時速200 km鐵路隧道內接觸網優化方案及控制要點

周 勇，周建和，劉 明

0 引言

時速200 km及以下的城際鐵路或普速鐵路的隧道空間較小，接觸網布置較為緊湊，在以往施工中常出現定位器無法正常安裝、絕緣距離不足、零部件侵入受電弓動態包絡線等問題，給現場施工帶來很大的調整工作量，若調整不當，將給后期運營留下安全隱患。筆者認為出現該類問題主要是腕臂參數設置、定位器選型以及吊柱限界控制未針對現場實際情況進行逐一計算分析和模擬安裝導致，如在施工前進行合理的方案優化，則完全可以避免此類問題的出現。本文對黔張常鐵路AT供電方式下隧道內接觸網施工中容易出現的問題進行分析，為避免出現以上問題而采取相應的優化方案，并闡述取得的成果。

1 雙線隧道內空間結構

黔張常鐵路設計時速為200 km，雙線隧道直線區段上下行線間距為4.4 m，在曲線區段上下行線間距有所加寬，隧道內也會對應加寬。普通區段隧道頂距低軌面8.15 m；非絕緣錨段關節段隧道頂距低軌面8.5 m；絕緣錨段關節段隧道頂距低軌面9.0 m；曲線區段線間距加寬，對應隧道頂高度相應加高，見表1。

表1 隧道內線間距加寬隧道頂對應高度 mm

2 隧道內腕臂參數優化

2.1 設計參數

黔張常鐵路采用AT供電方式，隧道內設有正饋線和保護線，保護線經過優化設置在上下行腕臂吊柱之間固定，吊柱間需保證0.4 m的空間，直線區段吊柱中心距隧道中心按300 mm控制，吊柱寬度為200 mm，在線間距為4.4 m時吊柱限界為2.4 m，如圖1所示；接觸線高度為5.9 m，結構高度為1.0 m；腕臂裝配依據通化（2009）1008-Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ隧道內全補償鏈形懸掛安裝圖。本文圖中數值單位均為mm。

圖1 雙線隧道內腕臂裝置及附加導線布置

2.2 采用通用圖腕臂參數出現的問題

接觸網采用AT供電方式，腕臂上方預留正饋線安裝及絕緣空間。承力索設計高度為6.9 m，即上底座安裝高度為6.82 m；本線結構高度較通用圖中減小0.2 m，因此上下底座間距也由通用圖中的1.4 m縮至1.2 m；限界為2.4 m。

根據以上數據計算腕臂參數，計算結果見圖2。由圖2可知，正定位時定位器支座與定位環沖突無法正常安裝，即便完全按照通用圖結構高度設置為1.2 m，上下底座間距設置為1.4 m，定位器也只能勉強安裝上，當存在曲線超高或限界負誤差時將存在問題。

圖2 按通用圖參數設置計算的腕臂

2.3 腕臂參數優化方案

通過圖2分析可知，由于承力索高度降低壓縮了結構高度，導致斜腕臂傾斜角度加大，定位器支座與定位環沖突無法正常安裝。解決的辦法一種是加大套管雙耳距承力索距離，另一種是抬高下底座安裝高度，以使定位環向底座方向移動。

經過計算軟件模擬，加大套管雙耳距承力索距離所產生的效果并不理想，即使其距離增加到500 mm也無法解決定位器安裝問題，定位器支座在定位管壓接棱角處，且無調整空間，所以只能通過采用抬升下腕臂底座高度的方法來解決定位器安裝問題。

經過計算軟件模擬，上底座高度不變，上下底座間距減小至1 m時，剛好滿足定位器支座的安裝條件，但施工調整量非常小，在征求設計和運營單位意見后，將上下底座間距調整為0.9 m，定位環在斜腕臂上、定位器支座在定位管上可調整的空間較大，較為適宜，如圖3所示，因此將隧道內中間柱上下底座間距優化調整為0.9 m。

圖3 上下底座間距設置為0.9 m時腕臂計算結果

2.4 對曲線區段腕臂計算和絕緣距離校驗

在曲線區段，由于外軌超高原因，受電弓會隨車體平行于軌面傾斜，曲內正定位腕臂定位器在定位管上的安裝空間也將隨超高的增大而逐漸縮小，此時需對腕臂計算進行校驗，校驗是否有足夠空間安裝定位器（曲線區段線間距一般會加大，為保守起見線間距按加大0.1 m校驗，即限界按2.45 m計算）。通過計算軟件模擬，當外軌超高為45 mm時，定位器支座恰好能安裝，稍有一點調節量，如圖4所示。如外軌超高大于45 mm，限界必須進行調整（曲內加大限界，曲外減小限界）。

