低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案研究

惠蓬勃

（華設設計集團股份有限公司甘肅分公司，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

在城市軌道交通持續發展的形勢下，很多城市的軌道交通建設已經從城區向郊區延伸，并且開始與周邊城市建設城際鐵路連接。受到施工現場地形地勢、土地資源應用現狀等因素的影響，部分城市的城際鐵路線路以地下隧道為主，低凈空盾構隧道便是城際鐵路工程經常應用的一種隧道模式。低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案選擇需要從運行維護、安裝施工、經濟性、適用性、工程情況、技術成熟度等方面出發，確保城際鐵路的施工質量。

1 低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方式

1.1 剛性懸掛方式

剛性懸掛方式結構簡單，剛性懸掛點彈性良好，安裝施工、運行維護方便快捷，無須針對補償裝置進行局部開挖，對安裝位置的尺寸要求較低，能夠確保電氣設備安全距離的余量充足。

1.2 柔性懸掛方式

低凈空盾構隧道內接觸網柔性懸掛方式分為弓形腕臂懸掛、三角腕臂懸掛兩種。弓形腕臂懸掛方式如圖1所示，結構受力穩定性較差，結構簡單，安裝方便快捷，中間柱懸掛能夠應用正定位、反定位兩種安裝形式，絕緣關節需要沿著線路兩側相對布置，調節范圍較小，對于接觸網和土建工程施工質量要求較高。三角腕臂懸掛方式如圖2所示，結構受力穩定性良好，只能應用反定位安裝形式，高度調節難度較大，股道懸掛結構需要沿著線路兩側相對布置[1]。

2 低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案設計

2.1 工程概況

某城際鐵路共有5座隧道，均為單線隧道，全長2600m，占線路全長的8.21%，建筑限界為“隧限-1A”，屬于低凈空隧道，允許超級超限貨物列車運行。

某城際鐵路低凈空盾構隧道現存問題為：隧道凈空無法滿足超級超限貨物列車運行的需求。針對此類問題，常見的解決方式如下：其一，拆除原有隧道襯砌，建立新襯砌，確保接觸網懸掛能夠滿足隧道凈空需求。此方式的造價較高、施工周期較長、工程量較大。其二，降低隧道內接觸網的懸掛高度。此方式會降低鐵路線路的運輸能力，并且無法全面滿足超級超限貨物列車的運行需求。可見上述兩種解決方式均存在弊端，為此，選擇接觸網懸掛方式，開展某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程。

2.2 設計原則

2.2.1 確定低凈空盾構隧道內接觸網懸掛高度。具體計算公式為：

式（1）中：Hjx表示接觸網懸掛高度；Y表示最大貨物允許裝載高度，現取超級超限貨物列車允許裝載高度5.3m；D表示帶電體與裝載貨物、機車車輛的距離，現取0.385m；δ1表示施工誤差及抬落道，現不考慮；f表示接觸網弛度，現取0.015m。將上述數值代入式（1），最終得到接觸網懸掛高度為5.7m。

2.2.2 關于受電弓動態包絡線，按照運行時速小于120km/h時，左右擺動量為0.2m，上下晃動量為0.1m進行設計[2]。

2.3 數據分析

某城際鐵路自建成后尚未經歷過較大規模的改造，現存在隧道出現拱頂偏斜、塌陷等病害，導致隧道斷面不統一，可見低凈空盾構隧道改造工程需要謹慎選擇接觸網懸掛方式。

現選擇每25m設置一個監測點，共設置了104個監測點，采集某城際鐵路5座隧道斷面數據，并對采集到的數據進行統計和分析，最終計算得到隧道凈空高度基本情況，如圖3所示。

根據隧道斷面數據和道凈空高度，繪制隧道拱頂擬合曲線，以此來模擬各個隧道的拱頂情況[3]。

分析5座隧道拱頂擬合曲線，可以發現某城際鐵路隧道凈空高度基本在6.35～6.55m之間，適合選擇弓形腕臂懸掛方式為主、其他懸掛方式為輔的接觸網懸掛方案，或剛性懸掛方式。

