鐵路電氣化改造工程接觸網支柱和基礎結構選型設計

溫希華，徐前衛，鞏川寶

（1.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；2.同濟大學交通運輸工程學院，上海 201804；3.中鐵二十一局集團有限公司，蘭州 700070）

1 引言

為進一步實現中國鐵路跨越式發展，全面提高鐵路電氣化發展水平，在大量新建電氣化鐵路的同時，對既有運營鐵路進行合理的電氣化改造也成了迫在眉睫的任務。電氣化鐵路的正常運行需要接觸網提供持續動力，因此，接觸網施工是電氣化改造工程中的重要一環。電氣化列車往往運行速度快，引起接觸網的波動大，導致支柱基礎承受較大的瞬間荷載【1】。其不僅直接承受上部結構荷載，而且還要將荷載進一步向下部地基轉移分布。因此，為確保營業線鐵路電氣化改造的順利實施，正確和合理地選擇接觸網支柱和基礎型式，對于保障支柱與路基的整體穩定性，并進而穩定弓網關系，減小接觸網振動等而言至關重要。

本文結合蕪湖南—廣德鐵路電氣化改造工程，開展適于機械化施工的接觸網支柱及基礎型式選取的研究。這不僅可為鐵路電氣化改造工程提供技術支撐，而且對提高機械化施工程度、縮短工期以及降低工程造價等均具有指導意義【2】。

2 工程概況

蕪湖南—廣德鐵路電氣化改造項目位于安徽省中東部，經由蕪湖、宣城2 市，全長146.3km。全段包括蕪湖南站等9 個車站及蕪湖至蕪湖南等10 個區間，其中，接觸網直埋基坑開挖及混凝土支柱組立4 469 處，拉線基坑開挖及制作1 030處；鋼柱基礎開挖、澆制1 389 處。

3 營業線鐵路接觸網支柱選型

3.1 接觸網支柱型式及技術特點

3.1.1 接觸網支柱型式

國外電氣化鐵路的接觸網支柱結構型式多樣，且各不相同，主要包括預應力混凝土環形支柱、圓形鋼管支柱（如日本）、H 型鋼柱（如韓國、法國）和槽鋼組合型鋼柱（如西班牙、德國）【3】。

我國電氣化鐵路接觸網支柱類型有很多，主要有橫腹桿式預應力混凝土支柱、預應力混凝土環形支柱、H 型鋼柱、槽鋼組合型鋼柱以及環形截面鋼管柱等。

3.1.2 接觸網支柱技術特點分析

根據國內外現狀及相關工程經驗，鐵路電氣化改造中可能應用的接觸網支柱技術特點如下【4~6】：

1）橫腹桿式預應力混凝土支柱。具有“高強、低價、防腐蝕、無維修”等性能，可大幅度降低工程造價。

2）預應力混凝土環形支柱。具有“使用無方向性、強度高、質量穩定”等特點，在電氣化鐵路中有較多使用。

3）H 型鋼柱。具有“制造簡單、連接零件類型多、造價高、使用有方向性”等特點，可直接選用型鋼。

4）鋼管支柱。具有“適用范圍廣、承載能力高、外形易統一、連接零件類型少”等特點，在國外電氣化鐵路有采用。

5）薄壁離心鋼管混凝土支柱。具有“使用無方向性、承載能力高、適用范圍廣”等特點，但重量較大，在電氣化鐵道上尚缺乏運營經驗。

3.2 營業線鐵路接觸網支柱選型

對于營業線鐵路改造工程，考慮到薄壁離心鋼管混凝土支柱使用重量較大且內部缺陷不易檢測，從方便機械化施工的角度出發，適合的接觸網支柱型式有預應力混凝土支柱、H型鋼支柱以及鋼管支柱等。

4 營業線鐵路接觸網基礎選型

4.1 基礎型式及技術特點

4.1.1 接觸網基礎型式

德國、法國、日本等國接觸網支柱的配套基礎型式相對較少，主要有無臺階側向承載式基礎（矩形斷面，如日本、法國和英國）和樁基礎（小徑鋼管樁、鉆孔灌注樁，如德國和西班牙）【7】。支柱基礎均采用機械施工，基坑鉆孔成形或直接打樁。

