不同供電制式對(duì)軌道交通線路隧道斷面的影響

孫 莉

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心有限公司，518034，深圳∥工程師)

某機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線是連接境內(nèi)、外兩大國(guó)際機(jī)場(chǎng)，并同時(shí)提供過境功能的大運(yùn)量快速軌道交通系統(tǒng)。該線列車最高速度擬選用140 km/h。全線長(zhǎng)約51 km，其中境內(nèi)段約25 km，境外段約26 km;共設(shè)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(duì)于供電制式的選擇，境外很多城市已經(jīng)建成的、最高速度在140 km/h左右的快速軌道交通系統(tǒng)，如香港機(jī)場(chǎng)快線及西鐵線和東鐵線、法國(guó)巴黎機(jī)場(chǎng)鐵路、日本東京市郊鐵路、德國(guó)法蘭克福機(jī)場(chǎng)鐵路和伊朗德黑蘭郊區(qū)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(yōu)缺點(diǎn)。

一般來講，DC 1 500 V直流供電制式由于供電電壓低，使?fàn)恳冸娝鶖?shù)量較多、供電系統(tǒng)投資較高;而AC 25 kV的供電電壓高，使?fàn)恳冸娝鶖?shù)量較少、供電系統(tǒng)投資較少，但由于增加了車輛變壓器及整流器，使車輛價(jià)格、車輛重量及牽引能耗也相應(yīng)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(dǎo)致土建投資較高。本文將具體討論采用不同供電制式對(duì)軌道線路隧道斷面的影響程度，希望在量級(jí)上對(duì)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(guān)案例

由于機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線最高速度為140 km/h，國(guó)內(nèi)目前在建或已建成的地鐵線路就無可參考。香港機(jī)場(chǎng)線最高速度135 km/h與本線接近，有一定的參考價(jià)值。香港機(jī)場(chǎng)快線車輛高度比3 800 mm(大陸標(biāo)準(zhǔn)高度)稍低，其接觸網(wǎng)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(jī)場(chǎng)快線圓形隧道直徑在為5.1～5.5 m，根據(jù)施工圖可見，其圓形隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面的直徑為5.4 m。香港西鐵線雖然隧道較長(zhǎng)，但由于隧道設(shè)計(jì)考慮了遠(yuǎn)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(jià)值。通過尋找國(guó)內(nèi)外類似的工程資料，發(fā)現(xiàn)各方面都類似于機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線情況的工程資料較少，故需要針對(duì)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線工程的情況，對(duì)車輛高度、速度進(jìn)行假設(shè)后，再對(duì)隧道斷面的大小進(jìn)行研究。

1.2 對(duì)隧道斷面形狀的假設(shè)

在研究隧道斷面大小時(shí)，由于地質(zhì)條件不同而導(dǎo)致施工方法的不同，有盾構(gòu)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(duì)比，本文假設(shè)兩種供電制式下全線都采用圓形隧道斷面。雖然這與實(shí)際情況有所差別，但考慮到對(duì)比涉及的因素太多，不可能面面俱到，只能去難就簡(jiǎn)。通過本文對(duì)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(dá)到從總體上對(duì)工程投資差別的認(rèn)識(shí)。

該機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線假設(shè)采用雙洞圓形隧道形式，雙洞之間設(shè)有連接通道。隧道斷面的大小取決于多項(xiàng)因素，包括:車輛限界、疏散和維修通道的寬度及所在地點(diǎn)的高度、架空接觸網(wǎng)的安裝高度和所需凈空高度等。某機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線假設(shè)的典型直線隧道斷面如圖1所示。

圖1 某機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線假設(shè)的典型直線隧道斷面

2 接觸網(wǎng)的形式和安裝特點(diǎn)

2.1 架空剛性接觸網(wǎng)

接觸網(wǎng)的架空剛性懸掛方式在城市郊區(qū)鐵路和地鐵、輕軌系統(tǒng)已得到了廣泛的應(yīng)用。這主要得益于它與架空接觸網(wǎng)其他懸掛方式相比具有突出的優(yōu)勢(shì)。就不同電壓制式的供電系統(tǒng)來說，目前世界上采用剛性懸掛接觸網(wǎng)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(tǒng)和AC 25 kV供電系統(tǒng)兩種制式，初步研究架空剛性接觸網(wǎng)在地鐵盾構(gòu)圓形隧道中安裝所需的空間，進(jìn)而分析兩種電壓制式下，剛性接觸網(wǎng)對(duì)圓形隧道建筑限界的影響。

剛性懸掛接觸網(wǎng)主要有鋁合金匯流排、接觸導(dǎo)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(shí)又作為導(dǎo)電截面的一部分。這種懸掛方式根據(jù)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(jù)鋁合金匯流排截面的不同又分為T型與Π型兩種。假設(shè)兩種供電制式的接觸網(wǎng)都采用“Π”型剛性懸掛形式。

圖2 接觸網(wǎng)Π型剛性懸掛結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 “Π”型剛性懸掛的特點(diǎn)

“Π”型剛性懸掛匯流排的當(dāng)量截面積為1 200 mm2，相當(dāng)于接觸網(wǎng)架空柔性懸掛方式的8根150 mm2硬銅絞線。其下嵌入傳統(tǒng)柔性懸掛接觸導(dǎo)線后，即等同于柔性懸掛方式的承力索、接觸導(dǎo)線和架空饋電線的作用。因而剛性懸掛的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)于傳統(tǒng)的柔性懸掛接觸網(wǎng)來講結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單、緊湊。

