鐵路隧道內接觸網預埋槽道環境適應性研究

余 綱

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

我國中西部地區地形復雜，隧道占比較大，近年開通的西成客專、寶蘭客專隧道比均大于50%，在建的西康高鐵隧道比高達83.1%。隧道內槽道預埋、接觸網設備安裝施工及運營維護環境條件差，接觸網支持結構與隧道接口方式尤為重要，設計過程中更需充分考慮接口協同的適應性、安全性、可靠性及耐久性。

1.1 影響接觸網槽道預埋環境因素

1.1.1 地震

中國地域遼闊，地震分布范圍大，地震頻率高，2005年至2020年，年平均5級以上地震大于30次，2008年達到了97次[1]，接觸網槽道預埋應考慮地震對設備的影響。

1.1.2 高地溫和高溫熱水

我國西部地區鐵路隧道埋深普遍較大，因地層內部巖層巖漿等熱源、增溫層的存在，隧道二襯內高地溫、高溫熱水現象較常見。在建大瑞鐵路高黎貢山隧道地溫大于75 ℃，地表露出水溫接近100 ℃[2-3]。

高地溫產生的附加溫度應力可能引起襯砌開裂，預埋件機械、力學性能削弱，對結構安全及耐久性不利，持久的地熱也對鐵路隧道的安全運營有一定影響[4]。

1.2 高濕度

山區鐵路多處于人煙稀少地區，沿線常無化工類污染源，環境污穢等級不高，但受大氣暖流、海洋次生氣候及濕度條件等影響，顯著特點是降雨量較大，植被較好，高濕度效應明顯，部分山區鐵路濕度見表1。

表1 鐵路沿線濕度參數

2 環境條件對預埋槽道基礎影響

2.1 預埋槽道的優勢

接觸網專業與隧道專業接口設計，須綜合考慮安裝精度可控、綜合接地系統可靠、隧道內列車活塞風效應(風負壓響應)及低頻振動對設備的影響等。因此，該鐵路隧道內接觸網的設備及構筑物與隧道壁連接均采用預埋槽道方式[5]，能有效避免后期后植錨栓施工對隧道二次襯砌的破壞與擾動。

預埋槽道主要依靠錨桿與隧道頂部二次襯砌混凝土之間的握裹力為接觸網提供一個受力平臺，支撐接觸網吊柱、附加導線懸掛等，接觸網及支持結構的自重靜載和列車行駛中與接觸網摩擦產生的動載均通過錨桿傳遞至隧道拱璧，不會產生混凝土錐體破壞的風險。

2.2 預埋槽道設計及其影響因素

我國時速250 km及以上線路，隧道內接觸網設備固定多采用預埋槽道方式。預埋槽道設計需結合工程特點和項目的差異性，進行合理選材和構造選型。隧道所處的特殊環境條件對預埋槽道選型設計及施工均有較大影響，前期設計中有必要進行有針對性的綜合分析和研究，主要考慮因素為地溫(熱)、濕度、地震等[6-7]。

3 預埋槽道基礎的綜合性能分析

3.1 地溫(熱)影響

高地溫隧道處混凝土及其預埋件因表面溫度的不同，設計時應考慮溫差引起的性能陡變與折減及對預埋槽道的耐久性影響。

3.1.1 鋼筋(錨桿)

按預埋件設計規定，混凝土表面溫度達到100 ℃時候，混凝土內受力鋼筋應采用Ⅱ級帶肋鋼筋，屈服不得低于355 MPa，當地溫100 ℃時，由于鋼筋的鐵素體特性，其表面溫度高于100 ℃，鋼材性能也有一定折減，折減量見表2。因此，在設計過程中應根據環境與溫度差異考慮保證其安全裕度。

表2 鋼材不同溫度下的折減 MPa

從表2可知，100 ℃左右，Q355的鋼材屈服強度降低約10%。為避免鋼材溫度效應中的晶格變化，高地溫(熱)反應區段，預埋錨桿不得采用冷加工鋼，直徑不得小于10 mm，且截面積不得小于78.5 mm2。

