城市軌道交通新型裝配式軌道與雜散電流防護(hù)技術(shù)接口研究

田德倉 黃德亮 尉大業(yè)

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510330；3.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

1 概述

隨著我國城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)和發(fā)展，城市空間發(fā)展模式逐漸由單核向多核演變，城市軌道交通建設(shè)應(yīng)適應(yīng)城市空間發(fā)展模式轉(zhuǎn)變，給城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供新機(jī)遇。廣州擬規(guī)劃80～250 km/h不同速度級(jí)城市軌道交通，實(shí)現(xiàn)主城與衛(wèi)星城、組團(tuán)、多核心之間的交通聯(lián)系，刺激組團(tuán)內(nèi)部、衛(wèi)星城的經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)[1]。為提高城市軌道交通項(xiàng)目建設(shè)效率，積極開展裝配式軌道相關(guān)研究很有必要。

上海、北京、深圳、蘇州等地鐵建設(shè)中引進(jìn)了高速鐵路技術(shù)，采用與CRTSⅢ型板類似的裝配式軌道技術(shù)。傳統(tǒng)地鐵軌道系統(tǒng)中，受基礎(chǔ)沉降和溫度梯度影響，板下與自密實(shí)混凝土之間容易開裂，導(dǎo)致地鐵鋼軌對(duì)地電阻值下降較快，運(yùn)營期間地電阻值容易小于GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》中15 Ω·km的限值要求。針對(duì)軌道絕緣性不足等問題，提出了一種新型預(yù)制裝配式軌道結(jié)構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行深入分析。

2 城市軌道交通新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)

2.1 裝配式軌道在城市軌道交通的技術(shù)優(yōu)勢

裝配式無砟軌道整體性好，其道床具有較高的耐久性；現(xiàn)場施工作業(yè)少，方便現(xiàn)場施工管控；可采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工技術(shù)；可利用信息化手段提高裝配式軌道施工鋪設(shè)精度，建造數(shù)據(jù)有可追溯性，可實(shí)現(xiàn)較高的軌道TQI質(zhì)量指數(shù)；施工環(huán)境好，軌道工程質(zhì)量高[2]。

2.2 采用新型裝配式軌道提高軌道結(jié)構(gòu)耐久性

列車荷載應(yīng)力波在軌道結(jié)構(gòu)自由面反射成拉伸波，易使混凝土產(chǎn)生破壞(稱為層裂)[3]。高速鐵路中，對(duì)無砟軌道進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，即土工布隔離層結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長期運(yùn)營實(shí)踐，土工布隔離層下的澆筑層仍然容易發(fā)生開裂、破碎[4]。通過板式無砟軌道結(jié)構(gòu)砂漿層傷損機(jī)理、隔離層材料剛度對(duì)砂漿層力學(xué)特性影響、隔離層材料等方面的研究，提出一種新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 新型裝配式軌道結(jié)構(gòu)示意

隔離層材料采用微彈性雙層結(jié)構(gòu)，既能方便軌道板起吊更換，又能提供較好彈性，提高板下自填充砂漿層耐久性，同時(shí)也為地鐵雜散電流接口設(shè)計(jì)提供條件。

2.3 微彈性隔離層性能

微彈性隔離層采用8 mm厚封閉發(fā)泡技術(shù)的聚氨酯或橡膠材料制造，起到如下3個(gè)作用：①增加軌道彈性，緩沖結(jié)構(gòu)受力，降低軌道結(jié)構(gòu)傷損；②提高軌道絕緣性，減少雜散電流泄露，干態(tài)電阻值為108Ω；③割線剛度≤0.09 N/mm3。與一般地段整體道床相比，可實(shí)現(xiàn)2～3 dB的減振效果。微彈性隔離層現(xiàn)場效果見圖2。

