復雜艱險山區電氣化鐵路接觸網關鍵技術問題及應對措施

楊 佳

(中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

1 概述

隨著我國中西部地區建設的飛速發展，大量山區電氣化鐵路如貴廣、云桂、川藏、滇藏、成蘭鐵路等已開通運營或將陸續建成。這些鐵路途徑高山深谷，人跡罕至，多次穿越地震斷裂帶，跨越大江大河。沿線接觸網工程將面臨高海拔、長大坡道、特長隧道(群)、大峽谷、高地震烈度、高地熱、大溫差、重覆冰以及強日照等復雜艱險的嚴酷環境，對于無備用的接觸網設計、建設、應急搶修和運營維護等工作來說異常困難。

2 復雜艱險環境

基于電氣化鐵路接觸網系統的服役特性，總結、分析復雜艱險山區各種地形、地質及氣候環境特征，可將影響山區電氣化鐵路接觸網系統的復雜艱險環境歸納為3大特征：復雜的地形地貌、頻發的地質災害和極端的氣候環境[1]，統計后主要環境特征見表1。

3 關鍵技術問題及應對措施

3.1 高海拔

隨著海拔增加，大氣密度降低、紫外線增強，沿線以及隧道內還伴隨著高濕度、高地熱等環境，主要影響接觸網電氣性能，具體應對措施見表2。

表1 復雜艱險山區工程環境特征

表2 高海拔環境關鍵技術問題及應對措施

3.2 長大坡道

連續超長大坡道主要影響接觸網電分相設置、懸掛參數及列車啟動、制動等，具體應對措施見表3。

表3 長大坡道環境關鍵技術問題及應對措施

3.3 特長隧道(群)

特長隧道(群)數量較多時，列車頻繁進出隧道、隧道施工工法及隧道內(口)處微氣候環境等均影響接觸網系統設計，具體應對措施見表4。

3.4 大峽谷

山高谷深易導致峽谷風盛行，復雜的地形地貌對風速影響極大，峽谷風的加速、越山風的紊流及山體斜坡風爬坡效應比較明顯，風向、風速時空差異較大，相應的峽谷風荷載對接觸網系統影響較大，具體應對措施如下。

(1)峽谷風荷載方面：考慮峽谷風特征和風場效應，合理選取風荷載設計參數[6]；基于風-橋-柱-網-弓動態耦合作用，結合列車風雨限速規則，考慮接觸網正常(列車運行)和非正常(列車停運)工作狀態。

(2)供電饋線方面：優化供電方案、所亭位置以及供電線路徑，盡量避開復雜的峽谷地形；采取輸電大鐵塔方案，采取可靠性高、載流量大的導線，增大檔距、減少塔基。

表4 超長隧道(群)環境下接觸網關鍵技術問題及應對措施

3.5 高地震烈度

復雜艱險山區鐵路沿線多發生錯斷、震壞和地震次生災害，地震動峰值加速度甚至大于0.4g，接觸網工程應充分考慮抗震以及減震、隔震設計，具體應對措施主要如下。

(1)合理選取地震設計波形，考慮強震環境下“基礎+支柱+腕臂定位+導線+墜砣”共同耦合作用。

(2)滿足“大震不倒、中震可修、小震不壞”設防目標，差異化設計接觸網服役功能需求。

(3)支柱宜選用抗震性能好、易于搶修的法蘭連接形輕型鋼管柱，支柱的自振周期應避免與橋梁土建結構等自振周期接近[7]。

(4)接觸網系統設計參數應考慮抗震系數修正，包括鋼結構件的承載力、地基抗震承載力以及錨栓有效錨固深度等[8]。

3.6 極寒、頻繁大溫差

復雜艱險山區特別是高海拔地區空氣稀薄，太陽輻射強，日照長，形成日溫差大且頻繁，陰坡與陽坡溫差大等特點。接觸網系統面臨的關鍵技術問題主要包括極端溫度、頻繁大溫差環境下接觸懸掛參數設計，材料、零部件選型及加工工藝等，具體應對措施如下。

(1)懸掛參數方面：充分考慮溫度變化引起的線索長度、弛度變化，應適當縮短跨(檔)距、錨段(耐張段)長度，加大線索或裝備間距離；考慮晝夜溫差、天氣急劇變化引起的大溫差且溫度變化頻繁等特點，考慮接觸網系統的張力偏差以及補償裝置的工作行程、往返頻次等影響。

(2)材料及裝備方面：優先選用鋁合金、銅合金及不銹鋼等有色金屬或耐候鋼[9]；合理選擇鋼結構材質等級，避免選用Q235A、Q235B.F[10]，優選模鍛件；合理進行熱處理，嚴格控制構件金相和焊縫低溫等性能，提高產品質量；考慮溫差大、溫度變化頻繁等特點，選取高可靠性、耐疲勞的接觸懸掛及補償裝置。

