青藏鐵路關角特長隧道內自動閉塞設計探討

薛長虹

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，蘭州 730000)

1 概述

1.1 關角隧道自然概況

青藏線西寧至格爾木段增建二線工程天棚站至察漢諾站站間距長達39.363 km。線路自天棚站引出，采用最大坡度9.5‰雙線繞行，進入關角隧道，關角特長隧道采用雙單線長32.605 km的隧道方案，線間距為40 m，出長隧道后，線間距由40 m漸變為5 m后，雙線接入察漢諾車站。關角隧道海拔高度3 900 m，隧道地理位置見圖1。

圖1 關角隧道地理位置(單位:km)

1.2 特長隧道對軌道電路的影響

影響軌道電路傳輸質量的因素包括道砟漏泄電導、鋼軌電阻、軌間電容、鋼軌電感等各種參數，可分為臨時性的影響和永久性的影響。臨時性的影響是指信號電流從一側鋼軌經扣件通過軌枕板表面的積水或其他污染物漏泄到另一側而造成道砟電阻變小，這種影響與氣候、環境有直接的關系，環境潮濕、道床污染嚴重則影響大，反之影響則會自動減小或消失;永久性的影響是指扣件安裝孔內絕緣破損、污染后，信號電流從一側鋼軌經安裝孔內污染物通過無砟道床體內部泄漏到另一側而造成的道床電阻變小，這種影響是長期的，并且隨使用時間增長而增加。

由于該段地下水系豐富，特長隧道通車經長期運營后，可能會產生滲漏水、積水等現象，會造成道床漏泄加大。另外該特長隧道處于限坡為9.5‰地段內，列車長時間處于制動狀態下運行，會造成鐵屑灑落軌面，影響道床參數的穩定，存在影響信號軌道電路設備可靠工作的隱患。

關角特長隧道內采用整體道床，由于道床在鋼軌下有比較密集的結構鋼筋網，而通過鋼軌上傳輸的電流，會在整體道床內鋼筋網上產生渦流，因此會對軌道電路鋼軌參數產生影響。整體道床結構鋼筋回路中純阻部分的反射會增大鋼軌電阻，感性阻抗部分的反射阻抗會減小鋼軌電感，而由于鋼軌電阻增大，加大了軌道電路的線性衰耗，鋼軌電感的改變使補償電容與鋼軌電感構成的槽路失諧，均使軌道電路傳輸長度縮短。對于諧振式軌道電路而言，由于鋼軌電感值變小、鋼軌電阻增大，引起軌道電路調諧區諧振槽路參數發生變化，使得電氣絕緣節失諧，導致軌道電路發送在電氣絕緣節處能量損失變大，絕緣節性能降低，縮短了軌道電路的極限長度，且使信號越區傳輸而造成干擾增加，端阻抗的降低還會使軌道電路的分路靈敏度降低，影響軌道電路的安全性。以上原因嚴重時可能使軌道電路無法正常工作，“閃紅”現象頻發，機車信號入口電流也達不到規定值，嚴重影響到自動閉塞的使用，影響運輸生產和安全。

綜合上述原因，鐵道部在西格二線工程初步設計審查中做出如下批復意見:“關角隧道內自動閉塞暫按計軸加環線方式設計，進一步優化設計報部審定”。

2 關角特長隧道內計軸加交叉環線自動閉塞設計

關角特長隧道長達32.6 km，所在區間近40 km，在不加中繼站的情況下，自動閉塞設備制式的選擇國內還沒有先例。

目前關角隧道正在施工，隧道內道床電阻等情況尚不明朗，也無法預測長期運營后的結果，在此情況下，采用與全線一致的ZPW-2000A無絕緣軌道電路自動閉塞制式，當不設置中繼站時，即使采取不斷分割軌道電路的方法，工程上仍存在很大風險。

為徹底擺脫軌道電路受道床電氣特性制約的困惑，同時避免在隧道內設置中繼站，采用計軸軌道電路加交叉環線機車信號是一個比較理想的方案，此方案工程風險較小，而且也具有工程實施經驗。其原理是:區間軌道占用、空閑檢查由計軸設備完成，機車信號由交叉環線傳輸。

此模式已在蘭新線烏鞘嶺特長隧道自動閉塞工程得到應用和驗證，該隧道已于2006年8月開通安全運行至今。

2.1 計軸軌道電路系統構成

計軸設備的最大優勢在于它與軌道、道床狀況的無關性，計軸設備通過檢測經過的車輛軸數來判斷區段的占用與出清，而不受區段長度、鋼軌類型、道床結構及參數等環境因素的影響，這使其不僅具備檢查軌道區段的能力，而且也徹底地解除了因道床潮濕和鋼軌生銹影響軌道電路正常工作，從而影響鐵路正常運行的困擾。

