復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)關鍵技術問題及應對措施

楊 佳

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

隨著我國中西部地區(qū)建設的飛速發(fā)展，大量山區(qū)電氣化鐵路如貴廣、云桂、川藏、滇藏、成蘭鐵路等已開通運營或?qū)㈥懤m(xù)建成。這些鐵路途徑高山深谷，人跡罕至，多次穿越地震斷裂帶，跨越大江大河。沿線接觸網(wǎng)工程將面臨高海拔、長大坡道、特長隧道(群)、大峽谷、高地震烈度、高地熱、大溫差、重覆冰以及強日照等復雜艱險的嚴酷環(huán)境，對于無備用的接觸網(wǎng)設計、建設、應急搶修和運營維護等工作來說異常困難。

2 復雜艱險環(huán)境

基于電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的服役特性，總結(jié)、分析復雜艱險山區(qū)各種地形、地質(zhì)及氣候環(huán)境特征，可將影響山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的復雜艱險環(huán)境歸納為3大特征：復雜的地形地貌、頻發(fā)的地質(zhì)災害和極端的氣候環(huán)境[1]，統(tǒng)計后主要環(huán)境特征見表1。

3 關鍵技術問題及應對措施

3.1 高海拔

隨著海拔增加，大氣密度降低、紫外線增強，沿線以及隧道內(nèi)還伴隨著高濕度、高地熱等環(huán)境，主要影響接觸網(wǎng)電氣性能，具體應對措施見表2。

表1 復雜艱險山區(qū)工程環(huán)境特征

表2 高海拔環(huán)境關鍵技術問題及應對措施

3.2 長大坡道

連續(xù)超長大坡道主要影響接觸網(wǎng)電分相設置、懸掛參數(shù)及列車啟動、制動等，具體應對措施見表3。

表3 長大坡道環(huán)境關鍵技術問題及應對措施

3.3 特長隧道(群)

特長隧道(群)數(shù)量較多時，列車頻繁進出隧道、隧道施工工法及隧道內(nèi)(口)處微氣候環(huán)境等均影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計，具體應對措施見表4。

3.4 大峽谷

山高谷深易導致峽谷風盛行，復雜的地形地貌對風速影響極大，峽谷風的加速、越山風的紊流及山體斜坡風爬坡效應比較明顯，風向、風速時空差異較大，相應的峽谷風荷載對接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響較大，具體應對措施如下。

(1)峽谷風荷載方面：考慮峽谷風特征和風場效應，合理選取風荷載設計參數(shù)[6]；基于風-橋-柱-網(wǎng)-弓動態(tài)耦合作用，結(jié)合列車風雨限速規(guī)則，考慮接觸網(wǎng)正常(列車運行)和非正常(列車停運)工作狀態(tài)。

(2)供電饋線方面：優(yōu)化供電方案、所亭位置以及供電線路徑，盡量避開復雜的峽谷地形；采取輸電大鐵塔方案，采取可靠性高、載流量大的導線，增大檔距、減少塔基。

表4 超長隧道(群)環(huán)境下接觸網(wǎng)關鍵技術問題及應對措施

3.5 高地震烈度

復雜艱險山區(qū)鐵路沿線多發(fā)生錯斷、震壞和地震次生災害，地震動峰值加速度甚至大于0.4g，接觸網(wǎng)工程應充分考慮抗震以及減震、隔震設計，具體應對措施主要如下。

(1)合理選取地震設計波形，考慮強震環(huán)境下“基礎+支柱+腕臂定位+導線+墜砣”共同耦合作用。

(2)滿足“大震不倒、中震可修、小震不壞”設防目標，差異化設計接觸網(wǎng)服役功能需求。

(3)支柱宜選用抗震性能好、易于搶修的法蘭連接形輕型鋼管柱，支柱的自振周期應避免與橋梁土建結(jié)構等自振周期接近[7]。

(4)接觸網(wǎng)系統(tǒng)設計參數(shù)應考慮抗震系數(shù)修正，包括鋼結(jié)構件的承載力、地基抗震承載力以及錨栓有效錨固深度等[8]。

3.6 極寒、頻繁大溫差

復雜艱險山區(qū)特別是高海拔地區(qū)空氣稀薄，太陽輻射強，日照長，形成日溫差大且頻繁，陰坡與陽坡溫差大等特點。接觸網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關鍵技術問題主要包括極端溫度、頻繁大溫差環(huán)境下接觸懸掛參數(shù)設計，材料、零部件選型及加工工藝等，具體應對措施如下。

(1)懸掛參數(shù)方面：充分考慮溫度變化引起的線索長度、弛度變化，應適當縮短跨(檔)距、錨段(耐張段)長度，加大線索或裝備間距離；考慮晝夜溫差、天氣急劇變化引起的大溫差且溫度變化頻繁等特點，考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)的張力偏差以及補償裝置的工作行程、往返頻次等影響。

(2)材料及裝備方面：優(yōu)先選用鋁合金、銅合金及不銹鋼等有色金屬或耐候鋼[9]；合理選擇鋼結(jié)構材質(zhì)等級，避免選用Q235A、Q235B.F[10]，優(yōu)選模鍛件；合理進行熱處理，嚴格控制構件金相和焊縫低溫等性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量；考慮溫差大、溫度變化頻繁等特點，選取高可靠性、耐疲勞的接觸懸掛及補償裝置。

