不同供電制式對軌道交通線路隧道斷面的影響

孫 莉

(深圳市城市交通規劃設計研究中心有限公司，518034，深圳∥工程師)

某機場聯絡線是連接境內、外兩大國際機場，并同時提供過境功能的大運量快速軌道交通系統。該線列車最高速度擬選用140 km/h。全線長約51 km，其中境內段約25 km，境外段約26 km;共設車站4座，車站站間距較大;全線約有42 km線路擬采用地下形式。

對于供電制式的選擇，境外很多城市已經建成的、最高速度在140 km/h左右的快速軌道交通系統，如香港機場快線及西鐵線和東鐵線、法國巴黎機場鐵路、日本東京市郊鐵路、德國法蘭克福機場鐵路和伊朗德黑蘭郊區鐵路等，有采用DC 1 500 V直流制式的，也有采用AC 25 kV交流制式的。兩種供電制式各有優缺點。

一般來講，DC 1 500 V直流供電制式由于供電電壓低，使牽引變電所數量較多、供電系統投資較高;而AC 25 kV的供電電壓高，使牽引變電所數量較少、供電系統投資較少，但由于增加了車輛變壓器及整流器，使車輛價格、車輛重量及牽引能耗也相應增加，特別是由于供電電壓的升高而引起絕緣距離的增加，使隧道斷面增大，從而導致土建投資較高。本文將具體討論采用不同供電制式對軌道線路隧道斷面的影響程度，希望在量級上對兩種供電制式的土建工程投資差別做出判斷。

1 隧道斷面形狀的確定

1.1 相關案例

由于機場聯絡線最高速度為140 km/h，國內目前在建或已建成的地鐵線路就無可參考。香港機場線最高速度135 km/h與本線接近，有一定的參考價值。香港機場快線車輛高度比3 800 mm(大陸標準高度)稍低，其接觸網線最低高度為3 950 mm，比大陸普通80 km/h速度地鐵的最低高度4 040 mm稍低;香港機場快線圓形隧道直徑在為5.1～5.5 m，根據施工圖可見，其圓形隧道標準斷面的直徑為5.4 m。香港西鐵線雖然隧道較長，但由于隧道設計考慮了遠期貨物列車的通過能力，其圓形隧道直徑為7.6 m，無直接參考價值。通過尋找國內外類似的工程資料，發現各方面都類似于機場聯絡線情況的工程資料較少，故需要針對機場聯絡線工程的情況，對車輛高度、速度進行假設后，再對隧道斷面的大小進行研究。

1.2 對隧道斷面形狀的假設

在研究隧道斷面大小時，由于地質條件不同而導致施工方法的不同，有盾構圓形隧道斷面、礦山法馬蹄形隧道斷面、明挖矩形隧道斷面等。為了方便工程對比，本文假設兩種供電制式下全線都采用圓形隧道斷面。雖然這與實際情況有所差別，但考慮到對比涉及的因素太多，不可能面面俱到，只能去難就簡。通過本文對單種隧道斷面形狀的研究來確定兩種供電制式下的隧道斷面大小，以達到從總體上對工程投資差別的認識。

該機場聯絡線假設采用雙洞圓形隧道形式，雙洞之間設有連接通道。隧道斷面的大小取決于多項因素，包括:車輛限界、疏散和維修通道的寬度及所在地點的高度、架空接觸網的安裝高度和所需凈空高度等。某機場聯絡線假設的典型直線隧道斷面如圖1所示。

圖1 某機場聯絡線假設的典型直線隧道斷面

2 接觸網的形式和安裝特點

2.1 架空剛性接觸網

接觸網的架空剛性懸掛方式在城市郊區鐵路和地鐵、輕軌系統已得到了廣泛的應用。這主要得益于它與架空接觸網其他懸掛方式相比具有突出的優勢。就不同電壓制式的供電系統來說，目前世界上采用剛性懸掛接觸網的軌道交通大致上有直流1 500 V/750 V和交流25 kV等幾種制式。本文則主要從普遍采用的DC 1 500 V供電系統和AC 25 kV供電系統兩種制式，初步研究架空剛性接觸網在地鐵盾構圓形隧道中安裝所需的空間，進而分析兩種電壓制式下，剛性接觸網對圓形隧道建筑限界的影響。

