高速鐵路接觸網工程高精確度施工技術探討

王哲浩

(鐵道部建設管理司,北京 100844)

高速鐵路工程具有“高安全性、高可靠性、高精確度、高平順性、高穩定性”要求,高速鐵路與普速鐵路接觸網工程施工要求的最大區別就是高精確度,要實現高速鐵路接觸網工程施工的高精確度,就必須抓住控制要點,把握關鍵環節,以精密的測量技術、科學的工序流程、專業的施工隊伍等實現高速接觸網的高平順性及高穩定性。

1 高速鐵路接觸網工程施工的控制要點

高速鐵路接觸網工程施工的主要控制要點包括：從施工測量到聯調聯試前的全過程施工安裝及調整都必須精確測量、準確定位,確保全線接觸懸掛具有持久的高平順性。充分利用精密測量控制網(簡稱精測網)是實現高速鐵路接觸網工程施工高精確度的重要手段,同時橋梁施工、軌道鋪設、接觸網支柱安裝等環節也是確保接觸網高精確度的重要環節。

1.1 精測網與接觸網施工的關系

高速鐵路接觸網工程施工需迫切解決的主要問題之一就是如何用系統工程的思想、方法和經驗,研究優化施工組織設計方案和施工工藝、工法,在軌道未達到竣工狀態、甚至軌道未鋪設的情況下就開始接觸網基礎施工、腕臂安裝和懸掛調整,并避免發生以往普速鐵路接觸網隨軌道幾何參數變化而大量反復調整的問題。高速鐵路有關設計、施工標準中明確規定：應建立勘測設計、工程施工和運營維護“三網合一”的精密測量控制網。勘測設計階段應建立基礎平面控制網(CPⅠ)、線路控制網(CPⅡ)；線下工程施工完成后,應建立軌道控制網(CPⅢ)。精測網為站前工程施工、竣工驗收和運營維護提供了坐標基準,也為接觸網施工高精度創造了前提條件。

1.2 在高速鐵路接觸網工程中應用精測網

精密測量是建設高質量高速鐵路最重要、最基本的條件之一[1～3]。接觸線高度、拉出值等幾何參數是以軌道幾何參數為基準的,因此新建高速鐵路接觸網工程從支柱基礎定位測量、腕臂測量計算安裝、吊弦測量計算安裝、接觸線檢測精調等均應以線路軌道橫、縱斷面設計圖為依據,接觸網和線路軌道專業測量都應采用統一的坐標——精測網,并作為雙方施工和運營期間共同遵守的依據。

我國高速鐵路橋梁及隧道地段的軌道控制網(CPⅢ)基樁通常設置在橋梁防撞墻和隧道電纜槽的線路側面,與接觸網支柱和隧道吊柱不在同一線路橫斷面上；路基地段的軌道控制網(CPⅢ)基樁在接觸網支柱基礎澆筑的同時,由設計院勘測人員設置在接觸網支柱基礎或軌道專業特設的混凝土基礎上。

通過相關專業提供的高速鐵路精測網基樁參數及其對應的線路參數、曲線樁位置坐標值及曲線參數值,可以計算確定接觸網支柱側面限界、支柱基礎面相對于軌面的高差、外軌超高等,并作為接觸網施工和驗收土建專業預留的接觸網基礎工程質量的依據。根據線路控制網(CPⅡ)數據,可確定接觸網車站、區間分段測量起點,可測量隧道內接觸網的預留槽道、后植錨栓、下錨斷面位置,可檢查路基、橋梁上接觸網支柱及拉線基礎位置是否符合設計要求；根據軌道控制網(CPⅢ)數據,可測量核定接觸網支柱及基礎距離垂直線路中心線偏差及上部孔位準確性、隧道內吊柱及錨栓的施工偏差和測量并計算吊弦長度；在接觸網調整尤其是精調中,根據CPⅢ精測網數據和線路擬合參數,可進一步分析判定軌道與接觸網耦合是否符合相關標準要求。

1.3 高速鐵路接觸網工程主要施工流程

接觸網與土建工程施工組織應按系統工程統籌安排。新建高速鐵路路基地段接觸網主要施工流程為：(路基底層施工)→接觸網支柱定位測量→接觸網基礎澆筑(和軌道控制基樁設置)→支柱安裝整正→附加導線架設→(路基表層施工)→(軌道鋪設調整)→支柱及軌道線路參數測量→腕臂計算和預配→腕臂安裝→承力索和接觸線架設→承力索高度測量→吊弦計算和預制→吊弦和定位裝置安裝→接觸網靜態檢測和調整→接觸網動態檢測和調整[2]。