3.7 凍土

復雜艱險山區(qū)鐵路沿線伴有季節(jié)性凍土，不同深度的凍土直接影響接觸網(wǎng)支柱基礎及接地設計，具體應對措施如下。

(1)支柱基礎：優(yōu)先采取與土建同步施工預留方案，降低后期基礎施工難度以及對路基防護的破壞程度；采用受凍脹及融沉影響小的機械鉆孔樁基礎，樁基穿透土壤凍結(jié)深度；采用高等級、防水、抗凍脹及耐寒混凝土，在基礎周圍涂抹防凍劑；基礎設計考慮凍脹切向力和融沉承載力，適當加大基礎埋深，合理優(yōu)化基礎外形結(jié)構[11]。

(2)接地方案：接地線采用韌性較好的柔軟絞線，避免設置在凍土層中避免在凍土解凍時斷裂、破壞；充分考慮凍土解凍前后引起的土壤電阻率的變化，準確進行接地電阻值的校核[12]。

3.8 重覆冰

覆冰對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響主要包括：接觸網(wǎng)系統(tǒng)本身結(jié)冰、融冰前后的自身影響；沿線接觸網(wǎng)附近物體結(jié)冰時、融冰后對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的外部影響，具體應對措施見表5。

表5 重覆冰環(huán)境關鍵技術問題及應對措施

3.9 強雷電

隧道外接觸網(wǎng)多裸露在空曠地帶，高于周邊地形或位于高山峽谷地段，接觸網(wǎng)防雷設計主要面臨的問題在于艱險無人區(qū)雷電環(huán)境資料的獲取，以及復雜多變線路的差異化防雷等，具體應對措施如下。

(1)收集沿線雷暴日、地閃密度等相關資料，有效開展差異化防雷設計。

(2)結(jié)合“V”形峽谷等特殊地形地貌，科學進行接觸網(wǎng)防雷設計[16]。

(3)優(yōu)化隧道群間接觸導線、回流導線、架空地線、避雷線以及供電線等多種導線合架時布置方案。

3.10 施工及運營維護

復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路沿線氣候環(huán)境極其惡劣，氧氣稀薄、生活和交通極其不便，接觸網(wǎng)施工及運營維護困難，面臨極其嚴峻的考驗，應充分考慮施工和運營維護的方便、快捷和可靠性，具體應對措施如下。

3.10.1 施工方面

(1)系統(tǒng)化：結(jié)合沿線地理環(huán)境、生產(chǎn)生活設施，科學合理編制施工組織方案，研究各種復雜、惡劣工況下的施工方案及工法工藝。

(2)一體化：基礎優(yōu)先采取與土建同步預留施工；采用精細化的預配工藝，進行工廠化預裝、集成，減少現(xiàn)場二次組裝或返工。

(3)輕型化：支柱等構件宜考慮輕型、便于運輸；裝備宜考慮質(zhì)量輕、易于搬運和安裝。

(4)機械化、智能化、信息化[17]：采用機械鉆孔或打樁基礎；采用GIS、BIM等信息化手段[18]；采用數(shù)字化、智能化的接觸網(wǎng)測量、打孔、裝配以及放線等先進裝備。

3.10.2 運營維護方面

(1)結(jié)合高海拔、無人區(qū)等特點，合理規(guī)劃搶修、運營、檢測、維修等運營維護體系，提高應急搶修救援策略。

(2)結(jié)合地形地貌、站區(qū)分布、生活條件等，合理設置運營維護機構和車輛、設備。

(3)結(jié)合高海拔低溫、低壓、缺氧、交通極不便、長大坡道以及隧道等惡劣條件，配備制氧、醫(yī)療等生活設施[19]，配置快捷、智能化的高性能作業(yè)車輛、工機具。

(4)設置6C、PHM及監(jiān)測預警系統(tǒng)等接觸網(wǎng)智能運維系統(tǒng)[20]。

4 結(jié)語

復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程面臨著多項技術難題，基于接觸網(wǎng)服役性能，通過總結(jié)和分析其面臨的關鍵技術及薄弱點，研究并提出應對措施，為復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設計、施工和運營維護提供系統(tǒng)的理論指導和技術保障。同時，為了全面實現(xiàn)復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)可適應性、高可靠性、長耐久性、少維修或免維護的目標，下一步還亟待開展系列研究工作，至少包括以下3個方面。

(1)加強對復雜艱險環(huán)境的勘測調(diào)查和收集整理，逐步建立和完善接觸網(wǎng)服役環(huán)境數(shù)據(jù)；充分研究影響接觸網(wǎng)服役的環(huán)境對象，掌握風、雨、冰、雪等特性及影響機理，準確量化指標，合理確定設計和運營邊界條件。

(2)基于土建結(jié)構全方位研究接觸網(wǎng)在各種環(huán)境作用下或多環(huán)境共同作用下的工作機理和服役特性，系統(tǒng)化、差異化開展設計。

(3)深入研究機械化、智能化、信息化施工和運營維護，建立防災減災、應急恢復體制，構建適用于復雜艱險環(huán)境下的接觸網(wǎng)成套技術體系，全方位保障復雜艱險山區(qū)電氣化鐵路的安全、可靠、穩(wěn)定運行。