剛性懸掛接觸網主要有鋁合金匯流排、接觸導線、絕緣元件和懸掛裝置等組成(如圖2)。其中鋁合金匯流排既作為固定接觸線的嵌體，同時又作為導電截面的一部分。這種懸掛方式根據線路通過能力及電流量的大小，又有單接觸線式和雙接觸線式兩種。根據鋁合金匯流排截面的不同又分為T型與Π型兩種。假設兩種供電制式的接觸網都采用“Π”型剛性懸掛形式。

圖2 接觸網Π型剛性懸掛結構示意圖

2.1.1 “Π”型剛性懸掛的特點

“Π”型剛性懸掛匯流排的當量截面積為1 200 mm2，相當于接觸網架空柔性懸掛方式的8根150 mm2硬銅絞線。其下嵌入傳統柔性懸掛接觸導線后，即等同于柔性懸掛方式的承力索、接觸導線和架空饋電線的作用。因而剛性懸掛的結構形式相對于傳統的柔性懸掛接觸網來講結構更為簡單、緊湊。

剛性懸掛接觸網處于無張力自然懸掛狀態。它依靠鋁合金匯流排的剛性來保持接觸導線的位置恒定，不需要像柔性懸掛設置重力下錨張力裝置，使懸掛結構變得更加簡單，節約了有限的隧道空間，也節約了投資成本。

由于剛性懸掛接觸網不存在張力作用問題，完全消除了突發的斷線事故之憂。同時，因剛性懸掛結構簡單，系統的安全性、穩定性及可維護性等均較柔性懸掛要好。故剛性懸掛接觸網提高了運營的安全、可靠性，同時也使維護變得更容易。

2.1.2 “Π”型剛性懸掛的形式

架空剛性接觸網在懸掛支持結構的形式上有多種實現方式，就“Π”型匯流排而言，隧道內主要有垂直式懸掛形式、水平腕臂懸掛形式和玻璃纖維絕緣棒式的懸掛形式等。垂直式懸掛形式的結構簡單緊湊、安裝空間小，尤其適用于凈空較低的圓形隧道;水平腕臂懸掛形式具有調節靈活方便的優點，主要用在矩形地下車站、隧道外的敞開區段和高架車站等處;玻璃纖維絕緣棒式的懸掛形式采用加強玻璃纖維樹脂材料的絕緣棒，其結構輕巧，適用于低凈空隧道內。

2.2 影響接觸網安裝空間的因素

確定剛性懸掛的安裝空間主要基于以下因素。

1)地鐵車輛限界:參考國內普通的車速80 km/h地鐵的直流電動車輛，其車輛高度為3 800 mm(以軌面起算，下同);交流電動車輛暫等同直流電動車輛考慮。

2)受電弓工作范圍及動態包絡線:參考深圳地鐵已建成的線路工程，碳滑板寬度為800 mm;受電弓弓頭全寬為1 550 mm，受電弓落弓后高度為3 873 mm。

3)接觸導線的最低懸掛高度:直流1 500 V制式的接觸導線在隧道內的最低懸掛高度為4 040 mm;交流25 kV制式需重新按計算確定。

4)空氣絕緣間隙要求:兩種電壓制式下，對空氣絕緣間隙的要求是不同的，應根據IEC913—1988《電力牽引架空線》和TB10009—98《鐵路電力牽引供電設計規范》的規定辦理。

5)絕緣等級的要求:兩種電壓制式下，接觸網絕緣子在隧道內的泄露距離不同。DC 1500 V要求絕緣子的泄露距離不小于250 mm;AC 25 kV要求絕緣子的泄露距離不小于1 200 mm。

6)不同懸掛結構形式的安裝要求:不同懸掛結構形式在安裝尺寸上的要求不一。對兩種電壓制式的剛性接觸網則主要是匯流排的類型和絕緣子的安裝尺寸不同。

7)施工誤差:主要是剛性懸掛的調整安裝誤差和線路(主要是軌道高度)、土建的施工誤差等。

2.3 確定接觸網安裝的范圍

垂直式懸掛在深圳地鐵已建成的速度為80 km/h的線路工程中得到廣泛應用，在國內其他城市中亦有在速度120 km/h線路上的使用案例。根據機場聯絡線速度為140 km/h及以上的要求，垂直式剛性懸掛結構需作進一步試驗研究。以下則著重對其在圓形盾構隧道的安裝空間進行粗略的分析。

