地鐵雜散電流防護措施的研究

李志忠

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京市 100000）

1 概述

該標段為呼和浩特市城市軌道交通2號線09標段，包含成吉思汗廣場站、成吉思汗廣場站—毫沁營站區間、毫沁營站、毫沁營站—成吉思汗公園站區間，共2站2區間。區間使用盾構法進行施工，車站則選用明挖法開展施工。當出現雜散電流后會影響地鐵主體結構安全，甚至會腐蝕鋼軌和鋼筋，因此做好雜散電流防護工作至關重要。

2 雜散電流造成腐蝕的原理分析

在地鐵運行過程中，經過一段時間持續的運營，會在一定程度上污染道床，并降低鋼軌和道床之間的電阻值，因為道床和鋼軌沒有充分絕緣，致使直流電從鋼軌位置泄漏到隧道、車站和道床結構中，這些漏泄電流稱為雜散電流。

由于雜散電流腐蝕屬于氧化還原反應，在發生反應的過程中地鐵牽引供電方式產生的雜散電流以及雜散電流的腐蝕位置如圖1所示。因為走行鋼軌、道床（隧道）結構鋼筋和沿線金屬管線均為導體，軌道交通直流供電系統走形軌自身含有電阻，而且無法做到走形軌道完全絕緣，會有一些電流由走形軌道泄漏通過結構缺陷處進入道床（隧道）結構鋼筋和沿線金屬管線，形成陰極區，電子從另一缺陷處流出，并再次回至鋼軌回流點[1]。電子流出部位為陽極區，當有雜散電流從鋼軌陽極區的位置流出后，就會出現氧化反應，即為雜散電流腐蝕，這類雜散電流會腐蝕結構中的鋼筋，降低鋼筋的強度。

圖1 地鐵雜散電流腐蝕

3 雜散電流防護原則

該工程采用“以防為主、防排結合、以排為輔、加強監測”的原則進行雜散電流的防護設計。

（1）對雜散電流出現的源頭進行控制，降低雜散電流出現的數量[2]。

（2）采用排流等方法對出現的雜散電流進行處理，降低雜散電流產生的腐蝕。為了降低結構鋼筋和金屬管線受到的腐蝕，需要做好軌回流處理，安裝好正線走行鋼軌絕緣，將雜散電流主收集網布置在道床中。

（3）實時對雜散電流進行監測，如果發現雜散電流值過大，需要及時進行控制。

4 地鐵雜散電流防護措施

4.1 源控法施工

為了避免雜散電流進入到設備和主體結構中，源控法也是常用的一種方法。這種方法主要是隔離開雜散電流的泄漏途徑，并做好走行軌絕緣，提高結構主體產生的過渡電阻，并降低行走軌電阻值，避免雜散電流進一步出現蔓延。

4.2 排流法施工

使用收集系統和排流系統將雜散電流返回到牽引變電所負母線通路的方法即為排流法，利用排流法可以有效避免電流從系統中向外繼續泄漏，降低腐蝕。其原理如圖2所示。排流支路是否投入使用可以采用直流接觸器CZ進行控制，利用R、C對主回路通斷時出現的尖峰脈沖進行抑制。利用硅二極管D1來避免出現逆向排流。當出現短路故障時，則利用Fn快速熔斷器對排流柜進行保護，避免其受到損害。通過電流傳感器M檢測排流回路中的排流電流量大小。利用IGBT通斷占比率控制占比率，從而使電流疏松大小更好地得到控制，將IGBT關斷時，將電流電阻R1和R2接入到排流回路中，這時產生的排流電流很小。正常情況下，利用IGBT導通占空比將排流比控制在規定范圍值內。

圖2 智能排流柜原理圖

在進行施工時，需要根據雜散電流防護設計對鋼筋連接位置進行處理，然后按照要求將預埋孔布設好。在進行主結構工程施工時，要分段實現測防端子的安放以及主鋼筋縱向可靠焊接。主體結構要保持良好的電氣絕緣性。具體措施如下：

