地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道方案研究

王溢斐

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300000）

1 研究背景

城市軌道交通接觸網安裝，傳統上多采用化學錨栓在隧道結構上鉆孔安裝，這種方式在施工中可能碰到結構鋼筋而損傷隧道結構。深圳地鐵9號線是國內首條在盾構區間采用全環預埋槽道技術的地鐵項目，目前越來越多的城市在新建地鐵項目上開始采用這項技術。預埋槽道的優點為：減少機電安裝對土建結構的破壞，提高土建結構的耐久性，縮短機電安裝的工期[1-3]。

從目前國內地鐵工程預埋槽道的情況來看，內徑小于5 500 mm的盾構隧道一般在每環管片上均預埋全環單槽道，各機電專業均利用預埋的全環單槽道進行安裝，接觸網剛性懸掛安裝如圖1所示。

圖1 深圳9號線單槽道懸掛接觸網Figure 1 Single channel suspension OCS in Shenzhen Line 9

上海地鐵盾構隧道內徑為5 900 m，盾構隧道采用通縫管片，在軌道上方封頂塊局部為接觸網預埋了雙槽道。隨著軌道交通的迅速發展，很多地區的地鐵工程盾構隧道開始采用內徑5 900 mm的錯縫管片，如杭紹線、紹興1號線、廈門地鐵等。由于盾構機推進過程中管片旋轉錯縫拼裝，使隧道頂部局部為接觸網預埋雙槽道的施工難度變大，如果全環預埋雙槽道則投資成本較高，所以高凈空盾構隧道當采用錯縫拼裝管片時，是否有必要單獨為接觸網專業預埋雙槽道，就需要進行結構受力計算分析。

2 高凈空剛性懸掛接觸網安裝方案

2.1 方案1：預埋雙槽道安裝

上海地鐵9號線三期東延伸、上海地鐵13號線二期的盾構隧道采用通縫管片，軌道上方封頂塊預埋雙槽道(見圖2)。該方案美觀性好，結構穩定，槽道抗彎性好，后期運營檢修方便。

圖2 預埋雙槽道的懸掛方式Figure 2 Suspension method on Double channel

當盾構隧道采用錯縫旋轉拼裝方案時，如采用全環預埋雙槽道，則投資較高。若能優化管片施工工藝，每隔7環(管片寬度1.2 m時)在隧道頂部為接觸網局部預埋雙槽道，則能有效降低槽道投資。

2.2 方案2：利用相鄰槽道支架安裝

利用相鄰兩個管片的單槽道安裝(見圖3)[4]，跨距能夠調節，與錨段關節處安裝方式一致，利用兩排單槽道，穩定性好，抗彎能力強。但該方案美觀性差，結構復雜，全線大范圍跨管片安裝，若管片錯移、沉降變形，會造成接觸網吊架結構不穩，使接觸網系統存在較大的安全隱患，運營監測成本較大，后期運營檢修不太方便。因此，不建議全線大范圍采用這種安裝形式。

圖3 利用相鄰槽道支架的安裝方式Figure 3 Use of adjacent channel and bracket installation method

2.3 方案3：利用相鄰槽道加斜撐

利用相鄰兩個管片的單槽道安裝[5-6]，吊柱順線路方向設斜撐(見圖4)，改善剛性懸掛吊柱受力，槽道、T螺栓受彎矩影響較小。但該方案美觀性差，結構受壓性差，全線大范圍跨管片安裝，若管片錯移、沉降變形，則接觸網系統存在較大的安全隱患，運營監測成本較大。因此，不建議全線大范圍采用這種安裝形式。

圖4 利用相鄰槽道加斜撐的安裝方式Figure 4 Use of adjacent channels and diagonal bracing installation

方案2、3均利用兩個相鄰盾構管片的單槽道作穩定支持結構，但均需要跨管片安裝，所以接觸網安全隱患較大，不宜全線大范圍采用這兩種安裝方式。

結合目前國鐵、地鐵高凈空隧道內預埋槽道的應用情況，從系統安全穩定的角度考慮，高凈空盾構隧道接觸網的安裝，建議采用在同一管片上預埋雙槽道的懸掛方案，即方案1。

3 剛性懸掛接觸網的受力分析

剛性懸掛接觸網的懸掛定位裝置，一般由匯流排定位線夾、絕緣子、懸吊槽鋼等零件構成。匯流排通過定位線夾，與隧道頂部槽鋼等裝置固定連接。在設計安裝時，考慮到匯流排在長時間運行過程中會出現輕微位移，所以定位線夾與匯流排之間留有一定間隙，允許匯流排在線夾槽內滑動，以適應其因溫度變化而引起的順線路方向的位移變化。