3 低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案對比

為了進一步驗證低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案設計的合理性和科學性，以及弓形腕臂懸掛方式是否適合某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程，現對柔性懸掛方式、剛性懸掛方式進行進一步對比分析，并最終確定改造工程接觸網懸掛方案。結合改造工程概況及實際改造需求，分析和對比弓形腕臂懸掛、弓形支撐懸掛、架空剛性懸掛三種懸掛方式。不選擇三角腕臂懸掛方式，是因為此懸掛結構過于復雜，盡管擁有良好的受流穩定性，但是受到技術因素的限制，很多施工單位無法滿足三角腕臂懸掛施工技術的要求。

3.1 柔性懸掛方式

相比較既往接觸網懸掛方式，弓形腕臂懸掛方式縮短了接觸網與承力索在懸掛點的距離，減小了結構尺寸，使結構更簡單、輕便，有利于滿足低凈空隧道接觸網懸掛需求[4]。考慮到某城際鐵路實際運行情況，如果選擇應用弓形腕臂懸掛方式，隧道凈空需要達到6.35m，才能夠滿足超級超限貨物列車運行需求，而某隧道的最低凈空僅為6.25m，可見改造工程不適合選擇弓形腕臂懸掛方式。

現對國內外其他柔性懸掛方式進行分析對比，決定選擇弓形支撐懸掛方式。此懸掛結構的簡單及輕便程度低于弓形腕臂結構，弓形支撐懸掛結構由線夾、金屬底座、弓形臂、絕緣子構成，金屬底座固定在隧道壁上，弓形臂一端與金屬底座相連，弓形臂另一端與絕緣子一端相連，絕緣子另一端與線夾相連。弓形支撐懸掛結構活動范圍在垂直框架上0.12m至下0.08m之間，需要根據此數據，結合上文隧道內接觸網懸掛高度計算結果，進一步調整具體接觸網懸掛高度。弓形支撐懸掛結構通過水平連接板、垂直框架、固定板不同孔位的組合連接確保軸銷垂直程度，從而實現靈活轉動，綜合隧道凈空高度變化，不同孔位的組合連接使得金屬底座能夠在0.25～0.33m之間進行調整，并且各個構成部分均不存在超出設計限值的情況。在弓形支撐懸掛結構中，絕緣子為主要受力部分，需要同時承受自身重量、懸掛在其上的接觸導線的重量、列車通過時受電弓對導線的作用力。絕緣子對于電氣性能、抗彎強度、絕緣性能的要求較高，適合選擇增強玻璃纖維樹脂棒為芯棒，以硅橡膠為傘裙材料。總體來講，弓形支撐懸掛方式能夠實現對隧道現有凈空的最大化應用，彈性較為均勻，受流較為穩定，并且全部零部件已經實現了國產化，能夠節約成本[5]。但是弓形支撐懸掛結構的構成零部件較多，應用張力架設形式，存在斷線、受力零部件變形等風險。

因此，針對某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程，現設計如下接觸網懸掛方案：針對凈空在6.35m以上的隧道，選擇應用弓形腕臂懸掛方式。針對凈空在6.35m以下的隧道，選擇應用弓形支撐懸掛方式。

3.2 剛性懸掛方式

剛性懸掛方式從20世紀80年代開始逐漸被應用在地鐵長、大隧道接觸網懸掛中，并且隨著列車運行時速的提高做出了針對性改善[6]。剛性懸掛方式適合應用在凈空較低的隧道接觸網懸掛中，能夠起到縮小懸掛空間、減少施工成本等作用，并且懸掛系統的構成零部件較少，后續維護成本較低，具備顯著的社會效益和經濟效益。

架空剛性懸掛結構由1根接觸線、1根“П”形鋁合金匯流排構成，一般為水平懸掛結構或垂直懸掛結構，因此對于隧道凈空的要求較低。并且鋁合金匯流排的載流截面較大，與柔性懸掛結構相比，能夠進一步縮小懸掛結構的尺寸，實現了對隧道凈空的有效應用，并且不存在斷線風險。架空剛性懸掛結構應用無張力架設形式，懸掛點之間的距離一般為6～10m，錨段長度需要在250m之內[7]。架空剛性懸掛方式弓網匹配性跟隨性良好，對受電弓的要求較低，相應的仿真設計技術較為成熟。

