低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案研究

惠蓬勃

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司甘肅分公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

在城市軌道交通持續(xù)發(fā)展的形勢(shì)下，很多城市的軌道交通建設(shè)已經(jīng)從城區(qū)向郊區(qū)延伸，并且開始與周邊城市建設(shè)城際鐵路連接。受到施工現(xiàn)場(chǎng)地形地勢(shì)、土地資源應(yīng)用現(xiàn)狀等因素的影響，部分城市的城際鐵路線路以地下隧道為主，低凈空盾構(gòu)隧道便是城際鐵路工程經(jīng)常應(yīng)用的一種隧道模式。低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案選擇需要從運(yùn)行維護(hù)、安裝施工、經(jīng)濟(jì)性、適用性、工程情況、技術(shù)成熟度等方面出發(fā)，確保城際鐵路的施工質(zhì)量。

1 低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方式

1.1 剛性懸掛方式

剛性懸掛方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性懸掛點(diǎn)彈性良好，安裝施工、運(yùn)行維護(hù)方便快捷，無須針對(duì)補(bǔ)償裝置進(jìn)行局部開挖，對(duì)安裝位置的尺寸要求較低，能夠確保電氣設(shè)備安全距離的余量充足。

1.2 柔性懸掛方式

低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)柔性懸掛方式分為弓形腕臂懸掛、三角腕臂懸掛兩種。弓形腕臂懸掛方式如圖1所示，結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性較差，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便快捷，中間柱懸掛能夠應(yīng)用正定位、反定位兩種安裝形式，絕緣關(guān)節(jié)需要沿著線路兩側(cè)相對(duì)布置，調(diào)節(jié)范圍較小，對(duì)于接觸網(wǎng)和土建工程施工質(zhì)量要求較高。三角腕臂懸掛方式如圖2所示，結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定性良好，只能應(yīng)用反定位安裝形式，高度調(diào)節(jié)難度較大，股道懸掛結(jié)構(gòu)需要沿著線路兩側(cè)相對(duì)布置[1]。

2 低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

某城際鐵路共有5座隧道，均為單線隧道，全長(zhǎng)2600m，占線路全長(zhǎng)的8.21%，建筑限界為“隧限-1A”，屬于低凈空隧道，允許超級(jí)超限貨物列車運(yùn)行。

某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道現(xiàn)存問題為：隧道凈空無法滿足超級(jí)超限貨物列車運(yùn)行的需求。針對(duì)此類問題，常見的解決方式如下：其一，拆除原有隧道襯砌，建立新襯砌，確保接觸網(wǎng)懸掛能夠滿足隧道凈空需求。此方式的造價(jià)較高、施工周期較長(zhǎng)、工程量較大。其二，降低隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的懸掛高度。此方式會(huì)降低鐵路線路的運(yùn)輸能力，并且無法全面滿足超級(jí)超限貨物列車的運(yùn)行需求?？梢娚鲜鰞煞N解決方式均存在弊端，為此，選擇接觸網(wǎng)懸掛方式，開展某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程。

2.2 設(shè)計(jì)原則

2.2.1 確定低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛高度。具體計(jì)算公式為：

式（1）中：Hjx表示接觸網(wǎng)懸掛高度；Y表示最大貨物允許裝載高度，現(xiàn)取超級(jí)超限貨物列車允許裝載高度5.3m；D表示帶電體與裝載貨物、機(jī)車車輛的距離，現(xiàn)取0.385m；δ1表示施工誤差及抬落道，現(xiàn)不考慮；f表示接觸網(wǎng)弛度，現(xiàn)取0.015m。將上述數(shù)值代入式（1），最終得到接觸網(wǎng)懸掛高度為5.7m。

2.2.2 關(guān)于受電弓動(dòng)態(tài)包絡(luò)線，按照運(yùn)行時(shí)速小于120km/h時(shí)，左右擺動(dòng)量為0.2m，上下晃動(dòng)量為0.1m進(jìn)行設(shè)計(jì)[2]。

2.3 數(shù)據(jù)分析

某城際鐵路自建成后尚未經(jīng)歷過較大規(guī)模的改造，現(xiàn)存在隧道出現(xiàn)拱頂偏斜、塌陷等病害，導(dǎo)致隧道斷面不統(tǒng)一，可見低凈空盾構(gòu)隧道改造工程需要謹(jǐn)慎選擇接觸網(wǎng)懸掛方式。

現(xiàn)選擇每25m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置了104個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采集某城際鐵路5座隧道斷面數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，最終計(jì)算得到隧道凈空高度基本情況，如圖3所示。

根據(jù)隧道斷面數(shù)據(jù)和道凈空高度，繪制隧道拱頂擬合曲線，以此來模擬各個(gè)隧道的拱頂情況[3]。

分析5座隧道拱頂擬合曲線，可以發(fā)現(xiàn)某城際鐵路隧道凈空高度基本在6.35～6.55m之間，適合選擇弓形腕臂懸掛方式為主、其他懸掛方式為輔的接觸網(wǎng)懸掛方案，或剛性懸掛方式。

