《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》的技術創新

朱飛雄

(鐵道部經濟規劃研究院，北京 100038)

為滿足高速鐵路的高精確度、高平順性、高穩定性、高可靠性、高安全性等五大要求，《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》(鐵建設［2010］241號)［1］在原《客運專線鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》［2］(以下簡稱《客專電牽施工指南》)的基礎上，充分吸納京津、武廣、鄭西、合寧、石太、海南東環等高速鐵路的建設、運營經驗，取得大量技術創新成果。

1 首次應用精密測量控制網，實現電牽施工高精確度

《高速鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》(以下簡稱《高鐵電牽施工指南》)與原《客專電牽施工指南》的最大不同點是新增了“施工測量”章，首次要求高速鐵路電牽工程施工從開工測量到開通運營的全過程都必須充分應用精密工程測量技術——精密測量控制網(以下簡稱精測網)，實現高速鐵路電牽工程施工高精確度，確保全線接觸懸掛具有持久的高平順性，保證牽引變電所內的設備基礎與上下行鐵道線路、牽引變電所房屋基礎等的空間位置坐標協調匹配。

1.1 精測網與接觸網施工的關系

我國過去的普通鐵路測量沒有建立一套完整的控制測量系統，各級控制網測量精度主要根據線下工程施工控制要求而制定，路基設計基本不考慮路基沉降控制，路基沉降通過補充道砟等方式補救。軌道鋪設和運營不以控制網為基準按設計坐標進行絕對定位，而是按線下工程施工現狀采用相對定位。這種鋪軌方法因測量誤差的累積，往往造成軌道幾何參數與設計參數相差甚遠。例如，某時速200 km鐵路提速改造工程的某圓曲線半徑與設計半徑相差幾百米，大半徑的長曲線變成了多個不同半徑圓曲線的組合，緩和曲線、夾直線長度不夠，曲線五大樁位置與設計位置相差很大，縱斷面整坡變成了很多碎坡等。秦沈客運專線鐵路工程開始重視路基沉降控制，但其標準比無砟軌道低得多，其工后沉降不能滿足無砟軌道鋪設要求。

高速鐵路是一項集多種先進技術于一體的龐大系統工程，各施工專業間有著內在緊密聯系和大量信息交換。高速鐵路無砟軌道測量控制網的精度在滿足線下工程施工控制測量要求的同時必須滿足軌道鋪設精度要求，無砟軌道的絕對定位由各級平面高程控制網組成的測量系統來實現，從而保證軌道與線下工程路基、橋梁、隧道、站臺等的空間位置坐標、高程互相協調匹配。接觸網工程的接觸線高度、拉出值等大量幾何參數是以軌道幾何參數為基準。由于工期緊張等原因，我國普通鐵路接觸網施工不可能在軌道工程竣工后才開始，這經常造成接觸網幾何參數隨軌道幾何參數變化而大量、反復重新調整。高速鐵路接觸網工程施工需迫切解決的主要問題是:如何運用系統工程的思想和方法，研究優化施工組織設計方案和施工工藝工法，在工期緊張、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，并避免發生以往普通鐵路接觸網隨軌道幾何參數變化而大量反復調整的現象。《鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(300～350 km/h部分)》(TG/04—2009)［3］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充要條件。

1.2 在高速鐵路接觸網工程中應用精測網

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、接觸網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)基樁通常分別設置在橋梁防撞墻和隧道電纜槽的線路側面;路基地段的軌道控制網(CPⅢ)基樁一般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，可以精確計算確定接觸網支柱側面限界、支柱基礎面相對于低軌面的高差、外軌超高等，作為接觸網施工和復核站前專業施工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埋槽道、錨栓、下錨斷面位置，可核查路基、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垂直線路中心線偏差及上部孔位的準確性、隧道內吊柱及錨栓的施工偏差，可測量并計算吊弦長度。在接觸網聯調聯試過程中，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。

京津城際鐵路接觸網下部工程施工在路基、軌道尚未穩定的情況下，全線約5 000根接觸網H形鋼柱基礎以精測網為基準，采用全站儀對其高程精確定位。合武高速鐵路接觸網施工利用精測網數據和相關資料進行精確測量，與站前工程進行交叉施工，在線、橋、隧基本成形還沒有上砟鋪軌之前完成了大量的工作。

2 首次提出接觸線平直度要求，實現接觸線的高平順性

接觸線平順性包括接觸線相對軌面的高度、接觸線平直度等要求。與軌道“長波”、“短波”高平順性要求類似，一個工程項目全線的接觸線(“長波”)、局部接觸線(“短波”)、相鄰局部接觸線之間均應達到高平順。

2.1 接觸線相對軌面的高度

《高鐵電牽施工指南》對接觸線相對軌面的高度的相關要求如下。

(1)軌道調整完成后，接觸線懸掛點距軌面的高度應符合設計要求(全線數百乃至上千米的“長波”)，施工允許偏差±30 mm，且應同時符合下列(局部、“短波”)要求:

