既有線鐵路接觸網(wǎng)剛?cè)徇^渡問題探析

楊清太

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

1 引言

電氣化鐵路接觸網(wǎng)通常分為剛性懸掛和柔性懸掛。我國國鐵接觸網(wǎng)通常采用的是柔性懸掛的方式，而在地鐵施工中則多采用剛性懸掛的方式[1]。剛性接觸網(wǎng)是一種工程造價(jià)高、安全可靠、無或少維修的供電方式，在國內(nèi)外地鐵領(lǐng)域中的應(yīng)用已較為成熟。剛性懸掛接觸網(wǎng)以其明顯的優(yōu)勢在城市地鐵建設(shè)中呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景[2]。在國鐵施工中主要采用柔性懸掛，但在既有線新建電氣化鐵路中，由于既有隧道凈空高度的影響，隧道改造很難，往往不能滿足柔性懸掛安裝的要求，因此在隧道內(nèi)則采用剛性懸掛的方式，這樣在剛性懸掛和柔性懸掛過渡區(qū)段就形成了一個(gè)剛?cè)徇^渡區(qū)域。武九線新建電氣化鐵路施工過程中，由于既有陳家沖隧道的凈空高度過低，在隧道中設(shè)計(jì)了剛性懸掛的懸掛方式。

2 存在問題

武九鐵路新建電氣化接觸網(wǎng)工程中，陳家沖隧道因凈空高度較低而采用剛性懸掛方式，其余區(qū)段均為柔性懸掛方式。在相關(guān)技術(shù)專家的指導(dǎo)下，隧道內(nèi)剛性懸掛的接觸線高度、拉出值、坡度等均滿足設(shè)計(jì)要求和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；剛?cè)徇^渡區(qū)段采用貫通式，即采用剛性逐漸減小的切槽式匯流排實(shí)現(xiàn)剛?cè)徇^渡，并符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

全線施工完畢后，在接觸網(wǎng)冷滑試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：剛?cè)徇^渡區(qū)段的弓網(wǎng)關(guān)系較為惡劣，沒有實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的平滑過渡。通過冷滑的數(shù)據(jù)可以看出：當(dāng)受電弓由剛性接觸網(wǎng)滑向柔性接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)短暫的離線現(xiàn)象；而當(dāng)受電弓由柔性接觸網(wǎng)滑向剛性接觸網(wǎng)時(shí)，會(huì)有較大硬點(diǎn)的沖擊[3]。

3 安裝及理論分析

針對冷滑中出現(xiàn)的問題，技術(shù)人員對剛?cè)徇^渡區(qū)段進(jìn)行反復(fù)檢查，包括貫通式匯流排的方向、接觸線高度、坡度以及柔性區(qū)段的接觸線高度、坡度等，均未發(fā)現(xiàn)技術(shù)參數(shù)超標(biāo)的現(xiàn)象。為了更好地說明問題，證明弓網(wǎng)關(guān)系惡劣并非施工原因造成的，本文首先簡單介紹剛性懸掛及施工安裝。

3.1 剛性懸掛的組成

接觸網(wǎng)剛性懸掛方式主要由鋁合金匯流排、接觸線、絕緣子、懸掛裝置和底座及預(yù)埋錨栓組成，如圖1 所示。

圖1 武九剛性懸掛現(xiàn)場安裝圖

其中，鋁合金匯流排既作為固定接觸線的嵌體，同時(shí)又作為導(dǎo)電截面的一部分，因此，剛性懸掛沒有柔性懸掛中的承力索、吊弦等部件，進(jìn)而就沒有結(jié)構(gòu)高度的概念，為低凈空隧道提供了懸掛接觸線的空間。武九鐵路使用的鋁合金匯流排為π 形結(jié)構(gòu)，既便于安裝又能使嵌入的接觸線更加穩(wěn)定，更利于運(yùn)行安全。

3.2 施工安裝

3.2.1 錨栓打孔預(yù)埋

按照設(shè)計(jì)圖紙和隧道里程表，對隧道進(jìn)行了測量定位、鉆孔吹洗和預(yù)埋螺栓之后，開始對吊柱底座進(jìn)行安裝。錨栓打孔預(yù)埋流程主要分為：測量階段（樁點(diǎn)放樣）→施工階段（定位打孔預(yù)埋）→驗(yàn)收階段（拉拔試驗(yàn)）。打孔預(yù)埋化學(xué)錨栓以及拉拔試驗(yàn)的具體操作步驟為：打孔→清孔→注膠→預(yù)埋錨栓→拉拔試驗(yàn)。

3.2.2剛性懸掛的安裝

在錨栓預(yù)埋拉拔實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行吊柱及支持結(jié)構(gòu)安裝，然后，再對剛性懸掛組成件進(jìn)行安裝。

