高速鐵路接觸網(wǎng)工程高精確度施工技術(shù)探討

王哲浩

(鐵道部建設(shè)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(wěn)定性”要求,高速鐵路與普速鐵路接觸網(wǎng)工程施工要求的最大區(qū)別就是高精確度,要實(shí)現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工的高精確度,就必須抓住控制要點(diǎn),把握關(guān)鍵環(huán)節(jié),以精密的測量技術(shù)、科學(xué)的工序流程、專業(yè)的施工隊(duì)伍等實(shí)現(xiàn)高速接觸網(wǎng)的高平順性及高穩(wěn)定性。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工的控制要點(diǎn)

高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工的主要控制要點(diǎn)包括：從施工測量到聯(lián)調(diào)聯(lián)試前的全過程施工安裝及調(diào)整都必須精確測量、準(zhǔn)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(wǎng)(簡稱精測網(wǎng))是實(shí)現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工高精確度的重要手段,同時(shí)橋梁施工、軌道鋪設(shè)、接觸網(wǎng)支柱安裝等環(huán)節(jié)也是確保接觸網(wǎng)高精確度的重要環(huán)節(jié)。

1.1 精測網(wǎng)與接觸網(wǎng)施工的關(guān)系

高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工需迫切解決的主要問題之一就是如何用系統(tǒng)工程的思想、方法和經(jīng)驗(yàn),研究優(yōu)化施工組織設(shè)計(jì)方案和施工工藝、工法,在軌道未達(dá)到竣工狀態(tài)、甚至軌道未鋪設(shè)的情況下就開始接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工、腕臂安裝和懸掛調(diào)整,并避免發(fā)生以往普速鐵路接觸網(wǎng)隨軌道幾何參數(shù)變化而大量反復(fù)調(diào)整的問題。高速鐵路有關(guān)設(shè)計(jì)、施工標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定：應(yīng)建立勘測設(shè)計(jì)、工程施工和運(yùn)營維護(hù)“三網(wǎng)合一”的精密測量控制網(wǎng)?？睖y設(shè)計(jì)階段應(yīng)建立基礎(chǔ)平面控制網(wǎng)(CPⅠ)、線路控制網(wǎng)(CPⅡ)；線下工程施工完成后,應(yīng)建立軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)。精測網(wǎng)為站前工程施工、竣工驗(yàn)收和運(yùn)營維護(hù)提供了坐標(biāo)基準(zhǔn),也為接觸網(wǎng)施工高精度創(chuàng)造了前提條件。

1.2 在高速鐵路接觸網(wǎng)工程中應(yīng)用精測網(wǎng)

精密測量是建設(shè)高質(zhì)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(shù)是以軌道幾何參數(shù)為基準(zhǔn)的,因此新建高速鐵路接觸網(wǎng)工程從支柱基礎(chǔ)定位測量、腕臂測量計(jì)算安裝、吊弦測量計(jì)算安裝、接觸線檢測精調(diào)等均應(yīng)以線路軌道橫、縱斷面設(shè)計(jì)圖為依據(jù),接觸網(wǎng)和線路軌道專業(yè)測量都應(yīng)采用統(tǒng)一的坐標(biāo)——精測網(wǎng),并作為雙方施工和運(yùn)營期間共同遵守的依據(jù)。

我國高速鐵路橋梁及隧道地段的軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)基樁通常設(shè)置在橋梁防撞墻和隧道電纜槽的線路側(cè)面,與接觸網(wǎng)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(wǎng)(CPⅢ)基樁在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)澆筑的同時(shí),由設(shè)計(jì)院勘測人員設(shè)置在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)或軌道專業(yè)特設(shè)的混凝土基礎(chǔ)上。

