城際鐵路小斷面盾構(gòu)單線隧道接觸網(wǎng)懸掛方案研究與應(yīng)用

王愛竟

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

近年來，廣東省珠三角城市軌道交通飛速發(fā)展，陸續(xù)建成多條城際鐵路。莞惠城際鐵路采用了內(nèi)徑僅7.7 m的小斷面盾構(gòu)隧道，該隧道是國內(nèi)首次采用的內(nèi)徑最小的城際鐵路單線盾構(gòu)隧道，其斷面如圖1所示。隧道軌面以上凈空高度設(shè)計(jì)值為6 450 mm。受盾構(gòu)機(jī)開挖過程中上下浮動、左右偏移引起的施工誤差影響，盾構(gòu)隧道在各個方向均有可能出現(xiàn)150 mm的偏差。這將進(jìn)一步壓低軌面以上凈空，困難情況下凈空高度僅有6 300 mm，因此，接觸網(wǎng)安裝條件極其受限[1]。

圖1 內(nèi)徑7.7 m單線盾構(gòu)隧道斷面(單位：cm)

牽引供電系統(tǒng)采用27.5 kV交流供電制式，接觸網(wǎng)采用簡單彈性鏈型懸掛。內(nèi)徑7.7 m單線盾構(gòu)隧道內(nèi)滿足最大行車速度160 km/h的動車組運(yùn)行，接觸網(wǎng)懸掛安裝方案尚屬國內(nèi)首次遇到。既有接觸網(wǎng)腕臂支撐裝置及懸掛方案無法全面滿足安裝需求，鑒于此，需結(jié)合隧道、線路等相關(guān)專業(yè)情況，針對各種工況條件研究制定安全可靠的接觸網(wǎng)懸掛方案，并研制新型腕臂支撐裝置，實(shí)現(xiàn)小斷面盾構(gòu)隧道內(nèi)160 km/h行車速度要求時的接觸網(wǎng)懸掛安裝。

2 單線隧道傳統(tǒng)接觸網(wǎng)懸掛方案

本世紀(jì)以來，盾構(gòu)法隧道已經(jīng)成為我國城市地鐵隧道的主要施工工法，地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)架空懸掛接觸網(wǎng)均采用剛性懸掛。盾構(gòu)隧道早期在國鐵項(xiàng)目上應(yīng)用的極少，隨著國內(nèi)盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，近十年來在國鐵及城際鐵路中其應(yīng)用才逐漸增多，因此工程設(shè)計(jì)階段接觸網(wǎng)安裝可借鑒工程經(jīng)驗(yàn)很少。20世紀(jì)90年代西康鐵路秦嶺特長隧道在國鐵上首次采用了單線盾構(gòu)隧道，該隧道圓形斷面內(nèi)徑為7.7 m，軌面以上凈空高度6.6 m，接觸網(wǎng)采用了水平懸掛安裝方式，列車行駛速度120 km/h。2007年開始施工的廣深港高鐵獅子洋雙洞單線盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為9.8 m，軌面以上凈空高度8.16 m[2]，接觸網(wǎng)采用整體腕臂進(jìn)行懸掛，動車運(yùn)行速度250 km/h。其他類型單線隧道的接觸網(wǎng)懸掛方案也同時可借鑒，馬蹄形斷面等各類滿足隧限2A的單線隧道接觸網(wǎng)主要采用水平懸掛及弓形腕臂[3]。綜上，研究上述各種方案在內(nèi)徑7.7 m盾構(gòu)隧道內(nèi)的適用性，見表1。

表1 單線隧道傳統(tǒng)接觸網(wǎng)懸掛方案

通過表1對各類傳統(tǒng)型懸掛方案主要技術(shù)特點(diǎn)以及對項(xiàng)目的適用性分析可以看出，以往常用的盾構(gòu)隧道及其他各種類型單線隧道接觸網(wǎng)簡單鏈型懸掛方案均無法全面滿足項(xiàng)目的各項(xiàng)需求。