3 低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案設(shè)計(jì)的合理性和科學(xué)性，以及弓形腕臂懸掛方式是否適合某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程，現(xiàn)對(duì)柔性懸掛方式、剛性懸掛方式進(jìn)行進(jìn)一步對(duì)比分析，并最終確定改造工程接觸網(wǎng)懸掛方案。結(jié)合改造工程概況及實(shí)際改造需求，分析和對(duì)比弓形腕臂懸掛、弓形支撐懸掛、架空剛性懸掛三種懸掛方式。不選擇三角腕臂懸掛方式，是因?yàn)榇藨覓旖Y(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，盡管擁有良好的受流穩(wěn)定性，但是受到技術(shù)因素的限制，很多施工單位無法滿足三角腕臂懸掛施工技術(shù)的要求。

3.1 柔性懸掛方式

相比較既往接觸網(wǎng)懸掛方式，弓形腕臂懸掛方式縮短了接觸網(wǎng)與承力索在懸掛點(diǎn)的距離，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、輕便，有利于滿足低凈空隧道接觸網(wǎng)懸掛需求[4]?？紤]到某城際鐵路實(shí)際運(yùn)行情況，如果選擇應(yīng)用弓形腕臂懸掛方式，隧道凈空需要達(dá)到6.35m，才能夠滿足超級(jí)超限貨物列車運(yùn)行需求，而某隧道的最低凈空僅為6.25m，可見改造工程不適合選擇弓形腕臂懸掛方式。

現(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)外其他柔性懸掛方式進(jìn)行分析對(duì)比，決定選擇弓形支撐懸掛方式。此懸掛結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單及輕便程度低于弓形腕臂結(jié)構(gòu)，弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)由線夾、金屬底座、弓形臂、絕緣子構(gòu)成，金屬底座固定在隧道壁上，弓形臂一端與金屬底座相連，弓形臂另一端與絕緣子一端相連，絕緣子另一端與線夾相連。弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)活動(dòng)范圍在垂直框架上0.12m至下0.08m之間，需要根據(jù)此數(shù)據(jù)，結(jié)合上文隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛高度計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整具體接觸網(wǎng)懸掛高度。弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)通過水平連接板、垂直框架、固定板不同孔位的組合連接確保軸銷垂直程度，從而實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，綜合隧道凈空高度變化，不同孔位的組合連接使得金屬底座能夠在0.25～0.33m之間進(jìn)行調(diào)整，并且各個(gè)構(gòu)成部分均不存在超出設(shè)計(jì)限值的情況。在弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)中，絕緣子為主要受力部分，需要同時(shí)承受自身重量、懸掛在其上的接觸導(dǎo)線的重量、列車通過時(shí)受電弓對(duì)導(dǎo)線的作用力。絕緣子對(duì)于電氣性能、抗彎強(qiáng)度、絕緣性能的要求較高，適合選擇增強(qiáng)玻璃纖維樹脂棒為芯棒，以硅橡膠為傘裙材料?？傮w來講，弓形支撐懸掛方式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)隧道現(xiàn)有凈空的最大化應(yīng)用，彈性較為均勻，受流較為穩(wěn)定，并且全部零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，能夠節(jié)約成本[5]。但是弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)的構(gòu)成零部件較多，應(yīng)用張力架設(shè)形式，存在斷線、受力零部件變形等風(fēng)險(xiǎn)。

因此，針對(duì)某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程，現(xiàn)設(shè)計(jì)如下接觸網(wǎng)懸掛方案：針對(duì)凈空在6.35m以上的隧道，選擇應(yīng)用弓形腕臂懸掛方式。針對(duì)凈空在6.35m以下的隧道，選擇應(yīng)用弓形支撐懸掛方式。

3.2 剛性懸掛方式

剛性懸掛方式從20世紀(jì)80年代開始逐漸被應(yīng)用在地鐵長(zhǎng)、大隧道接觸網(wǎng)懸掛中，并且隨著列車運(yùn)行時(shí)速的提高做出了針對(duì)性改善[6]。剛性懸掛方式適合應(yīng)用在凈空較低的隧道接觸網(wǎng)懸掛中，能夠起到縮小懸掛空間、減少施工成本等作用，并且懸掛系統(tǒng)的構(gòu)成零部件較少，后續(xù)維護(hù)成本較低，具備顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

架空剛性懸掛結(jié)構(gòu)由1根接觸線、1根“П”形鋁合金匯流排構(gòu)成，一般為水平懸掛結(jié)構(gòu)或垂直懸掛結(jié)構(gòu)，因此對(duì)于隧道凈空的要求較低。并且鋁合金匯流排的載流截面較大，與柔性懸掛結(jié)構(gòu)相比，能夠進(jìn)一步縮小懸掛結(jié)構(gòu)的尺寸，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隧道凈空的有效應(yīng)用，并且不存在斷線風(fēng)險(xiǎn)。架空剛性懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)用無張力架設(shè)形式，懸掛點(diǎn)之間的距離一般為6～10m，錨段長(zhǎng)度需要在250m之內(nèi)[7]。架空剛性懸掛方式弓網(wǎng)匹配性跟隨性良好，對(duì)受電弓的要求較低，相應(yīng)的仿真設(shè)計(jì)技術(shù)較為成熟。

