊，同時(shí)橋梁表面附屬設(shè)施眾多。因此，為了保證高架區(qū)間機(jī)電設(shè)備正常工作、橋梁附屬設(shè)施及區(qū)間維修人員的安全，設(shè)置安全可靠的防雷接地系統(tǒng)是非常有必要的。

表1 接地電阻測(cè)試表