但是，隧道內環境比較潮濕，空氣中水分多，使定位線夾與匯流排零部件氧化嚴重，零件表面氧化銹蝕會增大摩擦系數，容易引起匯流排線夾卡滯[7]，如圖5所示。

圖5 剛性接觸網匯流排線夾卡滯Figure 5 Case of rigid catenary stuck on site

匯流排線夾一旦發生卡滯，當匯流排熱脹冷縮時，會使接觸網懸掛裝置承受順線路方向的較大剪力。當溫度變化時，匯流排因溫度變化所引起的變化量[7-8]如下：

式中，ΔL為匯流排隨溫度變化的伸縮量，L為計算懸掛點至中錨的距離，Δt為溫度變化量，a為匯流排的線膨脹系數。

剛性懸掛接觸網對槽道、T螺栓的作用力，主要體現在由順線路方向剪力所引起的彎矩造成的影響。當匯流排線夾出現卡滯等不利情況時，匯流排熱脹冷縮會產生較大的剪力，在高凈空時，單槽道懸掛接觸網產生的彎矩較大，結構穩定性較差。

接觸網無備用，安全等級要求高，預埋槽道的結構穩定性直接影響到接觸網懸掛系統的穩定性。接觸網是帶電體，如果順線路方向剪力造成的彎矩過大，將會導致接觸網吊架變形或者跌落而使行車中斷，威脅人身安全，造成嚴重后果。因此，安全性是接觸網設計所考慮的最重要的因素之一。

4 高凈空預埋槽道的受力計算

以杭紹線為例，盾構隧道內徑5 900 mm，軌面至隧道頂凈空 4 950 mm，接觸網懸掛點距軌面高度4 100 mm；預埋槽道槽鋼本體厚度20 mm，寬度30 m；錨桿外徑不小于10 mm，錨桿長度不小于60 mm；配套T型螺栓直徑為12 mm。

采用ANSYS軟件分析，模型采用體單元建模[9-10]，考慮了螺栓與槽道間的摩擦以及螺栓的預緊力。

4.1 高凈空單槽道懸掛方式的受力計算

剛性懸掛接觸網每個懸掛點的垂直荷載為5 kN，作用于匯流排定位線夾處順線路方向的剪切荷載為3 kN，垂直線路方向的剪切荷載為1 kN，建立單槽道剛性懸掛模型如圖6所示。

圖6 單槽道剛性懸掛模型Figure 6 A single channel rigid suspension model

經過有限元仿真計算的槽道應力如圖7所示，最大應力為1 393 MPa，最大應力集中出現在槽道牙口范圍，超過厚度的2/3，該單槽懸掛結構受力不安全。

圖7 槽道應力分布(剪力3 kN)Figure 7 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

考慮到剛性懸掛針式絕緣子彎曲破壞荷載為9 kN，因此計算槽道極限受力時作用在匯流排線夾處順線路方向的最大水平剪切荷載按9 kN考慮，槽道應力分布如圖8所示，最大應力為2 263 MPa，較大應力集中出現在槽道牙口與T型螺栓連接處，超過1 000 MPa的應力基本貫穿在整個槽道。錨桿應力分布如圖9所示，錨桿最大應力 1 407 MPa，集中在錨桿根部，錨桿受力不安全。

圖8 槽道應力分布(剪力9 kN)Figure 8 Channel stress distribution diagram (Shear force 9 kN)

圖9 錨桿應力分布(剪力9 kN)Figure 9 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

通過正常荷載及最不利荷載條件下的有限元受力計算可以看出，高凈空單槽道懸掛安裝接觸網，受力不滿足安全要求，存在安全隱患。

4.2 高凈空雙槽道懸掛方式的受力計算

雙槽道間距為 300 mm，剛性懸掛接觸網每個懸掛點的垂直荷載為5 kN，作用于匯流排定位線夾處順線路方向的剪切荷載為3 kN，垂直線路方向的剪切荷載為1 kN。建立雙槽道剛性懸掛模型，如圖10所示。