1)垂直式懸掛裝置的安裝范圍如圖3所示。

圖3 垂直式懸掛裝置的安裝范圍

2)兩種電壓制式下接觸導線最低懸掛高度的確定?？紤]到車輛高度、車輛動態包絡線高度(提升裕量)、受電弓落弓高度、接觸導線到車輛包絡線的空氣絕緣距離、匯流排在跨中的弛度、匯流排的施工誤差、軌道的施工誤差等多種因素的影響，DC 1 500 V電壓制式下接觸導線距軌面的最低懸掛高度一般為4 040 mm，DC 1 500 V接觸導線到車輛包絡線的空氣距離為150 mm，AC 25 kV接觸導線到車輛包絡線的空氣距離為300 mm。所以，AC 25 kV電壓制式下接觸導線距軌面的最低懸掛高度取4 040+300－150=4 190 mm。

3)兩種電壓制式下剛性接觸網安裝高度的確定見表1。

表1 兩種電壓制式下Π型剛性接觸網的安裝尺寸 mm

3 兩種供電制式下隧道開挖量對比

通過上述的粗略分析和計算可知，DC 1 500 V供電制式下垂直式剛性懸掛，需要的圓形隧道最小直徑約為5 400 mm;AC 25 kV供電制式下垂直式剛性懸掛，需要的隧道最小直徑約為5 900～6 050 mm。即在交流供電制式下的絕緣子采用350 mm的安裝長度時，其隧道直徑比直流供電制式下直徑約大500 mm;在交流供電制式下絕緣子采用500 mm的安裝長度時，其隧道直徑比直流供電制式下直徑約大650 mm。

DC 1 500 V制式下隧道的內直徑為5 400 mm，盾構壁厚和開挖余量暫按300 mm計，則開挖總直徑為5 400 mm+2×300 mm=6 000 mm。

AC 25 kV制式下隧道的內直徑最小為5 900 mm，盾構壁厚和開挖余量暫按300 mm計，則開挖總直徑為5 900 mm+2×300 mm=6 500 mm;AC 25 kV制式下隧道的內直徑最大為6 050 mm，盾構壁厚和開挖余量暫按300 mm計，則開挖總直徑為6 050 mm+2×300 mm=6 650 mm。

在車站范圍內，無論采用何種供電制式，若采用明挖形式，則可認為開挖量相同。同樣，在明挖隧道區段，也認為開挖量相同。

全線4座車站平均長度假設為250 m，總長度則為1 km，故全線有41 km線路擬采用地下隧道形式，共計單洞隧道總長度為82 km。兩種供電制式下隧道開挖量見表2所示。

表2 兩種供電制式下的隧道開挖量

由表2可知，AC 25 kV供電制式比DC 1 500 V供電制式的隧道土方開挖量增加40～53萬m3。

4 結語

通過以上分析可知，對于最高速度為140 km/h的機場聯絡線，在采用架空剛性懸掛接觸網的前提下，AC 25 kV供電制式與DC 1 500 V供電制式相比，隧道土方開挖量約增加40～53萬m3。

因機場聯絡線有21 km位于境外，境外的土建造價相當于境內的2～3倍，所以采用交流制式與直流制式相比的土建造價差別將進一步擴大。因此，在不考慮其它因素單從本文所定的隧道尺寸來看，牽引供電制式采用DC 1 500 V可節省土建投資。

據相關資料，國內已運營的最高車速120 km/h的廣州地鐵3號線采用5.4 m直徑的常規隧道，在車速接近最高速度時，乘客有壓力變化感覺;與本機場聯絡線最高車速相近的香港機場線采用的是5.1～5.5 m直徑的隧道，但隧道長度較短，乘客沒有明顯感覺。限于專業的原因，本文未能考慮列車活塞風對隧道斷面的影響，在實際應用中，兩種供電制式下的隧道斷面的具體尺寸尚需結合空氣動力學效應等影響隧道斷面的因素作進一步的探討。

［1］ 宗傳苓，覃矞，孫莉，等.港深機場軌道聯絡線前期研究［R］.深圳:深圳城市交通規劃研究中心，2009.

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