巴基斯坦拉合爾橙線軌道交通項目高架區間防雷接地設計

巴基斯坦拉合爾橙線軌道項目作為巴基斯坦國內開工建設的首個城市軌道交通項目，是“中巴經濟走廊”早期收獲和示范性項目，其成功實營不僅將對中巴兩國具有重要意義，也將對“一帶一路”和“中巴經濟走廊”的其它項目起到示范性作用。根據合同文件規定，本項目車輛、軌道及各機電系統由中方負責完成，采用中國技術標準和設備，橋梁、路基及房建結構由巴方負責完成，采用歐美標準。

1 工程概況

本項目全線長約25.58km，其中地下線1.290km，地下線路與高架線路過渡段0.722km，高架線路23.568km，全線橋梁長度約21.979km，占全線長度80.8%；沿線設24座高架車站、2座地下車站及2座132/33kV主變電站，線路北端設車輛段1座，線路南端設停車場1座，設有控制中心和安全中心1座，位于車輛段。

2 橋梁設計方案[1]

高架區間梁、墩、承臺及樁基設計。本項目標準區間采用單線U型梁結構形式，道岔梁采用雙線U型梁結構形式，典型單線U型梁結構形式如圖1。選擇30m 梁為標準跨度梁，選擇20m、25m跨度梁為配跨梁，個別跨公路或鐵路的控制工點采用非標準跨布置或其他大跨度橋梁；橋梁整體高度達到15m。高架區間橋墩采用圓柱形獨柱墩；橋墩結構由預應力混凝土頂帽和鋼筋混凝土墩身組成，頂帽預制施工，墩身現場澆筑，頂帽與墩身采用拼裝連接；橋墩基礎采用鉆孔灌注樁，鉆孔樁樁長范圍在28～48m 之間；承臺基礎規格為11.8m(長)×7m(寬)×1.85m（厚），承臺頂部距地面0.5m。

圖1 單線U型梁結構形式

高架區間附屬設施。高架區間附屬設施有整體道床、疏散平臺、疏散平臺金屬護欄、通信信號等弱電電纜槽、通信信號天線、強電電纜支架、接觸軌、接觸軌保護罩及其避雷器等。

3 高架區間防雷接地設計[2-7]

3.1 防雷接地設計標準及需求

本項目線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側比橋梁高的建筑不是太多，部分區段穿越空曠地帶，有些區間兩側還有地方電力公司的架空線路。因此，為了保證高架區間機電設備正常工作、橋梁附屬設施及區間維修人員的安全，需要設置可靠的防雷接地系統。本項目高架區間及其構筑物按照第二類防雷標準設計。

高架區間防雷接地的主要需求有疏散平臺金屬護欄、安裝于中間檢修平臺的通信信號天線（間隔300m）、接觸軌保護罩和避雷器（間隔300m）、強電電纜支架等。除了通信信號天線和疏散平臺金屬欄桿高出疏散平臺外，其余附屬設施均安裝于U梁表面或側壁，其中通信信號天線自帶避雷針，只需預留雷電流泄放通道即可，其余附屬設施提供接地引下通道即可。因此，區間防雷部分主要考慮凸出疏散平臺的金屬欄桿及橋梁疏散平臺表面；對于高架區間的輕軌車輛而言，可以看做是一個法拉第籠，可以保護車內乘客的安全，沒有雷擊風險。本項目中整體澆筑的大跨區段、車站出入斷線道岔區橋墩和梁體較少，考慮到巴方土建施工預留的難度及施工水平，該部分在選擇區間防雷接地引下時有效避開，其余標準橋墩和U型梁體均選擇作為高架區間防雷接地引下通道。

圖2 典型高架區間防雷接地系統示意圖

3.2 接閃器

本項目高架區間采用雙U梁方案，疏散平臺設置在外側，疏散平臺外側設有1.2m 高的金屬欄桿，利用金屬欄桿作為接閃器，金屬欄桿在區間伸縮縫或有斷開的位置采用熱鍍鋅扁鋼連接以保證電氣連通；因高架區間U梁表面預埋了雜散電流端子，為防止雜散電流通過防雷引下線導入大地從而對橋墩內鋼筋造成腐蝕，對土建提出金屬欄桿底部固定件與U梁平臺采用絕緣處理的要求。每隔30m 分別用熱鍍鋅扁鋼將作為接閃器的金屬欄桿與U梁預埋接地端子可靠連接，以保障因接閃帶過長易引起高電位反擊的問題。

3.3 防雷引下線

U梁防雷引下棒預埋。本項目中區間雜散電流通過軌道道床和U梁表面內鋼筋電氣通路回收至車站軌電位設備，為防止軌道雜散電流沿防雷引下通路導入大地，造成對橋墩基礎鋼筋的腐蝕，防雷接地引下線需與U梁表面內鋼筋完全絕緣。考慮到U梁為巴方土建整體預制，且架梁時無法保證按順序進行，因此每片U梁端頭均預埋防雷引下棒，具體埋設方案為在每片U梁內靠近端頭30cm（避開梁面吊裝孔）位置處分別預埋2處不同長度規格的防雷引下棒，一處預埋于弱電電纜槽內，一處預埋于U梁內側斜坡位置，分別用于弱電接地和強電接地；防雷引下棒采用不銹鋼材質，并在外層套一根硬質PVC管，以保證與U梁內結構鋼筋絕緣；防雷引下棒兩端預留螺母和螺絲，以便于后期防雷引下時采用電纜或鍍鋅扁鋼連接。