圖4 外軌超高為45 mm時曲內正定位腕臂計算

在曲線區段還需校驗受電弓在最大抬升和擺動量時，與另一股道的吊柱接地體之間的絕緣距離。受電弓偏移[1]計算式為

式中：H為受電弓高度，mm；G為軌距，曲線段軌距加寬，取1 500 mm；h為外軌超高，mm。

當外軌超高為45 mm時，受電弓最大抬升校驗高度為5 900 + 180 = 6 080 mm（180為受電弓最大抬升量的1.5倍），代入式（1）求得受電弓偏移量為0.182 m。另一側吊柱對本股道的限界C為4.5- 2.45 - 0.2 = 1.85 m（在曲線線間距均有加寬，此處線間距按4.5 m計算）；最近帶電體為腕臂底座的背角鋼，角鋼按0.1 m計算，即最近接地體距本股道限界為1.75 m。受電弓半寬加受電弓曲線最大晃動量再加偏移量為0.975 + 0.3 + 0.182 = 1.457 m，最小絕緣距離為1.75 - 1.457 = 0.293 m（因受電弓工作時為傾斜狀態，實際絕緣距離比該值稍大，為301 mm，如圖5所示），此時吊柱接地體與帶電體絕緣距離符合驗收標準大于200 mm[2]的要求，超高再增大時，吊柱限界也將進行相應調整。

圖5 超高為45 mm時受電弓距鄰線吊柱接地體距離

3 隧道吊柱限界及型號確定

3.1 吊柱限界設置

由于上下行吊柱之間需布置AF線（回流線），因此吊柱限界控制必須以隧道中心為基準來控制，不能單純以懸掛軌道來控制。通過上述闡述，在直線和超高小于45 mm的曲線區段，吊柱距線路中心按照300 mm控制（吊柱半寬100 mm）均滿足腕臂計算和絕緣距離要求；當超高大于45 mm時，吊柱限界控制統一向曲內移150 mm，以滿足腕臂計算和受電弓偏移的絕緣距離要求，隧道內限界控制見表2。

表2 隧道內限界控制 mm

3.2 吊柱型號確定

3.2.1 確定長度

通過對腕臂底座間距進行優化，確定了上底座安裝高度為6.82 m，上下底座間距為0.9 m，此時下底座安裝高度為5.92 m，吊柱外露為0.2 m，即吊柱底部距軌面高度為5.72 m；通過繪圖軟件模擬可知，隧道吊柱法蘭中心距隧道頂高差約為0.01m，通過這些參數即可以得出不同情況下的吊柱長度，標準普通斷面區段吊柱長度為8.15 - 5.72 - 0.01 =2.42 m；標準非絕緣錨段關節區段吊柱長度為8.5 -5.72 - 0.01 = 2.77 m；絕緣錨段關節區段吊柱長度為9 - 5.72 - 0.01 = 3.27 m。

以上長度是標準斷面情況下，在曲線或車站附近的隧道斷面都有加寬時，隧道頂高度隨之變化（表1），確定吊柱長度前需根據線路資料逐一修正吊柱長度，可按100 mm為一檔進行歸納，高差在±50 mm內的高度可用同一種型號吊柱，超出范圍的應進行調檔。

3.2.2 確定吊柱法蘭角度

隨著鐵路建設施工技術的不斷提高，隧道斷面施工基本與設計一致，吊柱法蘭角度可以直接在繪圖軟件中確定，根據吊柱中心距隧道中心理論距離，測量出吊柱法蘭傾斜角度，即使在現場出現誤差，采用調整墊片也完全可予以調整。為保證吊柱安裝后向受力反方向傾斜，黔張常鐵路隧道內吊柱法蘭角度較理論值減小了0.3°。吊柱中心距隧道中心為300 mm時，吊柱法蘭角度為2.6°；吊柱中心距隧道中心為450 mm時，吊柱法蘭角度為4°；吊柱中心距隧道中心為150 mm時，吊柱法蘭角度為1°。

3.2.3 確定吊柱最終型號

當吊柱長度和法蘭角度均確定后，將兩個數據組合即可得到最終的吊柱型號。在Excel中可利用判定函數進行分類自動統計，根據隧道類型和加寬判定長度，根據限界判定法蘭角度，再進行組合。標準的隧道斷面和加寬斷面最大高差可達到290 mm，吊柱長度將相差300 mm，未對吊柱進行長度區分可能對腕臂計算、安裝造成較大影響，因此隧道內吊柱的材料提報和現場安裝應一一對應，以提高安全可靠性和一次安裝成功率。

4 隧道內定位器角度控制

理論定位器角度是指定位器所受水平力Fs和垂直力Fc所形成合力F與水平面形成的夾角，按此角度安裝后處于力平衡狀態，主要由補償張力、跨距、拉出值、第一吊弦距離、線索單重、定位器重量、曲線半徑等參數確定[3]。時速200 km及以下鐵路，因其技術參數與高速鐵路存在一定差異，定位器角度完全按照受力平衡計算安裝仍無法實現，如曲線半徑R= 3 500 m，中間柱定位統一向曲外拉出100 mm，由于補償張力和曲線中豎值不夠大，導致定位點水平分力較小，定位器理論計算角度將達到20°以上，這種情況只能按照設計最大角度13°進行安裝，理論計算角度過小時，按設計給定的最小角度8°進行安裝，但即便定位器角度完全控制在8°～13°范圍內也不能完全確保定位器不會侵入受電弓動態包絡線，還需結合定位器長度、受電弓最大抬升量、左右偏移量、超高等參數進行安全校核。