為確保路基的穩定,接觸網基礎應在路基級配碎石鋪設前完成。高速鐵路路基底層施工完成后,專業測量人員應以線路控制網(CPⅡ)為基點設置線路中線,用全站儀進行接觸網支柱基礎定位測量,用水準儀控制基礎面高程。當接觸網基礎由接觸網專業施工時,整個工程項目及其各標段的施工組織設計必須對接觸網基礎的定位測量及基礎坑開挖進行合理安排。工作中,路基與接觸網專業施工雙方應相互協調配合,避免路基與接觸網專業施工的相互干擾。例如,京津城際鐵路路基專業將線路中線等向接觸網專業“交樁”,接觸網工程的專業測量人員利用精測網為路基專業點測出需要的位置和數據,避免了二次測量所產生的偏差,提高了施工測量精確度。

2 高速鐵路接觸網工程施工偏差控制

施工偏差控制是高速鐵路接觸網施工的關鍵環節,高速鐵路接觸網施工精度要求高、施工允許偏差小。接觸網施工精度越高、施工偏差越小,則接觸網平順性越高、受電弓受流質量越好、受電弓和接觸網壽命越長,越能滿足高速鐵路安全可靠和高穩定性的要求。

2.1 控制接觸網施工偏差的方法

已開通的多個高速鐵路接觸網工程檢測結果分析表明：在施工測量、數據計算、預配加工、現場安裝和質量檢測等環節均會產生偏差,產生偏差的原因有人員、機具、材料、方法、環境等因素,每個環節的偏差都是由這些方面的偏差疊加而成。

人員方面的控制。由于施工人員的技術水平、身體條件(如視力)、心理活動(如責任心)各異,所以同一道施工工序會有不同的質量結果。控制施工人員作業質量的有效措施是“施工人員專業化”,即根據高速鐵路接觸網施工特點,分別組成測量組、計算組、予配組、基礎施工組、安裝架線組、設備安裝組、調試檢測組等專業化作業組,且組內人員及其工作分工相對固定。專業化作業人員經過長期的反復實踐,熟能生巧,操作技能可以不斷提高,為高速鐵路接觸網施工作業高精度和更小的作業誤差離散性奠定基礎。

機具方面的控制。沒有先進的施工機具和檢測器具,技術水平再高的作業人員也極其困難、甚至不能滿足設計文件和標準規范要求的施工允許偏差。例如,用接觸線靜態參數光學測量儀取代普通的測量桿后,施工測量偏差范圍可以明顯縮小。對同一對象采用不同類型規格或雖然類型規格相同但不是同一臺儀器進行測量時,很可能發生一臺儀器的測量結果存在正偏差,而另一臺儀器的測量結果卻存在負偏差,因此對同一單位或單項工程,其測量器具也應相對固定。

材料方面的控制。施工安裝材料都有其生產制造公差,因此必須考慮其影響。例如,在編制腕臂計算軟件程序、進行腕臂計算時都要考慮絕緣子等材料的生產制造公差,腕臂預配時將其影響消除掉,避免累計施工偏差。

施工方法的控制。施工方法即施工工藝、工法,包括施工工序流程和施工計算軟件。例如,為避免附加懸掛架設后引起支柱傾斜值變化,造成已調整的接觸懸掛位置改變,應在附加懸掛架設后再測量(用于腕臂和吊弦計算的)支柱有關參數,這點在曲線地段和接觸網設計張力較大時尤其要注意。

環境的控制。作業周圍環境對施工偏差也有不利影響。例如,因為超聲波在空氣中的傳播速度與環境溫度成一定函數關系,所以接觸網施工中使用的超聲波式測量儀器從室內存放環境到室外測量現場,至少要有10 min以上適應現場環境溫度的過程,否則測量偏差可能超標。

2.2 消減接觸網施工偏差疊加的方法

消減高速鐵路接觸網施工偏差疊加的方法之一是避免量值傳遞的疊加偏差。例如,數據集合A是若干個施工測量值(如,支柱的側面限界及其斜率等等),數據B(如,腕臂下底座連接孔中心至斜腕臂上定位環的距離)和數據C(如,下底座連接孔中心至斜腕臂上套管絞環的距離)均是由數據集合A得出的計算值,那么計算B時就不應以數據C作為計算元素。

方法之二是除控制人、機、料、法、環等5個方面施工偏差外,還需在接觸網施工測量、數據計算、預配加工、現場安裝和質量檢測等5個環節控制施工偏差,并盡可能在后一環節消減前一環節的施工偏差。例如,高精度的支柱參數測量可消減支柱安裝偏差對腕臂計算產生的不利影響。