其施工順序?yàn)椋簠R流排安裝→中心錨節(jié)安裝→接觸線架設(shè)與卡嵌→膨脹關(guān)節(jié)安裝等。整個(gè)匯流排由若干節(jié)12 m 長的匯流排連接而成，每300～500 m 為1 個(gè)錨段，設(shè)1 個(gè)膨脹接頭和1 個(gè)中錨，以適應(yīng)溫度變化。每8 m 設(shè)1 個(gè)定位裝置，懸掛匯流排，并確定導(dǎo)高、拉出值及左右擺動(dòng)幅度。剛性懸掛施工中的重點(diǎn)是匯流排的安裝及剛?cè)徇^渡。匯流排長12 m，高11 cm，兩端各有4 對連接孔，其中，隧道口各有1 根加強(qiáng)匯流排和1 根剛?cè)徇^渡件。整個(gè)隧道內(nèi)的匯流排分為若干個(gè)錨段，每個(gè)錨段可同時(shí)安裝。一般從隧道口剛?cè)徇^渡件開始安裝，再依次向內(nèi)安裝。在安裝前先用鐵絲成八字形將第二個(gè)懸臂固定。剛?cè)徇^渡件外端距第一個(gè)定位4.3 m，并用鐵線加以固定。對接兩匯流排時(shí)，連接夾板預(yù)先套入前一匯流排內(nèi)，但不要擰緊可活動(dòng)，后一塊匯流排向前推移對接。在做中間接頭時(shí)，應(yīng)用卡尺和2 塊夾板將兩匯流排夾平齊后再擰緊固定。匯流排夾200 mm 內(nèi)不得有接頭。當(dāng)全部匯流排安裝完成后，根據(jù)膨脹接頭安裝曲線表，調(diào)整膨脹單元間匯流排間隙，并在匯流排終端打加強(qiáng)螺栓孔。剛性懸掛接觸網(wǎng)系統(tǒng)是將傳統(tǒng)彈性懸掛接觸網(wǎng)導(dǎo)線鉗入鋁制匯流排上，使受電弓在無彈性的導(dǎo)線運(yùn)行取流。

從以上敘述中可知：匯流排卡嵌著接觸導(dǎo)線，受電弓與導(dǎo)線直接接觸，向電力機(jī)車輸送電能。剛性懸掛處的承力索在隧道口下錨，接觸線一直貫通到隧道內(nèi)。這樣，在隧道外和隧道內(nèi)就會(huì)形成1 個(gè)剛?cè)徙暯拥膮^(qū)域。

3.3 剛?cè)徇^渡分析

目前，剛?cè)徇^渡方式有貫通式剛?cè)徇^渡和關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^渡，貫通式剛?cè)徇^渡采用柔性接觸線與剛性逐漸遞減的切槽式匯流排來過渡；關(guān)節(jié)式剛?cè)徇^渡采用柔性接觸線與剛性匯流排平行架設(shè)形成錨段關(guān)節(jié)來完成過渡。武九線采用的是貫通式剛?cè)徇^渡，從運(yùn)行角度來看，貫通式在安全系數(shù)上、在最高速度限制上都要優(yōu)于關(guān)節(jié)式。

前面對剛性懸掛做了簡單了解，對上述冷滑中出現(xiàn)的弓網(wǎng)關(guān)系惡劣情況，通過分析，大致可以從2 個(gè)方面進(jìn)行考慮。

3.3.1 彈性均勻度

剛性懸掛接觸網(wǎng)與柔性懸掛接觸網(wǎng)由于本身結(jié)構(gòu)上的不同，彈性系數(shù)也不盡相同。

1）柔性懸掛接觸網(wǎng)的彈性計(jì)算

柔性懸掛接觸網(wǎng)某點(diǎn)的彈性計(jì)算與跨距長度、承導(dǎo)線的設(shè)計(jì)張力以及該點(diǎn)到定位點(diǎn)的距離有關(guān)。其中，跨中的彈性最大，定位點(diǎn)最小。下面以公式進(jìn)行計(jì)算說明：

式中，R 為柔性懸掛接觸網(wǎng)某點(diǎn)的彈性，mm/N；x 為計(jì)算點(diǎn)到懸掛點(diǎn)的距離，m；L 為跨距，m；Tc為承力索張力，kN；Tj為接觸線張力，kN。

以武九線相關(guān)參數(shù)為例，跨距L 取50 m，承力索張力Tc為15 kN，接觸線張力Tj為10 kN，那么，跨中的彈性值：

2）剛性懸掛接觸網(wǎng)的彈性計(jì)算

剛性懸掛接觸網(wǎng)由于其自身的特點(diǎn)：在懸掛點(diǎn)處采用的是匯流排剛性懸掛固定。這樣，可以近似認(rèn)為，在70 kN 的受電弓抬升力作用下，剛性懸掛幾乎沒有抬升量，其數(shù)值可以近似認(rèn)為是0。

通過以上計(jì)算可知：柔性懸掛接觸網(wǎng)的彈性在跨中是0.5 mm/N，而剛性懸掛接觸網(wǎng)的彈性近似為0。受電弓在從柔性接觸網(wǎng)過渡到剛性接觸網(wǎng)的瞬間，由于其彈性的突然變化，在剛?cè)徇^渡區(qū)域必然會(huì)產(chǎn)生硬點(diǎn)，因此，在剛?cè)徇^渡區(qū)域安裝更加優(yōu)良的過渡匯流排，更加匹配剛?cè)徇^渡區(qū)段的彈性變化率是解決弓網(wǎng)關(guān)系惡劣的一項(xiàng)措施。