①相鄰跨距(100 m左右的“短波”)接觸線高度變化允許偏差不得大于20 mm(不超出如圖1所示陰影范圍)，即:本跨距與相鄰跨距接觸線高度變化趨勢相同(同向)時，本跨距兩懸掛點接觸線高度允許偏差±20 mm;本跨距與相鄰跨距接觸線高度變化趨勢不同(異向)時，本跨距兩懸掛點接觸線高度允許偏差±10 mm。

圖1 相鄰跨距接觸線高度變化允許偏差示意

②1個跨距內(50 m左右的“短波”)兩相鄰吊弦處的接觸線高度差不得大于10 mm。

③定位點兩側第1吊弦范圍內(10 m左右的“短波”)接觸線高度應相等，相對該定位點的接觸線高度施工允許偏差±10 mm，且不得出現“V”形(圖2)，以免該定位點處的弓網動態接觸力超標。

圖2 定位點兩側第1吊弦范圍內接觸線高度施工允許偏差范圍示意

(2)接觸線工作支懸掛點高度變化時，時速250 km接觸線坡度不得大于1‰，坡度變化率不得大于0.5‰;時速300 km及以上接觸線坡度為0。

施工時應高度重視接觸線坡度變化率。為避免列車通過軌道變坡點時產生不利于列車運行的車輛振動和局部加速度，軌道線路縱斷面上的變坡點處不允許形成折線，而應采用豎曲線。與輪軌關系類似，接觸線的高度發生變化時(如接觸網在低凈空立交橋下通過)，在變坡點處，接觸線高度應以緩和曲線形式過渡，接觸線的坡度不允許從0(即接觸線平行于軌面)突然轉換到某個較大的坡度值，即接觸線坡度變化率應符合設計要求。

2.2 接觸線平直度

《高鐵電牽施工指南》首次提出接觸線平直度要求，以使接觸懸掛具有良好的靜態特性，為達到設計要求的接觸懸掛動態性能奠定基礎。

最先在高速鐵路采用銅鎂合金接觸線的德國，曾因銅鎂合金接觸線架設張力小于工廠繞線張力導致接觸線出現大量硬彎，列車高速運行時產生大量電弧。銅鎂合金接觸線的硬度大，其出現硬彎后難以整治到滿足列車高速運行時的弓網受流要求，因此不得不整錨段更換。德國鐵路公司與工程總包公司、接觸線生產廠家等共同對此深入研究認為:“0.1 mm/m及以上硬彎的銅鎂合金接觸線不能滿足列車運行時速300 km及以上要求，采用銅鎂合金接觸線專用整直器使硬彎不大于0.1 mm/m后，電弧不再產生。”我國高速鐵路建設實踐證明，接觸網工程不論采用銅鎂或銅錫合金接觸線，只要嚴格遵照《高鐵電牽施工指南》對接觸線架設的相關要求，接觸線硬彎不大于0.1 mm/m平直度可以達到。

(1)架設前應根據恒張力架線車類型、接觸線類型要求在恒張力架線車上安裝接觸線調直器。

(2)接觸線應采用恒張力架線，架線張力應根據恒張力架線車類型、線材材質等因素選取，且不應小于繞線張力，架線張力偏差不得大于8%。

(3)接觸線架線速度宜為3～5 km/h并應保持勻速，中途不應停車。

(4)接觸線架設應在每個跨距內均勻懸掛不少于4個帶有滑輪的工具吊弦。

(5)接觸線架設完成后，應使用接觸線專用檢測尺和塞尺對接觸線平直度進行檢測，每300 m檢測1處，最大空氣間隙(即接觸線平直度)不應大于0.1 mm/m。

(6)接觸線架設完成后，應在48 h內安裝中心錨結和定位器，以防接觸線新線蠕變過程中發生扭面。

接觸線架設前應檢查放線架的線軸直徑是否與線盤的軸孔匹配，以免間隙過大而導致放線后產生硬彎;架線作業人員應訓練有素并成立專門的架線作業組;接觸線架設應連續進行，不應走走停停，否則制動線盤或停車后啟動時，因線盤慣性易導致接觸線硬彎且無法完全整直(速度變化導致線盤張力變化。如果單位時間的速度變化量超過一定范圍，將導致線盤張力變化過大)。

3 高度重視高速接觸網特性，實現接觸網結構高穩定性

除重載電氣列車外，我國普通鐵路電氣列車取流一般小于400 A。與普通鐵路相比，高速鐵路接觸網工作電流和短路電流成倍增加、接觸懸掛振動的幅度和頻率顯著加大;線材、零部件及電氣設備更加容易發熱燒損;接觸網部件間的電位差更大，更易出現打火花等。例如，16輛編組的CRH3型動車組在運行時速300 km時，總裝機容量約23 400 kVA，單車電流約936 A;時速350 km時，總裝機容量約29 500 kVA，單車電流約1 180 A;時速380 km與350 km相比，速度增加約8.6%，電流增大約20%。