圖2 新型裝配式軌道用隔離層

3 雜散電流防護(hù)技術(shù)現(xiàn)狀

城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)多存在雜散電流現(xiàn)象(地鐵迷流)[5]，目前我國軌道工程中，一般采取鋼筋點(diǎn)焊，內(nèi)設(shè)排流條和端子等措施，來防止迷流破壞鄰近結(jié)構(gòu)物。因此，雜散電流防護(hù)設(shè)計(jì)是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容[6]。

3.1 雜散電流對(duì)軌道交通的危害

直流牽引供電系統(tǒng)中牽引電流由鋼軌流回至牽引變電所過程中，有一部分由鋼軌流入大地再返回至牽引變電所，被稱為雜散電流[7]。雜散電流沿線穿越金屬管線或鋼筋結(jié)構(gòu)，電荷與金屬鐵單質(zhì)結(jié)合形成鐵離子流失到土壤里，逐漸對(duì)沿線金屬結(jié)構(gòu)腐蝕破壞(見圖3)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)威脅結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和人員安全。

圖3 直流供電系統(tǒng)雜散電流腐蝕示意

3.2 雜散電流泄漏途徑

裝配式軌道自上而下結(jié)構(gòu)為鋼軌、扣件、軌道板(帶隔離層)、細(xì)石鋼纖維混凝土調(diào)整層。軌道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)雜散電流泄漏途徑：走行軌→軌道板→隔離層→隧道基礎(chǔ)，再返回至牽引所的負(fù)極[8-9]。

3.3 裝配式軌道雜散電流接口標(biāo)準(zhǔn)

CJJ/T49—1992《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》第4.2.1條 規(guī)定：“兼做回流的地鐵走行軌與隧洞主體結(jié)構(gòu)(或大地)之間的過渡電阻值(按閉塞區(qū)間分段進(jìn)行測量并換算為1 km長度的電阻值)，對(duì)于新建線路不應(yīng)小于15 Ω·km，對(duì)于運(yùn)行線路不應(yīng)小于3 Ω·km[10]。”

CJJ/T49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》5.3.5第14條規(guī)定：“具備鋪設(shè)條件的道床區(qū)段應(yīng)鋪墊道床素混凝土，其鋪墊厚度不小于400 mm。當(dāng)?shù)来膊捎娩摻罨炷两Y(jié)構(gòu)或受條件限制道床素混凝土厚度達(dá)不到400 mm時(shí)，應(yīng)在道床下面鋪設(shè)耐久絕緣層或采取其他絕緣措施”。第17條規(guī)定：“當(dāng)?shù)罔F采用防護(hù)工程方案三時(shí)，走行軌對(duì)結(jié)構(gòu)、對(duì)地的過渡電阻值不應(yīng)低于15 Ω·km[11]。”

綜上，走行軌對(duì)地過渡電阻對(duì)雜散電流的大小和腐蝕量起著決定性作用，走行軌對(duì)地過渡電阻越大， 沿線雜散電流越小，腐蝕量越少[12]。

3.4 絕緣性改善

通過裝配式無砟軌道結(jié)構(gòu)隔離層和灌注層的傷損機(jī)理分析，隔離層材料力學(xué)、電學(xué)特性影響分析，材料試制、試鋪和力學(xué)電學(xué)試驗(yàn)研究，使新型隔離層材料既能方便軌道板更換，又能提供較好的彈性、板下墊層耐久性，同時(shí)提高地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 新型裝配式軌道絕緣性能分析

4.1 既有線類比測試情況

對(duì)國內(nèi)某地鐵線進(jìn)行鋼軌對(duì)地過渡電阻檢測，鋼軌測試數(shù)據(jù)包括鋼軌縱向電阻測試與過渡電阻測試。

(1)普通道床測試數(shù)據(jù)

①鋼軌縱向電阻

依照文獻(xiàn)[13]，鋼軌縱向電阻檢測原理見圖4。

圖4 鋼軌縱向電阻檢測原理

鋼軌本體縱向電阻RR10m計(jì)算式為

(1)