3 盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)懸掛方案研究

3.1 總體思路

盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)懸掛方案研究首先基于既有成功安裝運(yùn)營的方案進(jìn)行分析，優(yōu)先選用成熟可靠的產(chǎn)品及方案。經(jīng)充分調(diào)研及研究，表1傳統(tǒng)懸掛方案無法滿足項(xiàng)目安裝要求。因此，需結(jié)合內(nèi)徑7.7 m盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，充分利用空間，研制新型腕臂支撐裝置及懸掛方案，實(shí)現(xiàn)接觸懸掛的可靠安裝，并能夠適應(yīng)160 km/h的行車速度。研究的重點(diǎn)是新型腕臂結(jié)構(gòu)型式的確定、腕臂與受電弓尺寸、接觸網(wǎng)張力及跨距等系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的匹配性研究、錨段關(guān)節(jié)及下錨安裝等。

腕臂支撐裝置作為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的重要支持裝置，為列車的安全運(yùn)營提供了重要保障，其工作性能直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[6-8]，研發(fā)時需考慮技術(shù)、施工、運(yùn)營等相關(guān)因素的要求，如表2所示。

(1)以表2中所述需求因素為指導(dǎo)，以功能需求為出發(fā)點(diǎn)，從技術(shù)合理性、經(jīng)濟(jì)性、美觀性綜合考慮，研制一種新型腕臂支撐裝置[9-10]。

(2)采用集約化設(shè)計(jì)理念，突破傳統(tǒng)腕臂結(jié)構(gòu)形式和組合方式，改變傳統(tǒng)的螺栓連接方式為焊接方式，最大程度減少零部件數(shù)量和種類，既能減少安裝空間，又能實(shí)現(xiàn)新型腕臂的簡統(tǒng)化。

(3)整套接觸網(wǎng)懸掛裝置應(yīng)采用成熟可靠的產(chǎn)品或技術(shù)、減少新零件的研發(fā)時間，確保工程進(jìn)度。

(4)結(jié)合盾構(gòu)隧道斷面特點(diǎn)、現(xiàn)場施工誤差、線路條件及接觸網(wǎng)性能需求等，同步制定盾構(gòu)隧道內(nèi)的接觸網(wǎng)系統(tǒng)懸掛方案。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)的確定

結(jié)合160 km/h的行車速度及導(dǎo)線規(guī)格，接觸線及承利索的張力組合為15 kN+15 kN。軌道采用無砟軌道，懸掛點(diǎn)處接觸線距離軌面高度為5 300 mm。軌面以上凈空高度一般為6 450 mm，負(fù)誤差時最低凈空高度為6 300 mm，腕臂結(jié)構(gòu)高度=6 300-5 300-300-A=700-A(考慮各種偏差及余量)，所以結(jié)構(gòu)高度可定為600 mm。

導(dǎo)線張力及腕臂結(jié)構(gòu)高度確定后，根據(jù)最短吊弦400 mm的要求計(jì)算跨距，最大跨距不宜超過35 m。結(jié)合隧道圓形斷面尺寸及綜合管線布置情況，根據(jù)環(huán)境及導(dǎo)線工作溫度、補(bǔ)償方式等相關(guān)因素計(jì)算確定墜砣行程，確定錨段長度。主要技術(shù)參數(shù)確定后，接下來研究確定具體的腕臂安裝方案。

3.3 腕臂安裝方案

3.3.1 反定位安裝

反定位安裝方式如圖2所示，腕臂裝置由平、斜腕臂及其之間的焊接板組成，結(jié)構(gòu)形式緊湊，可適應(yīng)較小的側(cè)面限界，吊柱安裝最小側(cè)面限界可至1 500 mm。定位器支座可裝于上腕臂，也可以將下腕臂伸長將定位器支柱安裝于下腕臂。腕臂的結(jié)構(gòu)高度(懸掛點(diǎn)處承力索與接觸線的垂直距離)可在500～800 mm變化，上、下腕臂底座間距也可在350～600 mm范圍內(nèi)調(diào)整，具體安裝方案可視凈空及線路條件確定。

圖2 腕臂反定位處安裝方案(單位：mm)