2.1.1 計軸點布置

關角特長隧道為雙單線隧道，上下行計軸設備需獨立配置，兩站計軸設備分別控制到隧道中心分界處，見圖2。

圖2 計軸點布置示意

2.1.2 系統功能及配置

以西門子信號有限公司生產的AzS(M)350 U型微機計軸系統為例說明。西門子AzS(M)350U是一種新型微機計軸系統，它采用SIMIS安全型微機為控制核心，配以完善的外圍電路構成運算單元，并且通過多個運算單元之間的有機組合來構成一個整體系統，用以檢查區間軌道空閑或占用狀態。該系統可處理列車速度達到400 km/h的信息，還具有遠程監控功能，見圖3。

圖3 AzS(M)350U型計軸設備系統

(1)系統功能

①1套AzS(M)350U運算單元計軸設備可以直接連接5個室外計軸點設備、檢測4個軌道區段;運算單元數量可無限制地疊加，可靈活進行設備配置;

②室外計軸點設備和室內主機的最大傳輸距離為21 km;對超過6.5 km的計軸點，需要單獨提供電源(計軸點共用1對芯線供電);

③通常情況下室內外連接僅需一對電纜芯線;

④傳輸閉塞信息;

⑤傳感器一體化;

⑥具有容錯功能，計出功能，復用功能;

⑦采用“預復位”方式，對計軸點信息進行容錯處理(可由用戶選擇)。

(2)系統配置

①區間軌旁的ZP43型計軸點設備(包括雙置傳感器DEK43和軌道箱ZP43E);

②室內的AzS(M)350U運算單元組合;

③ZP43計軸點和AzS(M)350U運算單元的外部電纜連接;

④在室內、外設備距離大于6.5 km時，增設寬帶隔離變壓器，最大距離可達到21.0 km;

⑤AzS(M)350U運算單元與聯鎖系統之間的接口電路以及配套的電源設備等。

⑥除基本防雷外，系統另配置一套完整的防雷設備。

⑦計軸電源:為保證計軸設備在電源屏停電的情況下仍能正常工作，需要使用在線式UPS為設備供電，供電時間不少于30 min或60 min。

2.1.3 通道要求

(1)站間通道(圖4)

圖4 站間通道示意

在兩站間需要2個獨立通道(上、下行)傳送區段及信號機等信息;2個站都可以安全地輸出每個閉塞分區的空閑/占用狀態及所有通過信號機的狀態等信息，同時可顯示對方站的內容。

站間數據傳輸可采用通信電纜或光纜。根據幾個計軸廠家在國內使用的情況分析，使用光纜的64 k音頻或數字通道時，有的廠家的光端機設備存在通道瞬時中斷問題，因此推薦采用光纜的2 M口。

(2)計軸點通道

對室內、外距離6.5 km以內的計軸點，通過2芯計軸專用電纜與室內運算單元連接;對室內、外距離超過6.5 km的計軸點，通過2芯計軸專用電纜與室內運算單元連接以傳送計軸信息，另外提供2芯為所有超過6.5 km的計軸點供電(此時需增加寬帶隔離變壓器)。

2.2 交叉環線機車信號

2.2.1 烏鞘嶺特長隧道設計原則

采用交叉環線傳輸機車信號，受道床電阻和整體道床的影響比雙軌條傳輸機車信號小，這一點已在烏鞘嶺特長隧道自動閉塞工程的測試中得到驗證。

該工程是在最大傳輸電纜15 km條件下取得成功，采用了小環與大環共同完成向機車發送地面信息，有準確、完善的測試數據，有經過實踐檢驗的電路圖和環線調整表。主要設計原則如下。

(1)隧道外軌道電路采用與全線一致的ZPW2000A型區間設備，其余為計軸加環線設備。

(2)大區間檢查設備，采用4套ZP30CA型計軸設備，以分界點為界，上下行區段各自被分成2個大區段，大區間計軸室外設備設在進站(或反向進站)點和區間分界點處。

(3)按有關規范要求，在隧道兩端洞口外設置遮斷信號機和遮斷預告信號機，分別由兩站值班員根據隧道火災預警報告進行操作，點亮遮斷信號機，同時切斷隧道外的區間信號機。

(4)傳輸ZPW-2000A機車信號的干線電纜，采用SPT鋁護套數字信號電纜，為達到良好傳輸效果，室內加有補償電感。

(5)在計軸加環線軌道區段，設計切碼電路;與計軸區段相鄰的軌道電路區段增加計軸設備，僅利用其計出功能作為切碼條件，以實現緊追蹤時對前方區段的切碼功能。

(6)根據現場測試結果、科研單位研制報告，對于1 500 m以內的閉塞分區，根據電纜傳輸長度(L＜12 km和12 km≤L＜15 km)，將環線等分為2～3段，按兩端半間距、中間整間距法進行環線交叉，發送設備與環線一對一運用。

