西安地鐵通過地裂縫帶處的供電設(shè)備安裝問題研究

段立新

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司, 710043, 西安//教授級高級工程師)

西安市已查明的地裂縫有13條。地裂縫的基本活動方式除產(chǎn)生近南北向的拉張和微量的水平扭動外，還呈現(xiàn)以上盤下降、下盤相對上升的垂向高度變化的三維活動特征。西安首條地鐵線2號線與12條地裂縫交叉，面對此難題，通過科研找出了各地裂縫帶活動的規(guī)律，解決了隧道通過地裂縫帶的結(jié)構(gòu)處理問題。本文在結(jié)構(gòu)沉降處理基礎(chǔ)上，研

究供電設(shè)備安裝適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形的合理方案。

1 研究前置條件

(1) 車站選址范圍不受地裂縫帶分布密度限制，實際工程中變電所可隨車站位置完全躲開地裂縫帶,不能避讓的供電設(shè)施主要是隧道內(nèi)架空剛性接觸網(wǎng)和中壓環(huán)網(wǎng)電纜。

(2) 因供電設(shè)備均在土建結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上安裝，地裂縫帶供電設(shè)備安裝方案研究應(yīng)在土建設(shè)防段研究成果基礎(chǔ)上開展。

(3) 地裂縫帶土建結(jié)構(gòu)可隨時間推移主動適應(yīng)沉降等變化，但軌道需在適應(yīng)結(jié)構(gòu)下沉后通過研制特殊道床上升而保持軌面標高始終不變，所以地裂縫變形前后要求供電設(shè)備相對于軌面位置不變化。

2 地裂縫帶接觸網(wǎng)主要設(shè)防方式

解決接觸網(wǎng)如何適應(yīng)地裂縫變化的最好方法，是將地裂縫區(qū)段接觸網(wǎng)與其它區(qū)段的接觸網(wǎng)在一定范圍內(nèi)相互隔離，使得地裂縫設(shè)防段接觸網(wǎng)可以隨著地裂縫的各種活動自由地適應(yīng)地裂縫的變化，其它區(qū)段接觸網(wǎng)維持正常。由于兩種區(qū)段的接觸網(wǎng)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(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力突變而造成結(jié)構(gòu)破壞。因各地裂縫帶相互獨立，呈條形分布于地鐵沿線；各條地裂縫結(jié)構(gòu)設(shè)防寬度不同，且均未超過剛性接觸網(wǎng)250 m的最長錨段長度。因此，各地裂縫段剛性接觸網(wǎng)設(shè)置為不等長度獨立小錨段穿越地裂縫。

剛性接觸網(wǎng)懸掛支持結(jié)構(gòu)主要有垂直懸掛方式和水平懸掛方式兩種。垂直懸掛方式具有對隧道凈空要求低、應(yīng)用較多、水平及垂直方向調(diào)節(jié)均比較方便等特點。雖然其彈性不如水平懸掛方式，但綜合來看，垂直懸掛方式更適應(yīng)于地裂縫的活動特征，經(jīng)濟性較好。因此，地裂縫帶接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)原則上確定采用垂直懸掛方式。

3 剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛支持結(jié)構(gòu)選型

3.1 剛性接觸網(wǎng)水平安裝調(diào)整量

地裂縫帶的水平拉張運動和扭動量一般為1～2 mm，最大不超過l0 mm[1]。由于剛性接觸網(wǎng)拉出值(±250 mm可調(diào))和匯流排順線路方向伸縮量(最大為150 mm)遠大于地裂縫水平各向10 mm調(diào)節(jié)量，因此通過調(diào)整垂直懸掛支持結(jié)構(gòu)能滿足地裂縫水平方向變形量要求。

3.2 剛性接觸網(wǎng)垂直安裝調(diào)整量

因地裂縫橫向調(diào)整量很小，可按調(diào)整誤差量考慮。在軌道標高不變時，僅考慮地裂縫的豎向垂直位移量，接觸網(wǎng)應(yīng)在表1所示土建結(jié)構(gòu)處理基礎(chǔ)上設(shè)置防護方案。

表1 西安地鐵2號線與地裂縫交匯點處地裂縫最大垂直位移量Amax及結(jié)構(gòu)處理高度

針對地裂縫地段的垂直位移運動，要求地裂縫設(shè)防段的接觸網(wǎng)在垂直方向上具有一定的可調(diào)整功能。在100年安全運行期內(nèi)，針對不同地裂縫，接觸網(wǎng)在垂直方向上的調(diào)節(jié)范圍應(yīng)不小于該地裂縫的最大垂直位移量Amax，最終按照土建結(jié)構(gòu)處理高度控制調(diào)整量。

3.3 可調(diào)吊柱安裝方案

各地裂縫帶隧道結(jié)構(gòu)處理預(yù)留百年最大垂直位移量范圍為400～600 mm，而剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛方式中一般吊柱的垂直調(diào)整量不超過300 mm，因此一般吊柱不滿足要求，需要選用高限吊柱進行研究。

為滿足接觸網(wǎng)安裝需求，文獻[4]設(shè)計了一種在地裂縫設(shè)防段內(nèi)滿足剛性接觸網(wǎng)懸掛的高限可調(diào)式吊柱，地裂縫設(shè)防段剛性接觸網(wǎng)懸掛采用高凈空、可固定調(diào)節(jié)的安裝方式。如圖1所示[4]。垂直懸吊底座在立柱上較大范圍內(nèi)上、下移動以粗略調(diào)整導(dǎo)高，六角頭螺栓可對導(dǎo)高做細微調(diào)整，使得剛性接觸網(wǎng)的接觸線懸掛高度完全滿足接觸網(wǎng)平面設(shè)計的高度要求。