相比較弓形支撐懸掛結(jié)構(gòu)，架空剛性懸掛結(jié)構(gòu)所需要的安裝空間更小，對(duì)于隧道凈空的最低要求為3m，極端情況下只需要2.3m。并且應(yīng)用架空剛性懸掛方式，不需要對(duì)隧道進(jìn)行挑頂，因此不會(huì)對(duì)已經(jīng)完成的土建工程造成過多破壞和影響。

3.3 確定懸掛方案

可見，柔性懸掛方式、剛性懸掛方式兩種懸掛方式均能夠滿足低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛需求，標(biāo)準(zhǔn)偏差、平均接觸力等動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)均能夠滿足設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，并且受流質(zhì)量較好。兩種懸掛方式的相關(guān)技術(shù)手段及應(yīng)用設(shè)施已經(jīng)較為成熟，在我國(guó)城際軌道及干線鐵路中均有應(yīng)用，有各自的技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，能夠滿足車輛電力需求，從而滿足鐵路運(yùn)行需求。

上述兩種懸掛方案均能夠滿足某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程改造需求。從技術(shù)層面來講，剛性懸掛方式的技術(shù)水平更高。因此，從經(jīng)濟(jì)角度對(duì)比上述兩種懸掛方案，從而確定最終的兩種懸掛方案。

柔性懸掛方案需要對(duì)隧道進(jìn)行局部挑頂，會(huì)導(dǎo)致一定的后續(xù)土建工程修復(fù)成本；全部零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，能夠節(jié)省零部件購(gòu)買成本；日常維護(hù)工作量較大，后續(xù)維護(hù)成本較高；接觸網(wǎng)下錨、地下車站渡線較多，占用空間較大，需要設(shè)置專門的下錨安裝空間，因此會(huì)增加土建施工成本；施工工程量及后續(xù)調(diào)整工程量較大，但只需要加大施工人員投入即可，會(huì)增加人力資源成本，但是不會(huì)出現(xiàn)大幅度增加的情況。綜合計(jì)算，低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)柔性懸掛方案施工成本為45萬元/km。

剛性懸掛方案不需要對(duì)隧道進(jìn)行挑頂，不會(huì)導(dǎo)致后續(xù)土建工程修復(fù)成本；基本零部件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，需要的零部件購(gòu)買成本相對(duì)較低；日常維護(hù)工作量較少，后續(xù)維護(hù)成本較低；不需要設(shè)置專門的下錨安裝空間，不會(huì)增加土建施工成本；對(duì)于施工精確程度及誤差控制準(zhǔn)確程度的要求較高，需要聘請(qǐng)專業(yè)的技術(shù)人員完成施工作業(yè)，會(huì)增加人力資源成本。綜合計(jì)算，低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)剛性懸掛方案施工成本為170萬元/km。

通過上述分析，僅從低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)剛性懸掛施工工程角度，可以發(fā)現(xiàn)剛性懸掛方案施工成本要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于柔性懸掛方案，約為柔性懸掛方案的3.8倍。盡管柔性懸掛方案在后續(xù)還可能導(dǎo)致其他的土建工程成本，但是總體來講，還是柔性懸掛方案的施工成本更少。

結(jié)合某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程的實(shí)際情況，最終選擇應(yīng)用弓形腕臂懸掛方式為主、弓形腕臂懸掛方式為輔的接觸網(wǎng)懸掛方案，不但能確保懸掛結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定程度、懸掛技術(shù)的成熟程度，還能盡量減少施工成本。需要注意的是，為了避免隧道凈空對(duì)接觸網(wǎng)懸掛施工造成影響，需要測(cè)量好隧道凈空、弓形腕臂懸掛結(jié)構(gòu)高度、弓形腕臂懸掛結(jié)構(gòu)高度，避免出現(xiàn)隧道凈空不能滿足接觸網(wǎng)懸掛需求的情況，否則會(huì)導(dǎo)致更多施工問題及施工成本?？梢娋唧w低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案選擇需要同時(shí)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素。

4 結(jié)語

綜上，闡述了柔性懸掛方式、剛性懸掛方式，以某城際鐵路低凈空盾構(gòu)隧道改造工程為例，論證和對(duì)比了不同低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案，最終確定了弓形腕臂懸掛方案。經(jīng)證實(shí)，改造工程目前運(yùn)行狀況良好，可見懸掛方案選擇有效解決了低凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛需求問題，并且將施工對(duì)于既有隧道的運(yùn)行影響降到了最低，能夠?yàn)橥愋凸こ踢M(jìn)行及同類型問題解決提供有效參考思路。