高速鐵路海底隧道GSM-R覆蓋方案

葛偉濤

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

截止2021年底，國內鐵路營業里程達到15 km，其中高速鐵路4萬km。鐵路尤其350 km/h的高速鐵路對于無線通信系統覆蓋要求比較高，主要體現在覆蓋場強及冗余可靠等方面。鐵路無線通信系統覆蓋的典型場景包括山體隧道、封閉式風/聲屏障等封閉區域和鐵路高架橋、路基等開闊區域。近幾年陸續有高鐵項目出現了跨海隧道的特殊場景，如汕汕鐵路汕頭灣海底隧道、廣湛高鐵湛江灣海底隧道、甬舟鐵路金塘海底隧道等。該類隧道與山體隧道不同，其主要采用盾構形式建設，無法在隧道內設置通信洞室，通信直放站或分布式基站等弱場補強設備無法安裝在通信洞室內。因此高鐵跨海隧道的GSM-R覆蓋成為此類項目的無線通信系統的設計重點和難點。

海底隧道由于其施工的特殊性，在隧道口一般先采用U型槽和明挖的方式建設，進入地下后，在地下通過盾構形式穿越海底。本文以廣湛高鐵海底隧道為模型，分析GSM-R系統覆蓋及設備安裝方案。

廣湛高鐵位于廣東省境內，設計速度為350 km/h。廣湛高鐵在湛江市境內途經湛江灣，設湛江灣海底隧道，海底隧道全長9.64 km，其中進口U型槽區段長760 m，海底進口明挖段長770 m，海底盾構段長7 400 m，海底出口明挖段長330 m，出口U型槽長380 m。海底隧道示意如圖1所示。

2 GSM-R系統覆蓋方案

目前，高速鐵路移動通信系統主要采用GSM-R移動通信系統。GSM-R移動通信系統在隧道弱場主要采用分布式基站或直放站結合隧道內通信漏纜、隧道口天線的方式對隧道進行弱場補強。由于廣湛高鐵信號采用CTCS-3列控系統，設計速度為350 km/h，因此湛江灣海底隧道應采用冗余覆蓋方式。

1）方案一：分布式基站方案

在鐵路隧道口DK406+930、DK416+570分別設置2套BBU，其中BBU1和BBU2各配置2載頻，BBU3和BBU4各配置1載頻。在隧道口及隧道內共8個位置各設置2套RRU，分別為RRU1-RRU16，每個RRU點位間距不超過1.5 km。RRU1-RRU4通過光纜以星型連接的方式接入BBU1，RRU5-RRU8通過光纜以星型連接的方式接入BBU2，組成A網。RRU9-RRU12通過光纜以星型連接的方式接入BBU3，RRU13-RRU16通過光纜以星型連接的方式接入BBU4，組成B網。A網主用，B網備用。A網和B網中的兩個小區均在DK410+840-DK412+340之間進行切換。隧道內敷設通信漏纜，利用漏纜覆蓋隧道內，隧道口安裝天線，覆蓋隧道外。覆蓋示意如圖2所示。

GSM-R系統設備的主控、時鐘、電源、載頻等關鍵板卡或模塊按熱備用工作模式冗余配置。基站/分布式基站載波單元應分板設置，單一單板故障時，基站/分布式基站仍能提供服務。因此，分布式基站組網時，每個RRU設備點根據廠家產品性能，可能設置4臺RRU，即每2臺RRU對應圖中的1套RRU。

2）方案二：數字直放站方案

在鐵路隧道口分別設1套宏基站BTS，分別為BTS1和BTS2，均配置為2載頻。在隧道口及隧道內共8個點位按照間距不超過1.5 km各設置1臺數字直放站DRU，分別為DRU1-DRU8。數字直放站分別通過環網的形式接入BTS1和BTS2。其中DRU1-4由BTS1提供主用信號，由BTS2提供備用信號。DRU5-8由BTS2提供主用信號，由BTS1提供備用信號。BTS1和BTS2 兩個小區之間在DK410+840-DK412+340之間進行切換。隧道內敷設通信漏纜，利用漏纜覆蓋隧道內，隧道口安裝天線，覆蓋隧道外。覆蓋示意如圖3所示。

方案一和方案二優缺點如表1所示。

兩個方案中，方案一安裝RRU較多，投資高，占用光纖資源多，用電量大。方案二利用直放站組網，設備少，投資低，網絡結構簡單，可靠性也能滿足現行規范及運營需求。綜合考慮，海底隧道采用方案二覆蓋。