圖10 雙槽道剛性懸掛模型Figure 10 The double-channel rigid suspension model

通過有限元仿真計算槽道應力，如圖11所示。最大應力范圍很小，不超過一個單元的范圍；而大部分區域的應力基本在200 MPa以下，槽道整體受力安全。

圖11 槽道應力分布(剪力3 kN)Figure 11 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

錨桿應力分布如圖12所示，錨桿的應力主要集中在150～200 MPa范圍，錨桿整體受力安全。

圖12 錨桿應力分布(剪力3 kN)Figure 12 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 3 kN)

當作用在匯流排線夾處順線路方向的最大水平剪切荷載按9 kN考慮時，槽道應力分布如圖13所示。槽道整體的應力為231～465 MPa，應力大部分集中在槽道上部范圍，總體來看槽道在最大荷載下受力安全。

圖13 槽道應力分布(剪力9 kN)Figure 13 Channel stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

錨桿應力分布如圖 14所示，大部分沒有超過200 MPa。最大應力為472 MPa，但超過屈服應力的范圍很小，整體可以忽略。總體來看，錨桿在最大荷載下受力安全。

圖14 錨桿應力分布(剪力9 kN)Figure 14 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

在正常荷載及最不利荷載條件下，通過有限元受力計算可以看出，采用高凈空雙槽道懸掛安裝接觸網，結構穩定，受力能夠滿足安全要求。

由此可見，高凈空盾構隧道單槽道懸掛剛性接觸網受力不安全，存在安全隱患；雙槽道懸掛剛性接觸網除滿足正常受力之外，也能滿足最大荷載下的受力，結構穩定，可靠性高。

5 預埋雙槽道的工程應用案例

杭紹線設計速度100 km/h，地下段盾構隧道內徑5 900 mm，接觸網采用剛性懸掛，為保證接觸網結構穩定，供電安全可靠，經過研究杭紹線剛性懸掛接觸網安裝采用預埋雙槽道。

杭紹線盾構隧道采取錯縫旋轉拼裝，若采用雙槽道全環預埋，投資較高。槽道按140元/m考慮時，杭紹線全線盾構管片約1.4萬環，每環槽道18 m，盾構隧道接觸網懸掛點約2 000處，接觸網懸掛點處采用全環預埋雙槽道，需要增加投資約為504萬元。

若能夠優化管片施工工藝，每隔 7環(管片寬度1.2 m時)，在隧道頂部為接觸網局部預埋雙槽道，則投資較低。經測算，局部預埋雙槽道增加投資約為36萬元。

經過細部設計，杭紹線每隔7環預埋雙槽道(每環管片1.2 m)，雙槽道間距為300 mm，直線段接觸網在隧道頂部所需預埋槽道范圍為13°(角度中心點為隧道圓心點，左右各6.5°)，曲線段接觸網在隧道頂部所需預埋槽道范圍為 18°(角度中心點為隧道圓心點，左右各9°)。根據接觸網專業需求，隧道結構專業對預埋槽道做了優化設計，采用建筑信息模型(BIM)、管片二維碼等新技術優化管片排版，解決了杭紹線盾構管片錯縫旋轉拼裝精準預埋槽道的問題，既保證了高凈空盾構隧道接觸網安裝結構的穩定，又節約了工程投資。

6 結語

本研究通過對地鐵高凈空盾構隧道內3種接觸網槽道安裝方案的綜合比選分析，并對單槽道、雙槽道懸掛接觸網結構進行了有限元受力計算，得到以下結論：

1) 高凈空單槽道懸掛接觸網結構不穩定，存在安全隱患。

2) 從安全的角度考慮，建議高凈空盾構隧道采用雙槽道懸掛接觸網，且應該安裝在同一管片上。

3) 高凈空盾構管片采用通縫安裝時，可直接在軌面以上的封頂塊預埋雙槽道。高凈空盾構管片采用錯縫旋轉拼裝時，建議優化管片施工工藝，利用BIM技術提前優化排版，每隔一定跨距在隧道頂部局部預埋雙槽道，可有效降低槽道的投資。

本研究在杭紹線工程中得到了應用，可為后續地鐵工程高凈空盾構隧道內接觸網預埋槽道設計方案提供一定的借鑒和參考。