②鋼軌對(duì)地過渡電阻

按照相關(guān)文獻(xiàn)，隧道內(nèi)鋼軌對(duì)地的過渡電阻測量原理見圖5。

圖5 走行軌過渡電阻檢測原理

(2)測試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

對(duì)國內(nèi)某地鐵普通道床區(qū)段和新型裝配式軌道區(qū)段的鋼軌測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表1。從表1可看出，鋼軌縱向電阻值相當(dāng)?shù)那闆r下，采用文中提出的道床絕緣方式，過渡電阻值提高1倍，滿足建設(shè)期和運(yùn)營期間的規(guī)范限值要求。

表1 鋼軌測試數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果

4.2 實(shí)驗(yàn)室測試

(1)縮比模型制備

結(jié)合擬定的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，建立室內(nèi)縮比模型[14]。模型構(gòu)成：2塊預(yù)制平板基座(模擬板下填充層)和2塊預(yù)制構(gòu)件(模擬軌道板)，平板上現(xiàn)澆2塊基座，均采用C40混凝土。其中，平板基座尺寸為500 mm×500 mm×200 mm，U形基座底部尺寸為500 mm×500 mm，高200 mm，U形槽的深度為50 mm，長寬為300 mm×300 mm，軌道板尺寸為300 mm×300 mm×300 mm。在每塊基座與軌道板中部預(yù)埋測量電極，道床結(jié)構(gòu)見圖6、圖7。

圖6 縮比道床混凝土結(jié)構(gòu)俯視(單位：mm)

圖7 縮比混凝土道床結(jié)構(gòu)側(cè)視(單位：mm)

分別將2個(gè)預(yù)制構(gòu)件表面粘上2 mm厚土工布和涂上2 mm厚新型裝配式減振墊材料，并保證土工布與新型裝配式減振墊材料覆蓋的表面積大小相同，覆蓋的厚度保持基本一致。將2個(gè)軌道板分別放入現(xiàn)澆的U形基座中。

(2)混凝土電阻率測試方法

在實(shí)驗(yàn)室采用四電極法測定混凝土電阻率。四電極法的電極間電場分布均勻，測試結(jié)果較為準(zhǔn)確，測量示意見圖8。其中，E1和E4為供電電極，E2和E3為電壓測量電極；電源加載到E1與 E4上，存在極化現(xiàn)象；E2與E3電極僅用于測量電壓，流經(jīng)的電流≈0，E2、E3處基本無極化現(xiàn)象。這樣測出的電壓與電流之比為E2與E3之間的混凝土材料電阻。在試件澆筑前均先涂抹潤滑油再安裝電極片，以保證電極片表面干凈，與混凝土砂漿接觸良好[15]。

圖8 混凝土電阻率測量示意

(3)模擬道床結(jié)構(gòu)絕緣電阻測量原理

分別測量干燥條件和潮濕條件下新型裝配式減振墊和土工布的絕緣性能[16]。潮濕條件下指分別將鋪設(shè)土工布和減振墊的構(gòu)件結(jié)構(gòu)放入水中浸沒，浸泡24 h，然后取出，瀝干表面水分。測量比較不同電極棒位置的電阻大小。測量示意圖見9，紅線為減振墊或土工布，R0表示其電阻大小，上下兩混凝土塊的電阻分別為R1、R2。

圖9 道床結(jié)構(gòu)電阻測量示意

將混凝土構(gòu)件放置在兩塊電極板之間，在上下兩電極板與混凝土構(gòu)架的接觸面涂抹導(dǎo)電膏，減小接觸電阻，上下電極板間分別通入500 V電壓，在回路中串聯(lián)耐壓微安表，在上下電極板間的鋼筋處并聯(lián)電壓表，上下電極棒間的電壓為Uβ，流過上下電極棒間的電流為Iβ，分別測量1-1對(duì)應(yīng)的電極棒、2-2對(duì)應(yīng)的電極棒和3-3對(duì)應(yīng)的電極棒間的電阻Rβ，有