3 海底隧道內設備安裝方案

根據上述GSM-R覆蓋方案，分別在DK407+900、DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340各安裝1套數字直放站，其中DK407+900位于海底隧道進口明挖段，DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340位于海底隧道盾構段。高速鐵路隧道內一般設有通信洞室，用于安裝通信直放站等弱場補強設備，通信洞室寬×深×高一般為4 m×4.2 m×4.4 m， 其 中 深 4.2 m 不 含 1.8 m的余長電纜腔。垂直鐵路方向剖面示意如圖4所示。

由于海底隧道明挖段側面設置通信洞室施工難度較大，尤其是垂直鐵路方向的深度對施工難度及投資影響較大。經與隧道專業溝通，廣湛高鐵海底隧道明挖段DK407+900通信洞室設置為寬×深×高=4 m×4.2 m×4 m，其中深 4.2 m 含 1.8 m 的電纜余長腔。直放站、配電箱、光纜終端盒等設備可壁掛在隧道通信洞室內，其安裝示意如圖5所示。

DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340位于海底隧道盾構段，盾構段側面無法設置通信洞室。根據盾構段結構，盾構段軌道板下面設有中間箱涵，中間箱涵兩側設有邊涵，中間箱涵建設完成后可做為隧道的疏散通道。由軌道層至中間箱涵疏散通道每間隔100 m設有樓梯，便于疏散逃生。為了滿足通信設備安裝需求，可以將通信直放站安裝在中間箱涵一側的側壁上，但不得影響疏散通道人員通行。考慮到中間箱涵內安裝通信設備時需要將電源線、饋線、光纜等線纜連接至弱電纜槽，因此需要在每處中間箱涵直放站位置經兩側邊涵至兩側強弱電電纜槽預留6根Φ 100的熱鍍鋅鋼管。考慮到通信設備接地需求，還需在每處中間箱涵側壁的通信設備安裝位置預留2處接地端子。另外，為了便于在預留的鋼管內布放線纜，還需要在設備安裝旁邊由中間箱涵向兩側邊涵預留寬0.8 m、高1.25 m人孔。海底隧道盾構段通信設備及管線安裝示意如圖6所示。

4 公網覆蓋預留

為滿足高鐵旅客的通話及上網需求，提高鐵路旅客服務品質，鐵路沿線尤其是對隧道內進行公網覆蓋十分必要。海底隧道一般長度較長，考慮到旅客的通話及上網需求，運營商及鐵塔公司均會對其進行公網覆蓋，因此有必要對公網覆蓋預留用電、槽道、洞室或隧道壁等資源。目前，高鐵公網4G/5G覆蓋還是按照500 m左右的間距設置公網設備，因此海底隧道在設計階段可按照500 m間距預留公網設備安裝條件。若公網設備安裝在海底隧道明挖段，可參照海底隧道通信洞室大小預留公網覆蓋洞室；若公網設備安裝在海底隧道盾構段，可參照鐵路通信設備安裝方式安裝在軌道板下面的中間箱涵側墻上，并在相應區域預留過軌鋼管、人孔、接地端子等。

5 防腐防銹蝕措施

由于海底隧道位于海水下面，設備、線纜的運行環境濕度較大，高鐵為百年工程，高鐵列車對風壓、設備安全等要求較高，高鐵開通運營后隧道內進出不便。因此在設計及施工階段應提前考慮漏纜卡具、通信設備、配電設備等設備材料的防腐、防銹、防鹽霧措施。常見的金屬防腐蝕措施有熱浸鋅、涂層、復合涂層、陰極保護、鈍化等措施，建議在設計或招標階段，結合海底隧道所處環境，有針對性的采用相適合的防腐防銹蝕措施，進一步提高設備或線纜的使用壽命。

6 總結

本文以廣湛高鐵湛江灣海底隧道為例，首先分析了海底隧道GSM-R系統兩種覆蓋方案，并對兩種覆蓋方案的優缺點進行分析。通過分析比較，由于數字直放站覆蓋方案使用設備少，投資低，網絡結構簡單，可靠性也能滿足現行規范及運營需求，建議海底隧道采用數字直放站覆蓋方案。其次，結合海底隧道明挖段、盾構段的結構形式，提出海底隧道通信直放站安裝方案，并為公網覆蓋預留了設備安裝條件。最后，結合海底隧道環境特點，提出防腐防銹蝕建議。本次研究對海底隧道GSM-R系統的覆蓋具有指導和參考價值。