安全校驗參數：受電弓最大抬升量為120 mm，按1.5倍抬升量進行校核，即180 mm；左右最大偏移直線區段250 mm，曲線區段300 mm；標準跨距40 m；隧道內定位器長度選擇900型和1000型兩種進行校驗；受電弓類型選用UIC608—2003附錄D受電弓（寬度1 950 mm）。

為便于歸納和指導現場施工，本文將按照直線段、超高h≤45 mm、超高45 mm＜h≤90 mm 3種情況分別對定位器角度控制范圍進行分析。

4.1 直線區段

直線區段拉出值按±200 mm布置，定位器長度為900 mm，矩形定位器的安裝范圍為8°～13°，把定位器最小角度設為8°進行模擬計算，查看是否存在侵入動態包絡線的情況。計算結果見圖6，受電弓抬升180 mm，水平方向偏移250 mm，900型定位器根部處在紅色的受電弓動態包絡線之外，符合安全要求，當定位器角度越大，定位器根部離動態包絡線將隨之加大，因此直線區段定位器角度安全取值范圍為8°～13°。

圖6 直線區段定位器按8°計算與受電弓的狀態

4.2 超高h≤45 mm

在曲線區段，受外軌超高影響，受電弓與軌面平行傾斜，此時需分別驗證曲內、曲外定位器最小安裝角度為多少時不會侵入受電弓包絡線，以確定定位器角度控制范圍。定位器選用900型定位，受電弓水平最大偏移量按300 mm進行計算校核。

（1）向曲內方向定位，定位器角度按8°計算模擬，計算結果見圖7，曲內側受電弓動態包絡線端部相對于中心更低，從圖上可看出定位支座在受電弓動態包絡線外，滿足安全條件，因此超高h≤45 mm曲內方向定位的定位器角度安全取值范圍為8°～13°。

圖7 曲內超高45 mm定位器按8°計算與受電弓的狀態

（2）向曲外方向定位，定位器采用900型、角度按8°計算時，由于受電弓在曲外側抬高并向曲內傾斜，導致定位器根部已侵入受電弓動態包絡線內，需要加大定位器角度，當加大到9.5°時才能保證定位器支座在動態包絡線外，如圖8所示，最小控制角度必須不小于9.5°，因此在曲外時定位器安全角度取值范圍為9.5°～13°。

圖8 超高45 mm定位器按9.5°計算與受電弓的狀態

4.3 超高45 mm＜h≤90 mm

曲線半徑R＞3 500 m的區段拉出值仍按±200 mm布置；曲線半徑R≤3 500 m的區段統一向曲外定位，拉出值為100 mm；超高為45～90 mm的曲線存在上述兩種情況，也需分析曲內曲外定位器角度取值范圍，需注意拉出值±200 mm布置的定位采用900型定位器校核，統一向曲外定位100 mm的采用1000型定位器校核。

（1）向曲內方向定位，從圖7可以看出，在定位器角度不變的情況下，超高越大，受電弓傾斜角度越大，定位器支座離動態包絡線會越遠，所以向曲內方定位的定位器角度安全取值范圍仍為8°～13°。

（2）向曲外方向定位，為保證所模擬的條件能夠概括最極端的情況，此處分析取最大超高值90 mm，定位器采用1000型定位器進行計算模擬。通過計算軟件模擬發現，定位器角度達到10.5°時，定位器根部才能夠在受電弓動態包絡線之外，如圖9所示，因此在超高45～90 mm曲線外側，定位角度安全取值范圍應為10.5°～13°。

圖9 超高90 mm定位器按10.5°計算與受電弓的狀態

4.4 計算腕臂參數時定位器應控制的范圍

通過上述分析，隧道內定位器角度安全取值范圍見表3。

表3 隧道內定位器角度安全取值范圍

計算腕臂參數時應按照受力平衡原則計算定位器角度，以便現場施工后接觸網質量達到最優狀態，當理論計算角度超出表3所示范圍時，應就近修正定位器角度，確保弓網安全可靠性。

5 結語

時速200 km及以下鐵路隧道斷面變化較多，不能一概而論確定施工方案，應根據不同情況確定技術方案。通過以上技術方案的改進和計算控制，完全可以避免在施工中出現定位器無法正常安裝、零部件侵入受電弓動態包絡線的情況，大幅減少現場調整工作量，消除后期運營安全隱患。

對后續類似鐵路施工的幾點建議：（1）施工前，應用可視化計算軟件對腕臂進行計算模擬驗證，確定方案是否可行，如不能實現時應及時調整技術參數；（2）隧道內吊柱須根據隧道斷面高度參數選擇隧道吊柱，不能完全按類別提報，保證現場腕臂參數符合要求；（3）定位器角度應盡量依據受力計算，現場需控制好定位器角度，避免定位器侵入受電弓動態包絡線，最好采用可視化計算軟件加入受電弓進行模擬計算。希望通過本項目施工經驗能夠為后續同類型鐵路接觸網施工、設計提供借鑒，提高施工質量。