西安地鐵地裂縫帶接觸網技術研究

唐曉嵐

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

由于自然和人為等因素的作用和影響,自20世紀70年代后期以來,西安市區先后出現了13條地裂縫帶,自北向南依次編為f0～f12,同時還有明顯活動的次級地裂縫f6′、f9′。其中有10條地裂縫與西安地鐵2號線相交,有5條地裂縫與西安地鐵1號線相交8次,8條共15次穿越西安地鐵3號線,其活動時間之長和規模之大,尚屬罕見。

地裂縫是西安地鐵獨特的地質現象,因其不定期活動,將導致地裂縫處結構下沉,這是西安地鐵建設的技術難點問題,也是國內外地鐵建設史上極為罕見的技術難題,在國內外城市軌道交通工程中,目前還沒有可借鑒的資料。為滿足西安地鐵2號線2011年9月開通運營的要求,如何盡快解決架空剛性接觸網安全可靠、經濟合理地通過地裂縫帶,以及架空剛性接觸網在地裂縫活動過程中的安裝及調整,對于保證工程建設是非常迫切的。

為此，結合地裂縫處結構及軌道的研究處理措施,對地裂縫地段架空剛性接觸網技術方案進行了深入的分析和研究。

2 地裂縫分布及結構、軌道處理措施

根據鐵道第一勘察設計院、長安大學等單位針對西安地鐵2號線所做的《西安市軌道交通2號線穿過地裂縫帶的結構措施專題研究》結論,地裂縫的基本活動方式是上盤下降、下盤相對上升,同時還產生近南北向的拉張和微量的扭動共3方面的活動特征。因此地裂縫的活動一般具有三維變形特征：即垂直位移、水平引張位移和水平扭動位移。而地裂縫水平引張位移、扭動總量很小,可以忽略不計。

地裂縫地段的結構措施應保證百年安全運行,必須準確估算各地裂縫在未來百年的最大垂直位移量,在此基礎上確定地裂縫地段設計垂直位移量,各地裂縫百年預估垂直位移極限值如表1所示。

表1 各地裂縫百年預估垂直位移極限值 mm

注：Amax為地鐵使用期內各條地裂縫與地鐵2號線交匯點的最大垂直位移量估算值。

西安地鐵2號線經過地裂縫地段隧道結構主要采用淺埋暗挖法施工的擴大馬蹄形襯砌斷面,針對不同地裂縫結構預留高度為400～600 mm,地裂縫結構設防段長度分別為75～200 m。具體針對西安地鐵2號線工程在不同地裂縫區段的結構預留高度及設防段長度見表2。

結合西安地鐵2號線沿線各條地裂縫未來最大垂直位移量和地裂縫帶的設防長度等資料,提出結構處理措施如下。

(1)地鐵2號線經過地裂縫地段隧道結構主要采用淺埋暗挖法施工,結構斷面的類型主要為擴大高度的馬蹄形斷面和極少部分矩形斷面。

(2)對地裂縫的運動變化只考慮垂直地面向下運動一種方式,在其他方向的運動變化均可忽略不計。

(3)隧道向下運動的結構處理按照不少于100年地裂縫下沉量預留高度。

2號線地裂縫分布及結構斷面處理情況見表2。

表2 2號線地裂縫分布及結構斷面處理情況

根據《西安市地鐵2號線地裂縫地段軌道綜合技術研究》結論,地裂縫設防處軌道采用可調式框架板整體道床,框架板下所設厚50 mm的調高墊板及厚100 mm的調高墊塊可與扣件調高量組合設置,從而實現從1～500 mm之間的連續調高,根據地裂縫的變形量,通過扣件鐵墊板下加設調高墊板實現調整,從而保證軌面高程不變。

綜上所述,西安地裂縫的主要活動方式是垂直錯動,它具有隨時間累積的特征,因此地裂縫帶接觸網應主動適應變形,在土建結構基礎上設防,在軌道高程不變的情況下,僅只考慮地裂縫的豎向垂直位移量,橫向調整量很小僅考慮調整誤差量。因此，在確定架空剛性接觸網通過地裂縫帶的技術方案時,首先應結合各條地裂縫結構處理措施、結構斷面類型、結構設防段長度及結構斷面預留高度進行分析研究。