3.1 緊固力矩與導流能力

高速鐵路如果出現接觸網(吊弦、定位等)線夾松動、墊片丟失等，后果將比普通鐵路更加嚴重。例如，某高速鐵路因為接觸線電連接線夾壓接不牢脫落，發生多起弓網故障、中斷列車供電。

電力脂不僅在線索與線夾之間起潤滑作用，而且能加強它們間的電氣接觸和導流能力。因此，德國鐵路要求在可能出現大電流(或短路電流)的接觸網連接處涂電力脂。

為確保高速鐵路電氣主導電回路的導電能力、實現接觸網結構高穩定性，《高鐵電牽施工指南》一是要求“所有預配件、零部件中螺栓應采用力矩扳手緊固，緊固力矩、防松措施應符合設計或產品技術要求。”二是要求除吊弦壓接套管外，吊弦線夾、電連接線夾、定位線夾、其他在正常和短路情況下通過大電流的線夾以及開關觸頭間，均必須在其與線索的接觸面處先除去臟污，然后涂抹導電脂;在預配腕臂時，平腕臂管、斜腕臂管和定位管的螺紋上也要涂抹上薄薄一層導電脂。

3.2 溫度變化與結構穩定

溫度變化將引起金屬導體熱脹冷縮，大電流通過金屬導體而發熱是接觸網的重要特性之一。溫度變化時，接觸網結構應保持穩定，其幾何位置不得超出規定范圍。我國北方地區最低氣溫可達-40℃，接觸網正常工作時可允許銅合金接觸線溫度最大升高到80℃，接觸線溫度變化可達120 K(即-40℃至+80℃)，因此，《高鐵電牽施工指南》要求腕臂和定位裝置、下錨補償裝置、承力索中心錨結、電連接線和開關引線等的安裝均應考慮接觸懸掛的線索達到最大允許溫度時的情況。例如，《高鐵電牽施工指南》首次要求承力索中心錨結繩按設計安裝曲線施工。此量化規定比以往“承力索中心錨結繩弛度應小于或等于所在跨距承力索的弛度”的定性要求更嚴，可避免最低氣溫時承力索中錨繩的張力過大而影響中錨柱的安全。

4 充分研究定位裝置結構特點，實現接觸網運行高可靠性

定位裝置是列車運行中與受電弓最接近的部件之一，不妨礙受電弓順利通過是對定位器最基本的要求。我國高速鐵路設計一般采用限位定位裝置。限位定位裝置的功能之一是防止因定位器的過度抬升造成打弓。限位定位器的限位間隙或坡度太大，則列車高速運行時，定位點處弓網接觸力將可能過大、接觸線和受電弓磨損加劇;限位定位器的限位間隙或坡度偏小，則接觸線在標準允許的正常范圍內抬升時，定位器限位功能也可能起作用，使定位點處弓網接觸力過大、接觸線和受電弓磨損加劇。因此，《高鐵電牽施工指南》規定:限位定位器傾斜度與定位管的坡度應符合設計要求，限位間隙允許偏差為±1 mm。

5 不斷加強弓網靜態檢測力度，實現接觸網運營高安全性

國內外多年的理論研究、試驗和工程實踐表明，接觸網靜態特性優異是保證接觸網動態特性良好的先決條件，受電弓滑行速度越快，對接觸網的靜態特性要求就越高。接觸網工程竣工后應先進行靜態特性檢測。若靜態檢測出的缺陷沒有被消除時，則動態檢測該處所時同樣會出現質量缺陷。因此，《高鐵電牽施工指南》規定:接觸網工程竣工后，應采用非接觸式接觸網檢測車或綜合檢測列車對接觸網幾何參數進行檢測。非接觸式接觸網檢測車運行時速宜為20～80 km，綜合檢測列車檢測前應用接觸網檢測車對接觸網空間安全參數進行復核，運行時速80～160 km。

上述規定與《客貨共線鐵路電力牽引供電工程施工技術指南》［4］有關接觸網靜態檢測的主要區別如表1所示。

表1 高速鐵路與普通鐵路有關接觸網靜態檢測的主要區別

6 結語

我國鐵路通過自主創新、集成創新和引進消化吸收再創新，在世界上首次實現了接觸網與兩列時速350 km動車組聯掛升雙弓運行。我國石太、合寧及其他時速250 km高速鐵路按時速250 km動車組和雙層集裝箱貨物列車共線運行設計，這在世界上沒有先例，但截至目前這些鐵路除進行過雙層集裝箱貨物列車運行試驗和弓網模擬外，均尚未大量運行雙層集裝箱貨物列車。因此，在各種工況(如最大允許運行風速)和接觸線高度6.45 m情況下，接觸網施工如何滿足受電弓動態包絡線要求，確保時速250 km動車組和雙層集裝箱貨物列車共線運行安全，將可能成為高速鐵路接觸網工程施工的研究課題。

［1］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.

［2］經規標準［2007］103號，客運專線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，2007.

［3］中華人民共和國鐵道部.TG/04—2009 鐵路客運專線技術管理辦法(試行)(300～350 km/h部分)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［4］經規標準［2008］30號，客貨共線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，2008.