圖3 U梁防雷引下棒預埋（左側為雜散電流端子）

圖4 U梁與蓋梁防雷引下線電纜軟連接

引下線連接電纜。全線除大跨度的位置梁體采用整體澆筑外，其余部分U梁均采用預制，U梁與蓋梁之間通過橋梁支座固定，無法實現U梁內預埋接地棒與蓋梁頂部預留防雷引下線端子直接連接，本項目中采用易于現場施工的軟電纜連接方案，從而實現了U梁內預留接地引下端子與橋墩內用于防雷引下鋼筋之間的電氣連通。

墩臺引下線。本項目中蓋梁亦采用預制方案，預制時在蓋梁中心位置預留28個圓孔，作為橋墩內預埋的用于固定蓋梁的鋼筋組（28根），選擇該鋼筋組內的其中4根作為防雷引下線；由于固定蓋梁的鋼筋組是埋在橋墩中心位置，與橋墩一周的鋼筋之間無電氣連通條件，與巴方土建配合階段提出固定蓋梁鋼筋組內與橋墩周邊內用于防雷引下的兩根直徑不小于16mm 鋼筋進行可靠焊接，從而確保橋墩內防雷引下線的貫通性。

3.4 接地極

分別選擇橋墩承臺和樁基內的2根直徑不小于16mm的主鋼筋作為自然接地體，兩者之間可靠焊接，并與橋墩內用于防雷引下的2根直徑不小于16mm的主鋼筋可靠焊接，從而確保高架區間防雷接地系統的電氣連通性和有效性。要求每個橋墩的接地電阻值不大于10歐姆，并在橋墩基礎距地面標高0.5m 處設接地電阻監測點。

4 高架區間防雷接地計算

4.1 防雷保護范圍計算

將高架區間用作接閃器的疏散平臺金屬護欄等效為通長的兩根等高接閃線，采用滾球法計算防雷保護范圍。根據《防雷接地設計規范》（GB50027-2010）附錄D.0.5和D.0.6相關計算公式進行計算。計算選擇參數：接閃線高度h=16.2m，第二類防雷標準滾球半徑hr=16.2m，被保護物的高度hx=15m，接閃線間距D=12m。

圖5 承臺和樁基接地鋼筋焊接

疏散平臺表面兩根接閃線外側保護范圍按照單根接閃線計算方法進行計算，接閃線在hx高度xx'平面的保護寬度bx計算結果為：由結算結果可知，每側U梁疏散平臺利用金屬護欄作為接閃器，U梁靠近外側部分處在接閃器保護范圍之內。

疏散平臺表面兩根接閃線之間的保護范圍最低點的高度計算結果為：

由結算結果可知，兩根接閃線之間保護范圍最低點為0.8米，利用疏散平臺金屬護欄作為接閃器可以保護U梁表面0.8m 高度之內的設施。

4.2 接地電阻計算

4.2.1 土壤電阻率的折算

計算雷電保護接地裝置所采用的土壤電阻率按照公式ρ=ρ0×φ 計算，式中ρ0為實際測試的土壤電阻率；φ為土壤干燥時的季節系數。根據巴方地質提供的土壤電阻率資料，全線橋墩承臺埋深2.5m的實測土壤電阻在25～35Ω·m 之間，計算時ρ0=30(Ω·m)按取值。測試土壤電阻率時土壤比較潮濕，季節系數按照表《工業與民用配電手冊》（第四版）表14.6-15的較大值考慮，即φ=1.1，折算后計算用土壤電阻率為：ρ=30×1.1=33(Ω·m)。

4.2.2 接地電阻值計算

根據《工業與民用配電手冊》（第四版）表14.6-2所示，不考慮多層土壤電阻率的影響，用簡易估算法對高架區間利用橋墩承臺和樁基內結構鋼筋作為自然接地體時的接地電阻進行計算。

式中V為橋墩承臺和樁基基礎所包圍的體積總和，其中樁基深度按照30m 考慮，每個橋墩承臺對應6根樁基基礎。

4.3 接地電阻測試結果

工程實施完成后在預留接地電阻測試點對用作防雷接地的高架區間橋墩進行了接地電阻測試，選擇不同高架區間部分測試結果見表1。表中結果表明，實測接地電阻值小于通過簡易估算法得出的計算結果，主要原因在于多層土壤電阻率和混凝土基礎所包圍體積的影響，估算結果可作為一個設計參考依據。實測結果表明，利用橋墩承臺和樁基內的結構鋼筋作為自然接地極，接地電阻值遠遠小于設計所要求的10歐姆，具有良好的接地效果。

5 結語

巴基斯坦拉合爾橙線軌道交通項目全線橋梁長度約21.979km，占全線長度80.8%；線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側比橋梁高的建筑不是太多，部分區段穿越空曠地帶，有些區間兩側還有地方電力公司的架空線路，易受雷擊，同時橋梁表面附屬設施眾多。因此，為了保證高架區間機電設備正常工作、橋梁附屬設施及區間維修人員的安全，設置安全可靠的防雷接地系統是非常有必要的。

表1 接地電阻測試表