3.3.2 正定位安裝

為適應(yīng)盾構(gòu)斷面特性，對于正定位腕臂結(jié)構(gòu)，為了同時便于定位器和腕臂底座的安裝，將2個腕臂均做成彎管形式，如圖3所示。正定位時，吊柱側(cè)面限界較反定位增加，一般側(cè)面限界需達(dá)到2.0 m以上。相對反定位安裝側(cè)面限界增加后可加大上下腕臂底座間距，使整個結(jié)構(gòu)受力更合理，下腕臂底座間距也可在600～900 mm內(nèi)調(diào)整。承力索座可裝于上腕臂也可以裝于下腕臂，結(jié)構(gòu)高度可在500～800 mm變化。

圖3 腕臂正定位處安裝方案(單位：mm)

為保證受電弓極限位置時與腕臂的安全距離，并適應(yīng)于各種外軌超高條件下的安裝，腕臂長度及彎管角度可靈活設(shè)計(jì)。同時，為保證腕臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛性，在平斜腕臂管間增加焊接鋼板，降低腕臂結(jié)構(gòu)局部受力，減小腕臂結(jié)構(gòu)撓度變形。

3.3.3 新型腕臂特點(diǎn)

新型腕臂結(jié)構(gòu)僅采用2個腕臂管通過連接板焊接，結(jié)構(gòu)形式極為簡潔，極大地節(jié)省了安裝空間，結(jié)構(gòu)高度視凈空高度可為500～800 mm，困難情況下最小可至450 mm，這是傳統(tǒng)三角腕臂及整體腕臂均無法實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的三角腕臂存在數(shù)量較多的螺栓連接件[11]，與其相比新型腕臂取消了定位管1根、支撐管2根、定位環(huán)3個、螺栓連接5處等多種連接零部件。

新型腕臂裝置基于簡約化設(shè)計(jì)理念，采用整體焊接結(jié)構(gòu)，減少零件和緊固件數(shù)量的同時，提升了防松性能[12]。因此，新型腕臂安全可靠性更高、便于運(yùn)營檢修，且節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本。新型腕臂結(jié)構(gòu)簡潔、強(qiáng)度及剛度滿足各項(xiàng)要求，尤其對低凈空隧道有較強(qiáng)的適用性。

3.4 接觸網(wǎng)懸掛方案主要設(shè)計(jì)原則

基于內(nèi)徑7.7 m盾構(gòu)隧道的具體特點(diǎn)，并結(jié)合線路、軌道等多方面因素，進(jìn)一步研究確定了更為系統(tǒng)的接觸網(wǎng)懸掛方案，主要設(shè)計(jì)原則如下。

(1)中間柱安裝。盾構(gòu)隧道內(nèi)線路中心與隧道中心按照設(shè)計(jì)存在170 mm的偏距，在直線及外軌超高較小的情況下，有2種方案可供選擇：一是考慮將腕臂裝置均設(shè)于安裝空間較大的一側(cè)時采用正、反定位交替安裝方式；另外，也可全部采用正定位，相鄰吊柱換邊安裝。在外軌超高較大時，采用曲外正定位安裝方式。

(2)錨段關(guān)節(jié)。盾構(gòu)隧道斷面在接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)、下錨等特殊工點(diǎn)處無法加高、加寬。接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)處采取了非工作支承力索在新型腕臂結(jié)構(gòu)上不抬高安裝的方案。

(3)接觸懸掛下錨。下錨補(bǔ)償裝置采用棘輪更有利于充分利用空間；因轉(zhuǎn)換柱處非支承力索與工支承力索等高，采用錨段關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換柱處兩支懸掛均為開口安裝的方案，避免兩支承力索產(chǎn)生交叉互摩，接觸懸掛在線路的異側(cè)下錨。

4 仿真計(jì)算

近年來在計(jì)算機(jī)編程方面，由于有限元法具有通用性特點(diǎn)，它已經(jīng)成為解決各種問題的強(qiáng)有力和靈活通用的工具[13]。本文采用有限元分析方法和軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，通過建立新型腕臂的有限元模型，對其進(jìn)行靜力分析，求出最大工作載荷情況下的位移和應(yīng)力，并根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。以結(jié)構(gòu)高度600 mm的腕臂結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行分析，按照TB/T 2075《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》的相關(guān)要求對模型加載。承力索座處水平荷載3.5 kN，垂直荷載4.0 kN，定位器底座處水平荷載4.0 kN。另外，按照最大工作荷載的1.5倍對模型加載，校驗(yàn)腕臂的應(yīng)力水平[14]。