3.7 凍土

復雜艱險山區鐵路沿線伴有季節性凍土，不同深度的凍土直接影響接觸網支柱基礎及接地設計，具體應對措施如下。

(1)支柱基礎：優先采取與土建同步施工預留方案，降低后期基礎施工難度以及對路基防護的破壞程度；采用受凍脹及融沉影響小的機械鉆孔樁基礎，樁基穿透土壤凍結深度；采用高等級、防水、抗凍脹及耐寒混凝土，在基礎周圍涂抹防凍劑；基礎設計考慮凍脹切向力和融沉承載力，適當加大基礎埋深，合理優化基礎外形結構[11]。

(2)接地方案：接地線采用韌性較好的柔軟絞線，避免設置在凍土層中避免在凍土解凍時斷裂、破壞；充分考慮凍土解凍前后引起的土壤電阻率的變化，準確進行接地電阻值的校核[12]。

3.8 重覆冰

覆冰對接觸網系統的影響主要包括：接觸網系統本身結冰、融冰前后的自身影響；沿線接觸網附近物體結冰時、融冰后對接觸網系統的外部影響，具體應對措施見表5。

表5 重覆冰環境關鍵技術問題及應對措施

3.9 強雷電

隧道外接觸網多裸露在空曠地帶，高于周邊地形或位于高山峽谷地段，接觸網防雷設計主要面臨的問題在于艱險無人區雷電環境資料的獲取，以及復雜多變線路的差異化防雷等，具體應對措施如下。

(1)收集沿線雷暴日、地閃密度等相關資料，有效開展差異化防雷設計。

(2)結合“V”形峽谷等特殊地形地貌，科學進行接觸網防雷設計[16]。

(3)優化隧道群間接觸導線、回流導線、架空地線、避雷線以及供電線等多種導線合架時布置方案。

3.10 施工及運營維護

復雜艱險山區電氣化鐵路沿線氣候環境極其惡劣，氧氣稀薄、生活和交通極其不便，接觸網施工及運營維護困難，面臨極其嚴峻的考驗，應充分考慮施工和運營維護的方便、快捷和可靠性，具體應對措施如下。

3.10.1 施工方面

(1)系統化：結合沿線地理環境、生產生活設施，科學合理編制施工組織方案，研究各種復雜、惡劣工況下的施工方案及工法工藝。

(2)一體化：基礎優先采取與土建同步預留施工；采用精細化的預配工藝，進行工廠化預裝、集成，減少現場二次組裝或返工。

(3)輕型化：支柱等構件宜考慮輕型、便于運輸；裝備宜考慮質量輕、易于搬運和安裝。

(4)機械化、智能化、信息化[17]：采用機械鉆孔或打樁基礎；采用GIS、BIM等信息化手段[18]；采用數字化、智能化的接觸網測量、打孔、裝配以及放線等先進裝備。

3.10.2 運營維護方面

(1)結合高海拔、無人區等特點，合理規劃搶修、運營、檢測、維修等運營維護體系，提高應急搶修救援策略。

(2)結合地形地貌、站區分布、生活條件等，合理設置運營維護機構和車輛、設備。

(3)結合高海拔低溫、低壓、缺氧、交通極不便、長大坡道以及隧道等惡劣條件，配備制氧、醫療等生活設施[19]，配置快捷、智能化的高性能作業車輛、工機具。

(4)設置6C、PHM及監測預警系統等接觸網智能運維系統[20]。

4 結語

復雜艱險山區電氣化鐵路接觸網工程面臨著多項技術難題，基于接觸網服役性能，通過總結和分析其面臨的關鍵技術及薄弱點，研究并提出應對措施，為復雜艱險山區電氣化鐵路接觸網設計、施工和運營維護提供系統的理論指導和技術保障。同時，為了全面實現復雜艱險山區電氣化鐵路接觸網可適應性、高可靠性、長耐久性、少維修或免維護的目標，下一步還亟待開展系列研究工作，至少包括以下3個方面。

(1)加強對復雜艱險環境的勘測調查和收集整理，逐步建立和完善接觸網服役環境數據；充分研究影響接觸網服役的環境對象，掌握風、雨、冰、雪等特性及影響機理，準確量化指標，合理確定設計和運營邊界條件。

(2)基于土建結構全方位研究接觸網在各種環境作用下或多環境共同作用下的工作機理和服役特性，系統化、差異化開展設計。

(3)深入研究機械化、智能化、信息化施工和運營維護，建立防災減災、應急恢復體制，構建適用于復雜艱險環境下的接觸網成套技術體系，全方位保障復雜艱險山區電氣化鐵路的安全、可靠、穩定運行。