(2)

Rβ=R0+R1+R2

(3)

測量流過Rβ的電流Iβ和其兩端的電壓Uβ，則可通過式(2)求出Rβ，通過式(3)可表達(dá)出Rβ、R0、R1和R2的關(guān)系。

(4)實(shí)驗(yàn)計(jì)算原理

根據(jù)歐姆定律，對(duì)混凝土試塊的電阻值進(jìn)行計(jì)算。混凝土電阻率是混凝土抵抗電流通過的能力[17]。本次計(jì)算中，忽略土工布與新型裝配式減振墊成品的厚度，混凝土電阻計(jì)算見式(4)、式(5)，體積電阻率α計(jì)算見式(6)～式(8)。

(4)

(5)

S0=S2

(6)

R0=Rβ-R1-R2

(7)

(8)

式中，α為體積電阻率；h為隔離材料厚度；S0為隔離材料表面積；R1與R2均為測量值；電阻率均為ρ；上電極板的混凝土塊陰影部分橫截面積為S1，高為L1；下電極板的混凝土塊陰影部分橫截面積為S2，高為L2。

由式(4)與式(5)可算得R1和R2；根據(jù)式(7)得到電阻R0；由式(6)與式(8)可得到隔離材料體積電阻率[18]。

(5)實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果

由所測數(shù)據(jù)得出Rβ值，繪制得到1 000 V潮濕土工布下電極棒不同位置Rβ，見圖10。由圖10可以看出，潮濕土工布的絕緣性能，電極棒在不同位置下的影響不大。由不同位置下測得的電極棒1-1、電極棒2-2、電極棒3-3三者的平均值來代替Rβ。

電極棒在不同位置下的測量結(jié)果見表2，可以看出，電極棒在不同位置時(shí)電阻R基本相同，故表中的Rβ由三者的平均值來代替。分別測得干燥土工布、干燥新型裝配式減振墊成品、潮濕土工布和潮濕新型裝配式減振墊成品的Rβ，再計(jì)算平均電阻Rβ和體積電阻率α。

表2 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)記錄

圖10 1 000 V潮濕土工布下電極棒不同位置的Rβ(R總)

由表2可知，土工布內(nèi)空隙被自填充混凝土填充，已經(jīng)不是絕緣體。干燥環(huán)境下，新型裝配式減振墊成品體積電阻率是土工布體積電阻率的22 651.899倍；潮濕環(huán)境下，新型裝配式微彈性層成品體積電阻率是土工布體積電阻率的33.676倍。采用該道床絕緣方式，室內(nèi)分析結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果正相關(guān)。

5 結(jié)論

(1)在工程現(xiàn)場測試中，采用設(shè)置微彈性絕緣隔離層的新型裝配式軌道后，鋼軌對(duì)地過渡電阻提高到普通軌道區(qū)段鋼軌對(duì)地過渡電阻的2倍以上。

(2)在實(shí)驗(yàn)室測試中，建立道床塊縮比模型，在2種不同隔離材料下測試其不同工況的絕緣性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干燥環(huán)境下，新型裝配式減振墊成品體積電阻率是土工布體積電阻率的22 651.899倍；潮濕環(huán)境下，新型裝配式減振墊體積電阻率是土工布體積電阻率的33.676倍。潮濕工況下，采用減振墊作為隔離層材料，可以顯著提高鋼軌對(duì)地的絕緣性能。

(3)新型裝配式軌道具有鋪設(shè)質(zhì)量高，軌道耐久性好等優(yōu)點(diǎn)；可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化制造、裝配化施工。潮濕環(huán)境下，新型裝配式軌道較傳統(tǒng)裝配式軌道絕緣性能更好，能有效提高對(duì)雜散電流泄漏的控制。