我國接觸網支柱基礎型式主要包括：直埋式基礎、明挖擴大式基礎、無臺階側向承載式基礎、預制混凝土管樁式基礎、鉆孔澆筑樁式基礎等【8~12】，但基礎型式大多不適合機械化施工，且依賴人工開挖基坑。

4.1.2 接觸網基礎技術特點分析

綜合國內外的應用情況來看，可用于鐵路電氣化改造的不同類型接觸網基礎形式的技術特點如下：

1）直埋式基礎。施工簡便，工期短，質量易控制，施工完畢后可立即負荷使用，尤為適于既有線鐵路改造，但其承受載荷相對較小。

2）明挖擴大式基礎。需人工開挖基坑和回填，耗費大量人力資源，且工期長；由于挖深較大，坑壁邊坡易失穩；后期對基坑進行原狀土回填夯實，容易擾動路基，基礎自身穩定性亦有影響。

3）無臺階側向承載式基礎。斷面多為矩形，人工開挖基坑，目前國內尚無專門的機械施工設備。

4）打入式鋼樁基礎。在德國應用較多，但施工容易對路基產生較大擾動。

5）預制混凝土管樁式基礎。施工時對周圍土層產生一定的擾動，而且施工設備較為龐大，不便于移動。

6）鉆孔澆筑樁，采用了鉆孔機械施工，具有噪聲低、振動小、施工方便、工作效率高等優點。

4.2 營業線鐵路接觸網基礎選型

考慮到營業線路基不允許有較大的施工擾動，故首先排除不適宜的打入式鋼樁基礎及預制混凝土管樁基礎；其次，無臺階側向承載式基礎的斷面一般為矩形，目前國內尚無專門的機械施工設備，多由人工開挖，故該基礎型式也予以排除；再者，明挖擴大式基礎雖然具有較大的容量，但基礎平面形狀多為矩形斷面，也無專門的機械開挖設備，加之此類基礎基坑開挖較大，對運營路基產生擾動大，底部擴階深入道床底部嚴重影響路基、道床整體穩定性，同樣予以排除。因此，從方便機械化角度出發，適合營業線鐵路電氣化改造的接觸網基礎型式主要有直埋式基礎、機械鉆孔樁基礎（鉆孔灌注樁、干作業螺旋鉆孔樁）。

5 蕪廣線接觸網支柱基礎選型設計

5.1 蕪廣線接觸網支柱基礎選型

由于獨立式基礎和鉆孔澆筑基礎在基坑開挖完成后，還需要綁扎鋼筋、支模板和澆筑混凝土，不僅耗時長，而且工序煩瑣，故該基礎型式不適合機械化作業。相對而言，直埋式基礎可采取機械開挖基坑，插入立柱后再直接回填土，不僅耗時短，而且無需特定的養護時間，便可直接進行后觸網續接的安裝作業。橫腹式預應力混凝土直埋基礎如圖1所示。

圖1 橫幅式預應力混凝土支柱直埋式基礎

5.2 接觸網基礎設計原則

接觸網基礎的作用是用來穩定支柱，使其不產生傾覆、歪斜以及下沉。對于營業線鐵路而言，直接埋設式整體支柱往往是將支柱底部埋設在地下，埋置深度一般為3m，地下埋設部分兼起基礎的效能，其四周回填土逐層夯實。基礎的穩定條件為：

式中，Mj、MH為極限荷載和工作荷載；Pj、PH為極限抗傾覆力矩和工作抗傾覆力矩；K0為抗傾覆安全穩定系數，取1.5。

6 結語

本文結合蕪湖南—廣德線鐵路電氣化改造工程，通過對國內外接觸網支柱和基礎結構型式及其施工技術現狀的調研分析，有針對性地開展了既有鐵路電氣化改造工程接觸網支柱及其基礎的合理結構型式選取及設計的研究，最終為采用新技術水準的設計和高質量標準的工程提供物質條件，也為最終促進鐵路線路設計等級的提高而服務。