（1）軌道交通土建各結構段內部的主筋，應實現可靠焊接，在結構段兩端的變形縫或沉降縫處附近應按設計要求焊接引出雜散電流測防端子（簡稱“引出端子”），包括結構段連接端子、雜散電流監測系統測量端子、排流端子，所有端子制作焊接要求一致，所有引出端子均位于側墻上，距離軌面300～500 mm。

（2）車站、區間隧道每個結構段內層縱向鋼筋、環向鋼筋應電氣連通，若有搭接應進行搭接焊，搭接長度不小于鋼筋直徑的10倍，不允許綁扎[3]。

（3）在結構段兩端第一、二排環向鋼筋與其他結構層縱向鋼筋全部焊接；在結構段中每隔5 m應將其內層環向鋼筋與內層縱向鋼筋全部焊接；在列車行駛區（即垂直軌道下方）選兩根鋼筋與所有環向鋼筋焊接（排流條）；在進行節段施工時，要使用紅色油漆標識出防迷流鋼筋，焊接鋼筋時不能出現誤焊和漏焊的情況。圖3為鋼筋焊接示意圖。

圖3 鋼筋焊接示意圖

（4）在側墻上布置防迷流測量端子和引出端子。引出連接端子需要布置在現澆墻和伸縮縫兩側內襯墻，然后從伸縮縫兩側引出。接著使用95mm的銅電纜連接好，在結構兩端結構縫將雜散電流連接端子焊接引出，要求軌面和端子之間的垂直距離為500 mm，兩側連接端子和結構縫之間的距離為200 mm，并利用直徑為95 mm的絕緣電纜連接好。在牽引變電所車站中布置排流端子，將排流端子從牽引變電所處的電纜夾層引出。對于車站結構中結構段位置，需要在結構兩段結構縫的位置將雜散電流連接端子焊接好，并和絕緣銅電纜連接好。其他結構段要和剩下的鋼筋進行絕緣處理。使用鍍鋅扁鋼作為測量端子，并和結構中兩根縱向鋼筋焊接好[4-5]。

（5）軌道交通主體結構的防水層必須具有良好的防水性能和電氣絕緣性能，防水材料的體積電阻率不小于108Ω·m。

（6）盾構區段的防護方式采用隔離法，即盾構管片之間的結構，相互之間沒有電氣連接。

4.3 雜散電流防護監測措施

4.3.1 防腐蝕監控

該工程使用雜散電流監控系統監視雜散電流的大小，因為無法直接測試雜散電流，因此可以使用結構鋼極化電壓測量電壓，并使正向偏移的極化電壓平均值保持在0.5V內，將一個長期有效的參考電機埋入到整體道床上，并用其測量整體道床和排流網的參考電極電壓。將一個參考電極布置在隧道側壁處，然后測量結構鋼參考電極和側壁的電壓，并使用軌道點位測量軌道電壓和雙側壁結構鋼電壓。

4.3.2 測量自然本體電位

當外界因素干擾到雜散電流時，需要對地鐵埋低金屬點位出現的穩定值進行檢測。將此穩定點位作為自然本體電位。一般在列車停運2 h后對自然本體電位U0進行自動測量，當外部因素干擾雜散電流后，會導致測量電位出現偏移的情況，如果測量得到的電位為U1，那么偏移值為ΔU。

4.3.3 軌道電位0.5 h的最大測量值

在進行測量時，軌道電位瞬時值變化非常大，所以在進行測量時，測量參數和計算參數不是很準確，不過可用于粗略測量。

5 結語

綜上所述，雜散電流在地鐵運營時，對主體結構及金屬管線危害極大，做好雜散電流的防護工作至關重要，所以在施工時要做好雜散電流收集網和走行軌與道床的絕緣，運營時要做好雜散電流監測工作，通過監測指導防護，從而延長地鐵結構主體的使用壽命，保證地鐵的運營安全。