4.1 腕臂受力強(qiáng)度分析

通過對新型腕臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力強(qiáng)度分析，研究確定腕臂系統(tǒng)受力集中部位，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工過程中重點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)及工藝控制。

正定位腕臂支撐裝置計(jì)算模型如圖4所示，通過對腕臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析可見，腕臂結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位處于腕臂與豎向鋼板連接點(diǎn)附近。其最大應(yīng)力值為103.6 MPa，位于承力索所在下部腕臂管座附近的懸臂處。由于為鋼腕臂結(jié)構(gòu)，其許用應(yīng)力為210 MPa，該處最大應(yīng)力小于材料容許應(yīng)力，強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求[15]。

圖4 正定位腕臂應(yīng)力云圖

反定位腕臂支撐裝置計(jì)算模型如圖5所示，反定位腕臂應(yīng)力集中部位主要也是位于平斜腕臂與豎向鋼板連接點(diǎn)附近。其最大應(yīng)力值為122.35 MPa，同時可以看出最大應(yīng)力點(diǎn)的位置處于承力索座所在的上部腕臂管懸臂處。最大應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力，通過分析可判斷該型式的腕臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 反定位腕臂應(yīng)力云圖

4.2 腕臂撓度變形分析

結(jié)構(gòu)的撓度變形是衡量結(jié)構(gòu)整體剛度的重要指標(biāo)，根據(jù)TB/T 2075的要求，腕臂支撐裝置在施加的最大工作荷載下，各部分撓度≯0.7L%(L為腕臂支撐裝置部件受力支點(diǎn)間的最大長度)。

圖6和圖7分別為新型腕臂結(jié)構(gòu)在施加荷載后的撓度分布情況。正定位腕臂最大變形位于下方腕臂的端部，該處最大位移為3.3 mm，小于撓度限值15.6 mm；反定位腕臂最大變形位于上方腕臂的端部，該處最大位移為4.0 mm，小于撓度限制18.2 mm。腕臂系統(tǒng)中的平腕臂和斜腕臂位移遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)值，完全符合要求。

圖6 正定位腕臂撓度云圖

圖7 反定位腕臂撓度云圖

通過腕臂有限元仿真計(jì)算分析可見，新型腕臂在力學(xué)性能、撓度變形等方面均可滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范及工程應(yīng)用要求。除了上述理論仿真計(jì)算，還在產(chǎn)品檢驗(yàn)監(jiān)督中心接觸網(wǎng)零部件檢驗(yàn)站根據(jù)TB/T 2073規(guī)定的檢驗(yàn)規(guī)則和方法對腕臂進(jìn)行了整體靜力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果同樣滿足TB/T 2075關(guān)于腕臂支撐裝置性能的有關(guān)要求。

5 結(jié)語

通過對內(nèi)徑7.7 m小斷面盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)懸掛方案的研究，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)在盾構(gòu)隧道內(nèi)各種線路曲線半徑、各種外軌超高以及各種施工誤差情況下的安裝，解決了傳統(tǒng)懸掛方案適用速度目標(biāo)值有限或無法安裝的問題，為內(nèi)徑7.7 m的小斷面盾構(gòu)隧道在城際鐵路中首次應(yīng)用提供了技術(shù)前提和保障。

研制的新型腕臂支撐裝置形式極為簡潔，降低了對隧道凈空高度的要求，對各種輪廓和凈空高度的隧道適用性強(qiáng)。整套腕臂的零件及緊固件數(shù)量都較少，更加便于預(yù)配安裝，并且減少了運(yùn)營工作維護(hù)量，如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)腕臂支撐裝置安裝

小斷面盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)懸掛方案已在珠三角莞惠城際鐵路首個內(nèi)徑7.7 m盾構(gòu)隧道中成功應(yīng)用。除了盾構(gòu)隧道，工程中的低凈空矩形明挖隧道、馬蹄形暗挖隧道均用了新型腕臂接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了全線各種類型低凈空隧道的接觸網(wǎng)簡統(tǒng)化安裝。運(yùn)營至今，現(xiàn)場反饋接觸網(wǎng)系統(tǒng)在160 km/h行車速度下受流狀態(tài)穩(wěn)定，維護(hù)工作量小，運(yùn)營狀態(tài)良好。