方法之三是嚴格控制計算偏差。計算偏差控制是高速鐵路接觸網工程施工的關鍵和難點。接觸網的受力是一個復雜多變的空間力系,且接觸網各子系統之間相互影響。為實現測量和計算高精度,腕臂計算軟件的數學模型應考慮下列因素,并可以通過大量的實測得到這些因素的經驗數據。

(1)支柱受力變形。支柱承載后會產生變形(撓度),高速鐵路比普通鐵路的接觸懸掛張力明顯加大,應在支柱承受接觸懸掛和附加導線的全部荷載后測量支柱參數。

(2)腕臂裝配材料受力變形。除絕緣子外,腕臂裝配其他材料為金屬件。腕臂裝配材料受力后將產生彈性和塑性變形,且這些零配件之間的間隙大小會改變。

為實現測量和計算高精度,吊弦長度計算數學模型則應考慮下列因素。

(1)曲線地段吊弦長度變化量。懸掛點和跨中接觸線與鐵道線路中心的水平位置存在一個中矢值的差值,此值又因鐵路外軌超高的存在使接觸線距軌面連線中心的高度產生一個差值。

(2)鐵道線路豎曲線引起的吊弦長度變化量。

(3)接觸線設計有預留弛度、集中荷載(如絕緣子)時的吊弦長度變化量。

(4)承力索位置變化。懸掛點處的承力索水平及垂直位置應在支柱承受接觸懸掛和附加導線的全部荷載后測量,以消減承力索受力后位置變化和腕臂安裝施工的偏差影響。

2.3 加強專業接口管理

要實現高速鐵路接觸網工程高精確度,在做好上述工作的同時,要做好工程測量、橋梁施工、軌道鋪設等環節的接口管理工作,并應加強施工質量管理和各環節的工程質量過程控制,確保接觸網支柱及基礎安裝滿足有關標準要求。

(1)加強施工測量工作。橋梁施工時應對CPⅠ、CPⅡ控制點等進行全面復測,橋位中線控制點和線路水準基點應在橋梁施工測量前進行貫通聯測,同時,在施工期間加強CPⅠ、CPⅡ及線路水準基點控制網復測維護工作。橋梁墩臺施工完畢、梁體架設以前,應對全線墩臺的縱、橫向中心線、支承墊石頂高程等進行貫通復測,確保橋梁中線位置準確,避免因施工測量或施工放樣誤差造成接觸網支柱及基礎與線路中線凈距不符合標準要求。

(2)嚴格橋梁施工過程控制。墩臺基礎中心允許偏差、墩臺前后和左右邊緣距設計中心線允許偏差應符合橋梁施工標準要求；支座的支撐墊石及錨栓預留孔應加強復測工作,確保梁體橫向偏差控制精度要求；梁體(含現澆梁)制造時嚴格控制橋上接觸網支柱基礎距離梁體中心線距離,并滿足設計要求；在澆筑接觸網支柱基礎之前應進行復測,接觸網支柱基礎嚴禁出現負偏差。對于預制架設箱梁,架設過程中更應嚴格控制其橫向偏差。

(3)確保軌道板及接觸網支柱施工精度要求。軌道板鋪設前應根據CPⅢ精測網,對軌道板位置、橋上接觸網支柱基礎預留位置進行復測,確保軌道板、接觸網支柱基礎與線路中心的距離符合設計要求。在安裝接觸網支柱之前,應利用CPⅢ精測網對接觸網支柱距線路中心距離進行全面測量,確保接觸網支柱基礎位置滿足設計要求。

3 結語

通過自主創新、集成創新和引進消化吸收再創新,我國高速鐵路接觸網施工技術和管理水平有了長足進步。通過對高速鐵路接觸網像機械鐘表那樣精心設計、精確施工和精細保養,嚴格控制其施工偏差,我國高速鐵路接觸網在世界上首次實現滿足雙列重聯動車組雙弓取流、350 km/h運營速度的商業運行。同時,我國普速鐵路接觸網工程施工也應充分應用精測網,嚴格控制施工偏差,實現接觸網工程的高精確度,滿足弓網良好受流質量和列車安全運行要求。

[1]TB10621—2009,高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]TB10758—2010,高速鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[3]鐵建設[2010]241號,高速鐵路電力牽引供電工程施工技術指南[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

[4]張彥水.武廣鐵路客運專線350 km時速接觸網施工關鍵技術探討[J].鐵道標準設計，2010(1)：184-186.

[5]王小明，李冬立.武廣鐵路客運專線站后預留接口施工質量通病及防治方法[J].鐵道標準設計，2010(1).