通過相關(guān)專業(yè)提供的高速鐵路精測網(wǎng)基樁參數(shù)及其對應(yīng)的線路參數(shù)、曲線樁位置坐標(biāo)值及曲線參數(shù)值,可以計(jì)算確定接觸網(wǎng)支柱側(cè)面限界、支柱基礎(chǔ)面相對于軌面的高差、外軌超高等,并作為接觸網(wǎng)施工和驗(yàn)收土建專業(yè)預(yù)留的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)工程質(zhì)量的依據(jù)。根據(jù)線路控制網(wǎng)(CPⅡ)數(shù)據(jù),可確定接觸網(wǎng)車站、區(qū)間分段測量起點(diǎn),可測量隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的預(yù)留槽道、后植錨栓、下錨斷面位置,可檢查路基、橋梁上接觸網(wǎng)支柱及拉線基礎(chǔ)位置是否符合設(shè)計(jì)要求；根據(jù)軌道控制網(wǎng)(CPⅢ)數(shù)據(jù),可測量核定接觸網(wǎng)支柱及基礎(chǔ)距離垂直線路中心線偏差及上部孔位準(zhǔn)確性、隧道內(nèi)吊柱及錨栓的施工偏差和測量并計(jì)算吊弦長度；在接觸網(wǎng)調(diào)整尤其是精調(diào)中,根據(jù)CPⅢ精測網(wǎng)數(shù)據(jù)和線路擬合參數(shù),可進(jìn)一步分析判定軌道與接觸網(wǎng)耦合是否符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 高速鐵路接觸網(wǎng)工程主要施工流程

接觸網(wǎng)與土建工程施工組織應(yīng)按系統(tǒng)工程統(tǒng)籌安排。新建高速鐵路路基地段接觸網(wǎng)主要施工流程為：(路基底層施工)→接觸網(wǎng)支柱定位測量→接觸網(wǎng)基礎(chǔ)澆筑(和軌道控制基樁設(shè)置)→支柱安裝整正→附加導(dǎo)線架設(shè)→(路基表層施工)→(軌道鋪設(shè)調(diào)整)→支柱及軌道線路參數(shù)測量→腕臂計(jì)算和預(yù)配→腕臂安裝→承力索和接觸線架設(shè)→承力索高度測量→吊弦計(jì)算和預(yù)制→吊弦和定位裝置安裝→接觸網(wǎng)靜態(tài)檢測和調(diào)整→接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測和調(diào)整[2]。

為確保路基的穩(wěn)定,接觸網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)在路基級配碎石鋪設(shè)前完成。高速鐵路路基底層施工完成后,專業(yè)測量人員應(yīng)以線路控制網(wǎng)(CPⅡ)為基點(diǎn)設(shè)置線路中線,用全站儀進(jìn)行接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)定位測量,用水準(zhǔn)儀控制基礎(chǔ)面高程。當(dāng)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)由接觸網(wǎng)專業(yè)施工時(shí),整個(gè)工程項(xiàng)目及其各標(biāo)段的施工組織設(shè)計(jì)必須對接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的定位測量及基礎(chǔ)坑開挖進(jìn)行合理安排。工作中,路基與接觸網(wǎng)專業(yè)施工雙方應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合,避免路基與接觸網(wǎng)專業(yè)施工的相互干擾。例如,京津城際鐵路路基專業(yè)將線路中線等向接觸網(wǎng)專業(yè)“交樁”,接觸網(wǎng)工程的專業(yè)測量人員利用精測網(wǎng)為路基專業(yè)點(diǎn)測出需要的位置和數(shù)據(jù),避免了二次測量所產(chǎn)生的偏差,提高了施工測量精確度。

2 高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工偏差控制

施工偏差控制是高速鐵路接觸網(wǎng)施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié),高速鐵路接觸網(wǎng)施工精度要求高、施工允許偏差小。接觸網(wǎng)施工精度越高、施工偏差越小,則接觸網(wǎng)平順性越高、受電弓受流質(zhì)量越好、受電弓和接觸網(wǎng)壽命越長,越能滿足高速鐵路安全可靠和高穩(wěn)定性的要求。

2.1 控制接觸網(wǎng)施工偏差的方法

已開通的多個(gè)高速鐵路接觸網(wǎng)工程檢測結(jié)果分析表明：在施工測量、數(shù)據(jù)計(jì)算、預(yù)配加工、現(xiàn)場安裝和質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生偏差,產(chǎn)生偏差的原因有人員、機(jī)具、材料、方法、環(huán)境等因素,每個(gè)環(huán)節(jié)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(shù)水平、身體條件(如視力)、心理活動(dòng)(如責(zé)任心)各異,所以同一道施工工序會有不同的質(zhì)量結(jié)果?？刂剖┕と藛T作業(yè)質(zhì)量的有效措施是“施工人員專業(yè)化”,即根據(jù)高速鐵路接觸網(wǎng)施工特點(diǎn),分別組成測量組、計(jì)算組、予配組、基礎(chǔ)施工組、安裝架線組、設(shè)備安裝組、調(diào)試檢測組等專業(yè)化作業(yè)組,且組內(nèi)人員及其工作分工相對固定。專業(yè)化作業(yè)人員經(jīng)過長期的反復(fù)實(shí)踐,熟能生巧,操作技能可以不斷提高,為高速鐵路接觸網(wǎng)施工作業(yè)高精度和更小的作業(yè)誤差離散性奠定基礎(chǔ)。