該設(shè)計滿足地裂縫設(shè)防段隧道整體下沉?xí)r的高度調(diào)節(jié)量，可避免剛性接觸網(wǎng)遭到破壞，保證接觸網(wǎng)設(shè)備及行車安全。

圖1 可調(diào)吊柱安裝方案示意圖

3.4 關(guān)鍵部件理論分析

圖1中安裝于靠近隧道頂部的可調(diào)整吊柱選材為工字型鋼，其承擔(dān)了整個剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛調(diào)整的主要任務(wù)，是剛性接觸網(wǎng)地裂縫帶的關(guān)鍵部件，必須進行重點研究。

用SOLID建立可調(diào)整吊柱有限元實體模型進行仿真分析，如圖2～4[2]所示。材料選用Q235A，密度為7 800 kg/m3,拉伸破壞應(yīng)力為399.8 MPa。

圖2 可調(diào)吊柱模型圖

圖3 可調(diào)吊柱網(wǎng)格劃分加載示意圖

仿真結(jié)果表明，零件應(yīng)力最大為88.32 MPa，小于Q235A材料的許用應(yīng)力160 MPa，零件滿足使用要求。后來的工廠試驗也驗證了這一結(jié)果。

4 地裂縫帶環(huán)網(wǎng)電纜敷設(shè)

4.1 環(huán)網(wǎng)電纜豎向調(diào)節(jié)方案

地裂縫的活動引起隧道結(jié)構(gòu)沉降，造成敷設(shè)在結(jié)構(gòu)斷面上的電纜高度發(fā)生變化，電纜支架受力不均，電纜走向及支架變形較大。因此，需采取措施避免或降低地裂縫活動對電纜敷設(shè)的影響。

電纜敷設(shè)時，應(yīng)按照地裂縫帶變形量計算，預(yù)留足夠的電纜長度，電纜支架按托臂可調(diào)式進行設(shè)計。電纜支架在隧道內(nèi)的敷設(shè)位置如圖5所示。

圖4 分析結(jié)果示意圖

圖5 地鐵電纜支架敷設(shè)位置限界圖

在地裂縫設(shè)防范圍內(nèi)，采用托臂可調(diào)式電纜支架。該支架本體采用角鋼，托臂為可移動式，用螺栓緊固在支架上。支架每隔10 cm預(yù)留一個螺栓孔和支撐板，用于托臂的固定和支撐。電纜支架的高度根據(jù)地裂縫的最大垂直位移而定。因地裂縫設(shè)防段隧道凈空較大，環(huán)網(wǎng)電纜一般敷設(shè)在隧道壁其它管線的上方(上方有足夠的空間加大電纜支架托臂高度)。按不同的地裂縫豎向位移變化，考慮采用1.6 m、1.7 m、1.8 m三種高度的電纜支架(假設(shè)電纜支架原需高度為1.2 m)。地裂縫帶電纜支架(與正常區(qū)段對照)安裝如圖6所示。

4.2 環(huán)網(wǎng)電纜水平方向調(diào)節(jié)

由于地裂縫帶的水平拉張運動和扭動量最大不超過10 mm，經(jīng)分析，環(huán)網(wǎng)電纜的波浪狀敷設(shè)以及托架安放電纜的自由度完全滿足10 mm調(diào)節(jié)裕量，所以原電纜支架敷設(shè)方案及可調(diào)支架方案均能適應(yīng)地裂縫帶水平方向結(jié)構(gòu)變形。

電纜支架托臂考慮采用350～400 mm寬度，與原電纜支架的寬度相同，因此不會影響其它管線和限界。

圖6 地裂縫帶和正常區(qū)段電纜支架安裝對照圖

4.3 運營維護

對西安地鐵2號線所穿越地裂縫進行長期監(jiān)測，及時獲得其變形量和時間段，當(dāng)豎向位移達到10 cm時，進行支架托臂的調(diào)節(jié)。利用環(huán)網(wǎng)電纜采用的“S”形敷設(shè)所預(yù)留裕量適應(yīng)電纜支架的位移變化。

5 結(jié)語

本文闡述了地裂縫帶供電設(shè)備中有關(guān)剛性接觸網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)電纜的工程處理措施及方案研究過程，主要結(jié)論如下:

(1) 變電所設(shè)備隨車站可以避讓地裂縫帶而不予考慮;

(2) 地裂縫水平各方向變化位移比較小,剛性接觸網(wǎng)及環(huán)網(wǎng)電纜順線路及垂直線路方向均可以完成調(diào)節(jié),無需特殊處理;

(3) 地裂縫豎向位移及土建結(jié)構(gòu)相應(yīng)變化比較大,剛性接觸網(wǎng)及環(huán)網(wǎng)電纜必須對關(guān)鍵部件進行特殊設(shè)計及研究才能適應(yīng);

(4) 運行中地裂縫帶土建結(jié)構(gòu)可隨地裂縫沉降而軌面標高不變,應(yīng)根據(jù)測量的結(jié)構(gòu)沉降尺寸調(diào)整剛性接觸網(wǎng)吊柱和環(huán)網(wǎng)電纜支架高度適應(yīng)變形。

本研究成果解決了地裂縫帶供電設(shè)備設(shè)計、施工及運營維護難題，并已應(yīng)用于西安地鐵2號線。

該線自建成開通以來至今運行正常。因地裂縫是隨時間推移呈漸進式變化的，隨著時間的延長觀測數(shù)據(jù)也在不斷積累，建議根據(jù)新觀測地裂縫帶活動數(shù)據(jù)研究相應(yīng)變化規(guī)律及土建結(jié)構(gòu)方案，并進一步研究接觸網(wǎng)和環(huán)網(wǎng)電纜方案的變化。