3 地裂縫帶接觸網主要技術方案

3.1 地裂縫帶接觸網設置原則

通過以上對地裂縫的分布情況和地裂縫活動規律、地裂縫帶結構、軌道專業的各種處理措施詳細分析后,認為在地裂縫設防段架設架空剛性接觸網,需要處理好地裂縫設防段與正常隧道斷面區段的銜接過渡問題，以及設防段接觸網的特殊結構形式、零部件結構問題等,并確定了以下設計原則。

(1)根據f0～f12各條地裂縫的不同活動規律、結構的設防長度,設置與之相適應的剛性接觸網獨立的小錨段,利用剛性錨段關節將正常區段接觸網與地裂縫設防段接觸網從機械上安全隔離。

(2)為了適應地裂縫設防段結構垂直方向的變化,采用沿垂直方向可調整吊柱結構,以滿足地裂縫設防段隧道整體下沉變化后將接觸網導高向上調整的需要。

(3)根據地裂縫設防段結構斷面預留高度,接觸網懸掛支持結構在設計時考慮一定的調整量。

3.2 地裂縫設防段接觸網錨段長度方案

地裂縫設防段接觸網隨著地裂縫的3種活動方式同樣存在著相同的運動,如果直接與非設防段接觸網采用直接連接的方式,在地裂縫劇烈活動時或者未及時調整設防段接觸網安裝時,容易造成對正常段接觸網的損傷及破壞,擴大接觸網事故范圍。根據地裂縫地段接觸網設置原則,為了防止以上問題的發生,將地裂縫設防段與正常段的接觸網相對獨立,使得地裂縫設防段接觸網可以隨著地裂縫的各種活動自由地適應地裂縫活動變化。由于兩段接觸網相互獨立、互不影響,因此避免了在地裂縫劇烈活動時,接觸網內部結構應力突變而造成結構破壞。

結合各地裂縫結構設防長度,地裂縫設防段接觸網錨段長度設置有以下2個方案。

方案一：采用正常段剛性接觸網錨段長度250 m。

方案二：采用針對地裂縫帶結構設防長度的不同,剛性接觸網設置不同錨段長度獨立小錨段,該錨段與兩邊相鄰的錨段通過錨段關節實現非設防段與設防段之間過渡連接,在錨段關節內通過設置的軟銅絞線實現兩者之間的電氣連接,詳見圖1。

圖1 接觸網獨立小錨段跨越地裂縫設防段布置方案(單位：m)

根據表2中可知,各地裂縫設防段結構總長度為75～200 m,若采用方案一,對于地裂縫設防段結構總長度較小的地裂縫,接觸網錨段中有大部分懸掛點需設在正常段上,存在當地裂縫劇烈活動時或者未及時調整設防段接觸網安裝時,造成對正常段接觸網的損傷及破壞,擴大接觸網事故范圍。

采用方案二可以縮小地裂縫活動后對架空剛性接觸網的影響范圍及運營維護調整工作量,獨立小錨段的具體長度根據隧道結構的具體設防長度,同時需考慮剛性接觸網布置技術要求及地裂縫活動時對正常錨段產生的影響最小等因素,最終確定的獨立小錨段長度的計算一般按如下公式計算

式中LWS——地裂縫帶接觸網獨立小錨段長度,m;

LJS——地裂縫帶隧道結構設防長度,m。

兩方案優缺點比較見表3。

表3 方案優缺點比較

經以上分析比選,地裂縫設防段接觸網錨段長度最終采用方案二,接觸網獨立小錨段跨越地裂縫設防段的方案如圖1所示,各地裂縫設防段剛性接觸網錨段長度見表4。

3.3 地裂縫設防段剛性接觸網結構方案

目前地鐵地下段接觸網懸掛形式一般采用架空剛性懸掛,架空剛性懸掛從結構安裝形式上主要分2類,一類是在國內地鐵如廣州地鐵，上海地鐵，成都地鐵，西安地鐵1、2號線等采用的垂直懸掛方式,還有一類是瑞士FurrerFrey公司使用的水平腕臂方式。結合各地裂縫結構預留高度,對以下2個方案進行分析比選。