機(jī)具方面的控制。沒有先進(jìn)的施工機(jī)具和檢測器具,技術(shù)水平再高的作業(yè)人員也極其困難、甚至不能滿足設(shè)計(jì)文件和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的施工允許偏差。例如,用接觸線靜態(tài)參數(shù)光學(xué)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(guī)格或雖然類型規(guī)格相同但不是同一臺儀器進(jìn)行測量時(shí),很可能發(fā)生一臺儀器的測量結(jié)果存在正偏差,而另一臺儀器的測量結(jié)果卻存在負(fù)偏差,因此對同一單位或單項(xiàng)工程,其測量器具也應(yīng)相對固定。

材料方面的控制。施工安裝材料都有其生產(chǎn)制造公差,因此必須考慮其影響。例如,在編制腕臂計(jì)算軟件程序、進(jìn)行腕臂計(jì)算時(shí)都要考慮絕緣子等材料的生產(chǎn)制造公差,腕臂預(yù)配時(shí)將其影響消除掉,避免累計(jì)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(jì)算軟件。例如,為避免附加懸掛架設(shè)后引起支柱傾斜值變化,造成已調(diào)整的接觸懸掛位置改變,應(yīng)在附加懸掛架設(shè)后再測量(用于腕臂和吊弦計(jì)算的)支柱有關(guān)參數(shù),這點(diǎn)在曲線地段和接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)張力較大時(shí)尤其要注意。

環(huán)境的控制。作業(yè)周圍環(huán)境對施工偏差也有不利影響。例如,因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鞑ニ俣扰c環(huán)境溫度成一定函數(shù)關(guān)系,所以接觸網(wǎng)施工中使用的超聲波式測量儀器從室內(nèi)存放環(huán)境到室外測量現(xiàn)場,至少要有10 min以上適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境溫度的過程,否則測量偏差可能超標(biāo)。

2.2 消減接觸網(wǎng)施工偏差疊加的方法

消減高速鐵路接觸網(wǎng)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(shù)據(jù)集合A是若干個(gè)施工測量值(如,支柱的側(cè)面限界及其斜率等等),數(shù)據(jù)B(如,腕臂下底座連接孔中心至斜腕臂上定位環(huán)的距離)和數(shù)據(jù)C(如,下底座連接孔中心至斜腕臂上套管絞環(huán)的距離)均是由數(shù)據(jù)集合A得出的計(jì)算值,那么計(jì)算B時(shí)就不應(yīng)以數(shù)據(jù)C作為計(jì)算元素。

方法之二是除控制人、機(jī)、料、法、環(huán)等5個(gè)方面施工偏差外,還需在接觸網(wǎng)施工測量、數(shù)據(jù)計(jì)算、預(yù)配加工、現(xiàn)場安裝和質(zhì)量檢測等5個(gè)環(huán)節(jié)控制施工偏差,并盡可能在后一環(huán)節(jié)消減前一環(huán)節(jié)的施工偏差。例如,高精度的支柱參數(shù)測量可消減支柱安裝偏差對腕臂計(jì)算產(chǎn)生的不利影響。

方法之三是嚴(yán)格控制計(jì)算偏差。計(jì)算偏差控制是高速鐵路接觸網(wǎng)工程施工的關(guān)鍵和難點(diǎn)。接觸網(wǎng)的受力是一個(gè)復(fù)雜多變的空間力系,且接觸網(wǎng)各子系統(tǒng)之間相互影響。為實(shí)現(xiàn)測量和計(jì)算高精度,腕臂計(jì)算軟件的數(shù)學(xué)模型應(yīng)考慮下列因素,并可以通過大量的實(shí)測得到這些因素的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

(1)支柱受力變形。支柱承載后會產(chǎn)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(yīng)在支柱承受接觸懸掛和附加導(dǎo)線的全部荷載后測量支柱參數(shù)。

(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(chǎn)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(shí)現(xiàn)測量和計(jì)算高精度,吊弦長度計(jì)算數(shù)學(xué)模型則應(yīng)考慮下列因素。

