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(biāo)段為呼和浩特市城市軌道交通2號線09標(biāo)段，包含成吉思汗廣場站、成吉思汗廣場站—毫沁營站區(qū)間、毫沁營站、毫沁營站—成吉思汗公園站區(qū)間，共2站2區(qū)間。區(qū)間使用盾構(gòu)法進行施工，車站則選用明挖法開展施工。當(dāng)出現(xiàn)雜散電流后會影響地鐵主體結(jié)構(gòu)安全，甚至?xí)g鋼軌和鋼筋，因此做好雜散電流防護工作至關(guān)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(jīng)過一段時間持續(xù)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(jié)構(gòu)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(yīng)，在發(fā)生反應(yīng)的過程中地鐵牽引供電方式產(chǎn)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(jié)構(gòu)鋼筋和沿線金屬管線均為導(dǎo)體，軌道交通直流供電系統(tǒng)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(jié)構(gòu)缺陷處進入道床（隧道）結(jié)構(gòu)鋼筋和沿線金屬管線，形成陰極區(qū)，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(qū)，當(dāng)有雜散電流從鋼軌陽極區(qū)的位置流出后，就會出現(xiàn)氧化反應(yīng)，即為雜散電流腐蝕，這類雜散電流會腐蝕結(jié)構(gòu)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(jié)合、以排為輔、加強監(jiān)測”的原則進行雜散電流的防護設(shè)計。

（1）對雜散電流出現(xiàn)的源頭進行控制，降低雜散電流出現(xiàn)的數(shù)量[2]。

（2）采用排流等方法對出現(xiàn)的雜散電流進行處理，降低雜散電流產(chǎn)生的腐蝕。為了降低結(jié)構(gòu)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(wǎng)布置在道床中。

（3）實時對雜散電流進行監(jiān)測，如果發(fā)現(xiàn)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(shè)備和主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)主體產(chǎn)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(xiàn)蔓延。

4.2 排流法施工

使用收集系統(tǒng)和排流系統(tǒng)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(tǒng)中向外繼續(xù)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(xiàn)的尖峰脈沖進行抑制。利用硅二極管D1來避免出現(xiàn)逆向排流。當(dāng)出現(xiàn)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(guān)斷時，將電流電阻R1和R2接入到排流回路中，這時產(chǎn)生的排流電流很小。正常情況下，利用IGBT導(dǎo)通占空比將排流比控制在規(guī)定范圍值內(nèi)。

圖2 智能排流柜原理圖

在進行施工時，需要根據(jù)雜散電流防護設(shè)計對鋼筋連接位置進行處理，然后按照要求將預(yù)埋孔布設(shè)好。在進行主結(jié)構(gòu)工程施工時，要分段實現(xiàn)測防端子的安放以及主鋼筋縱向可靠焊接。主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)段內(nèi)部的主筋，應(yīng)實現(xiàn)可靠焊接，在結(jié)構(gòu)段兩端的變形縫或沉降縫處附近應(yīng)按設(shè)計要求焊接引出雜散電流測防端子（簡稱“引出端子”），包括結(jié)構(gòu)段連接端子、雜散電流監(jiān)測系統(tǒng)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(cè)墻上，距離軌面300～500 mm。

（2）車站、區(qū)間隧道每個結(jié)構(gòu)段內(nèi)層縱向鋼筋、環(huán)向鋼筋應(yīng)電氣連通，若有搭接應(yīng)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(jié)構(gòu)段兩端第一、二排環(huán)向鋼筋與其他結(jié)構(gòu)層縱向鋼筋全部焊接；在結(jié)構(gòu)段中每隔5 m應(yīng)將其內(nèi)層環(huán)向鋼筋與內(nèi)層縱向鋼筋全部焊接；在列車行駛區(qū)（即垂直軌道下方）選兩根鋼筋與所有環(huán)向鋼筋焊接（排流條）；在進行節(jié)段施工時，要使用紅色油漆標(biāo)識出防迷流鋼筋，焊接鋼筋時不能出現(xiàn)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(cè)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(xiàn)澆墻和伸縮縫兩側(cè)內(nèi)襯墻，然后從伸縮縫兩側(cè)引出。接著使用95mm的銅電纜連接好，在結(jié)構(gòu)兩端結(jié)構(gòu)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(cè)連接端子和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)段位置，需要在結(jié)構(gòu)兩段結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中兩根縱向鋼筋焊接好[4-5]。

（5）軌道交通主體結(jié)構(gòu)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(gòu)區(qū)段的防護方式采用隔離法，即盾構(gòu)管片之間的結(jié)構(gòu)，相互之間沒有電氣連接。

4.3 雜散電流防護監(jiān)測措施

4.3.1 防腐蝕監(jiān)控

該工程使用雜散電流監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)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(jié)構(gòu)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(nèi)，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(wǎng)的參考電極電壓。將一個參考電極布置在隧道側(cè)壁處，然后測量結(jié)構(gòu)鋼參考電極和側(cè)壁的電壓，并使用軌道點位測量軌道電壓和雙側(cè)壁結(jié)構(gòu)鋼電壓。

4.3.2 測量自然本體電位

當(dāng)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(xiàn)的穩(wěn)定值進行檢測。將此穩(wěn)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(dāng)外部因素干擾雜散電流后，會導(dǎo)致測量電位出現(xiàn)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(shù)和計算參數(shù)不是很準(zhǔn)確，不過可用于粗略測量。

5 結(jié)語

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