表4 地裂縫設防段剛性接觸網錨段長度

方案一：可調吊柱垂直懸掛方式

該安裝方式為隧道安裝凈空>4 800 mm時采用,而地裂縫設防段隧道凈空均為高凈空,可調吊柱垂直懸掛方式如圖2所示。

圖2 可調吊柱垂直懸掛方式

方案二：水平腕臂方式

該安裝方式根據隧道斷面安裝凈空的不同,采用隧道斷面高度相匹配的吊柱,水平腕臂安裝方式如圖3所示。

圖3 水平腕臂方式

兩方案優缺點比較見表5。

表5 方案優缺點比較

對于地裂縫區段,為了維護管理的方便簡單以及接觸網安裝的整體美觀協調,在確保地裂縫設防段特殊要求的前提下,對跨越地裂縫設防段的小錨段內的剛性接觸網應盡量采用與正常段結構類型相似的安裝方式。根據對地裂縫設防處隧道斷面的歸納整理,地裂縫設防段在地鐵運行初期的隧道斷面接觸網安裝凈空均為大于4 800 mm的斷面類型,同時如表2所示,地裂縫處結構斷面預留最大高度為600 mm,方案一能更好的適應地裂縫活動后凈空的變化。方案一采用上、下可調整安裝高度的可調吊柱,可調吊柱的調整范圍為0～600 mm,以滿足地裂縫設防段隧道整體下沉變化后將接觸網導高向上調整的需要。

綜上所述,地裂縫設防段剛性接觸網結構方案采用方案一,該方案繼承了傳統垂直懸掛剛性接觸網的所有優點功能,克服了調整范圍小不能滿足地裂縫設防段調整需求的缺點,在功能上完全滿足地裂縫帶接觸網調整量的需求。可調吊柱在調整前后對照安裝示意如圖4、圖5所示。

圖4 初期階段接觸網安裝示意

圖5 考慮地裂縫變形后接觸網安裝示意

4 運營、維護管理的方便性

由于架空剛性掛接觸網在地裂縫設防段設置獨立小錨段,與相鄰錨段通過錨段關節采用電纜連接,該方案錨段長度短,影響范圍小,從而避免由于地裂縫沉降引起對正常區段懸掛點的影響,大大減小了運營維護中因地裂縫變形而引起的接觸網大面積調整的工作量。

同時在地裂縫設防段接觸網結構采用可調吊柱安裝形式,可調吊柱底座在吊柱上較大范圍內上、下移動粗略調整導高,通過“T”形螺栓對導高做細微調整以滿足導高變化時調整需要,靈活地處理了地裂縫處接觸網因地裂縫變形量引起所需調整的相關項目。

總之,本設計方案適應地裂縫帶活動規律及現狀,滿足結構垂直位移百年沉降量,同時具有活動元件少,且支持結構簡單、可調吊柱具有水平和垂直雙向調節的功能,零部件較少、各零部件連接牢靠、數據變化小的優點,滿足因地裂縫處結構變化而引起的剛性懸掛拉出值和導高的調節,因此，無論是日常維護、事故搶修、更換接觸導線等,本方案的維護工作量要少得多,其維護成本也相應較低,且運行方便靈活,維護簡單且范圍小,為可行的處理方案。

5 結語

本研究成果已在西安地鐵2號線成功應用,西安地鐵2號線已于2010年9月開通運營,從現場施工安裝情況及運營現場測試數據來看,研究成果符合工程實際情況,施工安裝方便、調整靈活,同時運營維護工作量小,減少了運營維護費用。

實踐證明,研究成果有效地解決了西安地鐵工程剛性接觸網系統關鍵技術及接觸網跨越地裂縫帶設計、施工和運營的難題,同時,也為西安地鐵后續工程及今后類似工程設計提供借鑒。

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