(1)曲線地段吊弦長度變化量。懸掛點(diǎn)和跨中接觸線與鐵道線路中心的水平位置存在一個(gè)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(chǎn)生一個(gè)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(shè)計(jì)有預(yù)留弛度、集中荷載(如絕緣子)時(shí)的吊弦長度變化量。

(4)承力索位置變化。懸掛點(diǎn)處的承力索水平及垂直位置應(yīng)在支柱承受接觸懸掛和附加導(dǎo)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(qiáng)專業(yè)接口管理

要實(shí)現(xiàn)高速鐵路接觸網(wǎng)工程高精確度,在做好上述工作的同時(shí),要做好工程測量、橋梁施工、軌道鋪設(shè)等環(huán)節(jié)的接口管理工作,并應(yīng)加強(qiáng)施工質(zhì)量管理和各環(huán)節(jié)的工程質(zhì)量過程控制,確保接觸網(wǎng)支柱及基礎(chǔ)安裝滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

(1)加強(qiáng)施工測量工作。橋梁施工時(shí)應(yīng)對CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)等進(jìn)行全面復(fù)測,橋位中線控制點(diǎn)和線路水準(zhǔn)基點(diǎn)應(yīng)在橋梁施工測量前進(jìn)行貫通聯(lián)測,同時(shí),在施工期間加強(qiáng)CPⅠ、CPⅡ及線路水準(zhǔn)基點(diǎn)控制網(wǎng)復(fù)測維護(hù)工作。橋梁墩臺施工完畢、梁體架設(shè)以前,應(yīng)對全線墩臺的縱、橫向中心線、支承墊石頂高程等進(jìn)行貫通復(fù)測,確保橋梁中線位置準(zhǔn)確,避免因施工測量或施工放樣誤差造成接觸網(wǎng)支柱及基礎(chǔ)與線路中線凈距不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2)嚴(yán)格橋梁施工過程控制。墩臺基礎(chǔ)中心允許偏差、墩臺前后和左右邊緣距設(shè)計(jì)中心線允許偏差應(yīng)符合橋梁施工標(biāo)準(zhǔn)要求；支座的支撐墊石及錨栓預(yù)留孔應(yīng)加強(qiáng)復(fù)測工作,確保梁體橫向偏差控制精度要求；梁體(含現(xiàn)澆梁)制造時(shí)嚴(yán)格控制橋上接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)距離梁體中心線距離,并滿足設(shè)計(jì)要求；在澆筑接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)之前應(yīng)進(jìn)行復(fù)測,接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)嚴(yán)禁出現(xiàn)負(fù)偏差。對于預(yù)制架設(shè)箱梁,架設(shè)過程中更應(yīng)嚴(yán)格控制其橫向偏差。

(3)確保軌道板及接觸網(wǎng)支柱施工精度要求。軌道板鋪設(shè)前應(yīng)根據(jù)CPⅢ精測網(wǎng),對軌道板位置、橋上接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)預(yù)留位置進(jìn)行復(fù)測,確保軌道板、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)與線路中心的距離符合設(shè)計(jì)要求。在安裝接觸網(wǎng)支柱之前,應(yīng)利用CPⅢ精測網(wǎng)對接觸網(wǎng)支柱距線路中心距離進(jìn)行全面測量,確保接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)位置滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

通過自主創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新,我國高速鐵路接觸網(wǎng)施工技術(shù)和管理水平有了長足進(jìn)步。通過對高速鐵路接觸網(wǎng)像機(jī)械鐘表那樣精心設(shè)計(jì)、精確施工和精細(xì)保養(yǎng),嚴(yán)格控制其施工偏差,我國高速鐵路接觸網(wǎng)在世界上首次實(shí)現(xiàn)滿足雙列重聯(lián)動(dòng)車組雙弓取流、350 km/h運(yùn)營速度的商業(yè)運(yùn)行。同時(shí),我國普速鐵路接觸網(wǎng)工程施工也應(yīng)充分應(yīng)用精測網(wǎng),嚴(yán)格控制施工偏差,實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)工程的高精確度,滿足弓網(wǎng)良好受流質(zhì)量和列車安全運(yùn)行要求。

[1]TB10621—2009,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)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(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國鐵道出版社，2010.

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

[4]張彥水.武廣鐵路客運(yùn)專線350 km時(shí)速接觸網(wǎng)施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1)：184-186.

[5]王小明，李冬立.武廣鐵路客運(yùn)專線站后預(yù)留接口施工質(zhì)量通病及防治方法[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2010(1).