相比較弓形支撐懸掛結構，架空剛性懸掛結構所需要的安裝空間更小，對于隧道凈空的最低要求為3m，極端情況下只需要2.3m。并且應用架空剛性懸掛方式，不需要對隧道進行挑頂，因此不會對已經完成的土建工程造成過多破壞和影響。

3.3 確定懸掛方案

可見，柔性懸掛方式、剛性懸掛方式兩種懸掛方式均能夠滿足低凈空盾構隧道內接觸網懸掛需求，標準偏差、平均接觸力等動態性能指標均能夠滿足設定標準，并且受流質量較好。兩種懸掛方式的相關技術手段及應用設施已經較為成熟，在我國城際軌道及干線鐵路中均有應用，有各自的技術應用優勢，能夠滿足車輛電力需求，從而滿足鐵路運行需求。

上述兩種懸掛方案均能夠滿足某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程改造需求。從技術層面來講，剛性懸掛方式的技術水平更高。因此，從經濟角度對比上述兩種懸掛方案，從而確定最終的兩種懸掛方案。

柔性懸掛方案需要對隧道進行局部挑頂，會導致一定的后續土建工程修復成本；全部零部件已經實現了國產化，能夠節省零部件購買成本；日常維護工作量較大，后續維護成本較高；接觸網下錨、地下車站渡線較多，占用空間較大，需要設置專門的下錨安裝空間，因此會增加土建施工成本；施工工程量及后續調整工程量較大，但只需要加大施工人員投入即可，會增加人力資源成本，但是不會出現大幅度增加的情況。綜合計算，低凈空盾構隧道內接觸網柔性懸掛方案施工成本為45萬元/km。

剛性懸掛方案不需要對隧道進行挑頂，不會導致后續土建工程修復成本；基本零部件已經實現了國產化，需要的零部件購買成本相對較低；日常維護工作量較少，后續維護成本較低；不需要設置專門的下錨安裝空間，不會增加土建施工成本；對于施工精確程度及誤差控制準確程度的要求較高，需要聘請專業的技術人員完成施工作業，會增加人力資源成本。綜合計算，低凈空盾構隧道內接觸網剛性懸掛方案施工成本為170萬元/km。

通過上述分析，僅從低凈空盾構隧道內接觸網剛性懸掛施工工程角度，可以發現剛性懸掛方案施工成本要遠遠高于柔性懸掛方案，約為柔性懸掛方案的3.8倍。盡管柔性懸掛方案在后續還可能導致其他的土建工程成本，但是總體來講，還是柔性懸掛方案的施工成本更少。

結合某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程的實際情況，最終選擇應用弓形腕臂懸掛方式為主、弓形腕臂懸掛方式為輔的接觸網懸掛方案，不但能確保懸掛結構的穩定程度、懸掛技術的成熟程度，還能盡量減少施工成本。需要注意的是，為了避免隧道凈空對接觸網懸掛施工造成影響，需要測量好隧道凈空、弓形腕臂懸掛結構高度、弓形腕臂懸掛結構高度，避免出現隧道凈空不能滿足接觸網懸掛需求的情況，否則會導致更多施工問題及施工成本。可見具體低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案選擇需要同時結合技術和經濟因素。

4 結語

綜上，闡述了柔性懸掛方式、剛性懸掛方式，以某城際鐵路低凈空盾構隧道改造工程為例，論證和對比了不同低凈空盾構隧道內接觸網懸掛方案，最終確定了弓形腕臂懸掛方案。經證實，改造工程目前運行狀況良好，可見懸掛方案選擇有效解決了低凈空盾構隧道內接觸網懸掛需求問題，并且將施工對于既有隧道的運行影響降到了最低，能夠為同類型工程進行及同類型問題解決提供有效參考思路。