(7)為減少環線阻抗，環線采用3.7 mm2多股銅芯線。

(8)環線發碼設備，利用既有成熟設備，采用全線一致的ZPW2000A型移頻設備，

(9)優化電路結構，取消室內一拖二變壓器，取消“電纜模擬網絡”，以減少附加功耗。

(10)設置室外環線調整變壓器，通過變壓器變比的調整，實現電纜與環線的匹配連接。變壓器一次側接有補償電感，二次側接有補償電容，以獲得良好的傳輸效果;補償電容根據載頻及環線長度，在1～3 μF間進行調整。

(11)為檢測環線的完整性，設計環線檢測電路。在環線終端設置室外環線電流互感器，當環線內環流正常時，環線電流互感器二次側移頻信號經整流濾波形成直流電壓，并通過電纜傳至送端，動作室內環線檢查繼電器，R1～R4用做繼電器電壓調整。為與送端電纜共用電纜傳輸通道，在室內及室外側電纜均加有20 μF隔直電容。另外，為防止終端電纜對送端移頻信號的衰減，在終端電纜中串接有隔離交流的電感線圈。

電路原理見圖5;環線調整表見表1。

圖5 ZPW-2000A交叉環線傳輸機車信號系統電路原理

表1 ZPW-2000環線機車信號調整

2.2.2 關角特長隧道交叉環線機車信號系統研究方法

烏鞘嶺特長隧道自動閉塞工程按上述方案成功實施，關角特長隧道自動閉塞仍然采用烏鞘嶺的系統設計方案、配置及所有器材，在總結前者成果的基礎上，在關角特長隧道最大傳輸電纜為21 km的情況下，繼續進行ZPW-2000A交叉環線機車信號傳輸系統的研究、試驗、改進器材參數和優化配置，然后進行現場測試、驗證，最終補充傳輸電纜為15～21 km的環線調整表，取得成果后，指導本工程實施。

為滿足機車信號入口電流要求，具體從以下幾方面進行分析、研究，從而提出解決方案。

(1)低道床電阻(關角特長隧道道床電阻待測，先模擬0.15 Ω·km最不利道床條件)及經絕緣處理的整體道床對機車信號環線傳輸的影響分析、測試。

(2)繼續采用烏鞘嶺隧道環線機車信號設計方案，包括電路原理、電路結構、切碼電路設計原則及所有器材，必要時改進有關器材參數，尤其是室外環線調整變壓器參數的優化和修正，以期獲得最佳傳輸效果。

(3)對于21 km傳輸電纜衰耗大的解決方案:采用SPT鋁護套數字信號電纜，特長傳輸電纜采用四線組雙芯并聯使用以降低衰耗(烏鞘嶺隧道環線傳輸電纜實際均采用單芯)，但當發送器電流過大接近1 A時，可采取芯線分段并聯使用來解決。

(4)環線電纜阻抗對電流的限制，本次設計仍然采用3.7 mm2多股銅芯線，盡量不繼續研制大截面的新型環線電纜。

(5)大、小環長度合理分配，有利于降低大環發碼設備的發送功率，但根據烏鞘嶺隧道經驗，小環長度宜設計在300 m為宜，余量放入大環;對于傳輸電纜在15 km以上時，如果有必要，繼續縮短環線區段長度，可考慮設4個環的方案，將環線分為4段，按兩端半間距、中間整間距法進行環線交叉，發送設備與環線一對一運用。

(6)繼續取消室內一拖二變壓器，取消“電纜模擬網絡”，以減少附加功耗。

(7)護輪軌對環線傳輸的影響不大，關角特長隧道如果安裝護輪軌，應協調解決護輪軌對計軸磁頭安裝的影響，確保計軸系統穩定工作。

(8)烏鞘嶺隧道環線機車信號發送器最終采用的是與全線一致的通用設備，功率(70 W)沒有加大，本次設計功率是否加大(由70 W增大到140 W)的問題，要充分考慮對整個環線機車信號傳輸系統的優化，合理選擇信號電纜芯線的使用、環線電纜電氣參數和布置長度、變壓器等器材的參數等。若采用大功率發送器，應考慮相關設備器材的發熱、對系統內部及外部的電磁兼容等因素。

3 結語

關角特長隧道是目前國內最長的鐵路隧道，隧道工程正在施工，隧道內環境情況還不十分明朗，而且隧道通車運營后，環境變化情況難以預測。而最大傳輸電纜達到21 km的特長隧道內自動閉塞設備制式的選擇，國內尚無先例。關角隧道內軌道電路參數測試等項目還未開展，本文介紹的計軸加環線自動閉塞方案，僅是從理論上進行分析和借鑒既有工程成熟經驗后，認為工程風險小，成功率高。而在實際實施過程中，還需要對干線傳輸電纜大于15 km的情況作進一步專題研究、試驗驗證。施工圖設計所依據的主要電路方案和參考數據，將主要來自科研單位的理論計算和現場測試。如果關角特長隧道自動閉塞工程選擇本文介紹的方案，則建議此工程列為試驗工程開展，建設單位、科研單位、設計單位、施工單位及設備供應商等共同努力，爭取取得理想結果，同時也為國內特長隧道自動閉塞設備的選型積累更加豐富的經驗。

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