剛性懸掛接觸網(wǎng)處于無張力自然懸掛狀態(tài)。它依靠鋁合金匯流排的剛性來保持接觸導(dǎo)線的位置恒定，不需要像柔性懸掛設(shè)置重力下錨張力裝置，使懸掛結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，節(jié)約了有限的隧道空間，也節(jié)約了投資成本。

由于剛性懸掛接觸網(wǎng)不存在張力作用問題，完全消除了突發(fā)的斷線事故之憂。同時(shí)，因剛性懸掛結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性及可維護(hù)性等均較柔性懸掛要好。故剛性懸掛接觸網(wǎng)提高了運(yùn)營(yíng)的安全、可靠性，同時(shí)也使維護(hù)變得更容易。

2.1.2 “Π”型剛性懸掛的形式

架空剛性接觸網(wǎng)在懸掛支持結(jié)構(gòu)的形式上有多種實(shí)現(xiàn)方式，就“Π”型匯流排而言，隧道內(nèi)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diào)節(jié)靈活方便的優(yōu)點(diǎn)，主要用在矩形地下車站、隧道外的敞開區(qū)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(qiáng)玻璃纖維樹脂材料的絕緣棒，其結(jié)構(gòu)輕巧，適用于低凈空隧道內(nèi)。

2.2 影響接觸網(wǎng)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(guó)內(nèi)普通的車速80 km/h地鐵的直流電動(dòng)車輛，其車輛高度為3 800 mm(以軌面起算，下同);交流電動(dòng)車輛暫等同直流電動(dòng)車輛考慮。

2)受電弓工作范圍及動(dòng)態(tài)包絡(luò)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(dǎo)線的最低懸掛高度:直流1 500 V制式的接觸導(dǎo)線在隧道內(nèi)的最低懸掛高度為4 040 mm;交流25 kV制式需重新按計(jì)算確定。

4)空氣絕緣間隙要求:兩種電壓制式下，對(duì)空氣絕緣間隙的要求是不同的，應(yīng)根據(jù)IEC913—1988《電力牽引架空線》和TB10009—98《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定辦理。

5)絕緣等級(jí)的要求:兩種電壓制式下，接觸網(wǎng)絕緣子在隧道內(nèi)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(jié)構(gòu)形式的安裝要求:不同懸掛結(jié)構(gòu)形式在安裝尺寸上的要求不一。對(duì)兩種電壓制式的剛性接觸網(wǎng)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(diào)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(wǎng)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(yīng)用，在國(guó)內(nèi)其他城市中亦有在速度120 km/h線路上的使用案例。根據(jù)機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線速度為140 km/h及以上的要求，垂直式剛性懸掛結(jié)構(gòu)需作進(jìn)一步試驗(yàn)研究。以下則著重對(duì)其在圓形盾構(gòu)隧道的安裝空間進(jìn)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(dǎo)線最低懸掛高度的確定。考慮到車輛高度、車輛動(dòng)態(tài)包絡(luò)線高度(提升裕量)、受電弓落弓高度、接觸導(dǎo)線到車輛包絡(luò)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(dǎo)線距軌面的最低懸掛高度一般為4 040 mm，DC 1 500 V接觸導(dǎo)線到車輛包絡(luò)線的空氣距離為150 mm，AC 25 kV接觸導(dǎo)線到車輛包絡(luò)線的空氣距離為300 mm。所以，AC 25 kV電壓制式下接觸導(dǎo)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(wǎng)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(wǎng)的安裝尺寸 mm

3 兩種供電制式下隧道開挖量對(duì)比

通過上述的粗略分析和計(jì)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(zhǎng)度時(shí)，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(zhǎng)度時(shí)，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(nèi)直徑為5 400 mm，盾構(gòu)壁厚和開挖余量暫按300 mm計(jì)，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(nèi)直徑最小為5 900 mm，盾構(gòu)壁厚和開挖余量暫按300 mm計(jì)，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(nèi)直徑最大為6 050 mm，盾構(gòu)壁厚和開挖余量暫按300 mm計(jì)，則開挖總直徑為6 050 mm+2×300 mm=6 650 mm。

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

全線4座車站平均長(zhǎng)度假設(shè)為250 m，總長(zhǎng)度則為1 km，故全線有41 km線路擬采用地下隧道形式，共計(jì)單洞隧道總長(zhǎng)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(wàn)m3。

4 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可知，對(duì)于最高速度為140 km/h的機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線，在采用架空剛性懸掛接觸網(wǎng)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(wàn)m3。

因機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線有21 km位于境外，境外的土建造價(jià)相當(dāng)于境內(nèi)的2～3倍，所以采用交流制式與直流制式相比的土建造價(jià)差別將進(jìn)一步擴(kuò)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(jié)省土建投資。

據(jù)相關(guān)資料，國(guó)內(nèi)已運(yùn)營(yíng)的最高車速120 km/h的廣州地鐵3號(hào)線采用5.4 m直徑的常規(guī)隧道，在車速接近最高速度時(shí)，乘客有壓力變化感覺;與本機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線最高車速相近的香港機(jī)場(chǎng)線采用的是5.1～5.5 m直徑的隧道，但隧道長(zhǎng)度較短，乘客沒有明顯感覺。限于專業(yè)的原因，本文未能考慮列車活塞風(fēng)對(duì)隧道斷面的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，兩種供電制式下的隧道斷面的具體尺寸尚需結(jié)合空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)等影響隧道斷面的因素作進(jìn)一步的探討。

［1］ 宗傳苓，覃矞，孫莉，等.港深機(jī)場(chǎng)軌道聯(lián)絡(luò)線前期研究［R］.深圳:深圳城市交通規(guī)劃研究中心，2009.

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