但是，通過實(shí)際測算，剛?cè)徇^渡區(qū)段的過渡匯流排并不能很好地解決剛?cè)徇^渡問題，這是結(jié)構(gòu)上的問題，并非可以簡單解決的問題。對此，需要從其他方面入手考慮。

3.3.2 剛?cè)徇^渡區(qū)段的接觸線高度匹配

通過進(jìn)一步的檢測和分析，在剛?cè)徇^渡區(qū)段2 種懸掛的接觸線高度匹配度不高，坡度變化過大，進(jìn)一步加劇了弓網(wǎng)關(guān)系的惡劣程度。

武九線設(shè)計(jì)導(dǎo)高一般為6 450 mm，而隧道由于凈空限制，剛性懸掛的接觸線高度為6 000 mm，在剛?cè)徇^渡區(qū)域，接觸線高度要從隧道內(nèi)的600 mm 逐漸過渡到6 450 mm，按照施工標(biāo)準(zhǔn)，坡度變化率應(yīng)不大于3‰，施工中應(yīng)控制在2‰以內(nèi)。最初施工考慮從隧道口第一個(gè)柔性懸掛定位點(diǎn)開始進(jìn)行接觸線高度的調(diào)整，按照不大于2‰（即100 mm）的變化率進(jìn)行變化。通過分析可知，在上述情況下，電力機(jī)車受電弓由柔性接觸網(wǎng)進(jìn)入剛性接觸網(wǎng)瞬間，由于彈性的突然變化，受電弓在機(jī)械力作用下無法瞬間變化，將產(chǎn)生階躍現(xiàn)象，造成受電弓的瞬間撞擊，形成硬點(diǎn)。反之，會(huì)出現(xiàn)瞬間離線現(xiàn)象。這和冷滑中出現(xiàn)的問題趨于一致。

通過上述分析可知，彈性均勻度的匹配問題在當(dāng)時(shí)情況下是不可更改的；而接觸性高度坡度變化是可以優(yōu)化的。

4 改進(jìn)方法

在論述解決方案之前，先來理解一個(gè)概念，即受電弓最大抬升量。受電弓在機(jī)械力和速度雙重作用下，對柔性懸掛接觸網(wǎng)有1 個(gè)抬升量。計(jì)算公式：

式中，P 為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力，N；70 為受電弓靜態(tài)壓力，N；V 為設(shè)計(jì)速度，km/h；R 為彈性值，mm/N。

隧道按最高時(shí)速120 km/h 進(jìn)行設(shè)計(jì)，將數(shù)據(jù)代入公式，則跨中的受電弓最大抬升量Δh=84×0.5=42 mm。

通過上述計(jì)算可知，定位點(diǎn)與跨中相差42 mm 的抬升量，而為了實(shí)現(xiàn)柔性接觸線高度6 450 mm 逐漸過渡到剛性接觸線高度6 000 mm，并且保證定位點(diǎn)與跨中之間的彈性均勻度，則柔性接觸網(wǎng)兩定位點(diǎn)之間的高度變化應(yīng)為84 mm（2×42 mm），而不是100 mm。

進(jìn)而可以得知，剛?cè)徇^渡區(qū)段的剛性懸掛定位點(diǎn)與柔性懸掛定位點(diǎn)之間的坡度變化也應(yīng)是84 mm。按行車方向劃分的話，導(dǎo)高降低段：柔性懸掛定位點(diǎn)的接觸線高度是6 084 mm，剛性懸掛定位點(diǎn)的接觸線高度是6 000 mm；導(dǎo)高升高段：剛性懸掛定位點(diǎn)的接觸線高度是6 000 mm，柔性懸掛定位點(diǎn)的接觸線高度是6 084 mm。

通過上述改進(jìn)之后，理論計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)踐相結(jié)合，再次冷滑試驗(yàn)后，剛?cè)徇^渡區(qū)域的彈性均勻度明顯提高，弓網(wǎng)關(guān)系的匹配度明顯改善。通過后期的熱滑數(shù)據(jù)顯示，離線率和硬點(diǎn)值都在規(guī)范以內(nèi)，順利通過驗(yàn)收。

5 結(jié)語

武九鐵路陳家沖隧道電氣化改造是我國在國鐵上成功應(yīng)用剛性懸掛的隧道，在借鑒地鐵的技術(shù)上不斷摸索創(chuàng)新，結(jié)合國鐵的實(shí)際總結(jié)出1 套新的剛性懸掛施工工法和剛?cè)徇^渡區(qū)域的改進(jìn)方法。經(jīng)過測試，剛?cè)徇^渡以及所有參數(shù)均滿足要求，并在熱滑實(shí)驗(yàn)中機(jī)車運(yùn)行速度達(dá)到140 km/h，對于該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用，為既有線鐵路在受隧道（框架橋）凈空限制的不利條件下進(jìn)行電氣化改造提供了解決方案。