3.1.2 混凝土基材

接觸網預埋槽道與混凝土(C30)握裹力校核時，須考慮高地溫(熱)對構件壽命與耐久性的折減。混凝土表面溫度60～150 ℃時，溫度影響下軸心受壓、受拉強度設計值均有變化，見表3。

表3 混凝土不同溫度下的折減

3.1.3 預埋槽道抗剪切影響系數

接觸網預埋槽道設計應結合接觸網使用工況與隧道襯砌的實際狀態進行綜合分析，過程中須根據環境及外界激勵，充分考慮預埋材質和基材性能的折減，其中，承載抗剪切折減系數av計算與混凝土軸心受壓強度相關。

(1)

式中，av為錨筋(錨桿)受剪切承載系數；d為錨筋直徑；fc為混凝土軸心抗壓設計值，高地溫折減；fy為錨桿屈服強度設計值，高地溫折減。

槽道錨桿承載力受溫度影響系數計算結果見圖1。

圖1 錨桿承載力溫度影響系數av

3.2 地震荷載作用

接觸網槽道設計過程中，根據GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》及GB 50111—2006《鐵路工程抗震設計規范》中規定，應對隧道內預埋構件進行設計及驗算。

接觸網槽道90%的受力截面均預埋于隧道二次襯砌內，無相對滑移，突出構筑物頂面的小型結構部分宜采用底部剪力法計算。因此，槽道的地震影響主要是隧道主體結構抗震及與其連接的接觸網吊柱抗震響應，槽道主體結構可不做驗算，但吊柱地震反應不能忽略。

3.2.1 截面抗震

地震作用按照方向及作用類別有水平地震荷載和豎向地震荷載，9度非特殊結構可不計算豎向地震荷載，采用單質點體系驗算地震烈度為9度水平地震[8]。結構構件的地震作用效應和其他荷載效應的基本組合，截面抗震應按下式計算。

S=γGSGE+γEhSEhk+γEυSEυk+ψwγwSwk

(2)

式中，S為結構構件內力組合的設計值，包括組合彎矩、軸向力和剪力設計值等；γG為重力荷載分項系數，一般情況應采用1.2，當重力荷載效應對構件承載能力有利時，不應大于1.0；γEh、γEυ分別為水平、豎向地震作用分項系數，本次設計應分別取為1.3和0.5；γW為風荷載分項系數，應采用1.4；SGE為重力荷載代表值效應，有吊車時，尚應包括懸吊物重力標準值效應；SEhk為水平地震作用標準值效應，尚應乘以相應的增大系數或調整系數；SEvk為豎向地震作用標準值效應，尚應乘以相應的增大系數或調整系數；Swk為風荷載標準值效應；ψw為風荷載組合值系數，一般結構取0，風荷載起控制作用的建筑應采用0.2。

地震組合效應的水平力為1.75 kN，考慮沖擊效應后，吊柱危險截面校驗附加應力≯20 MPa，因此，可忽略不計(除隧道主體工程引起的地震損傷)。

3.2.2 水平地震

接觸網吊柱受水平地震作用的計算時，分析水平地震荷載有底部剪力法和振型分解反應譜法，接觸網支持結構通常采用底部剪力法，按單質點系進行分析[9-10]。

FEk=α1Geq

(3)

(4)

ΔFn=δnFEk

(5)

式中，FEk為結構總水平地震作用標準值；α1為相應于結構基本自振周期的水平地震影響系數值；Geq為結構等效總重力荷載，單質點應取總重力荷載代表值，多質點可取總重力荷載代表值的85%；Fi為質點i的水平地震作用標準值；Gi，Gj分別為集中于質點i，j重力荷載代表值的85%。計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構和構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和；Hi，Hj分別為集中質點，i，j的計算高度；δn為頂部附加地震作用系數，按照地震加速度折算取值見表4。

表4 頂部附加地震作用系數

計算地震作用下錨栓構件的最大內力及結構位移響應，選用Midas Civil建立有限元模型，對模型輸入模擬計算區段地震波，進行地震時程反應分析。計算工況按水平加豎向組合，加載后對錨桿、螺栓內力和接觸網位移響應結果進行處理。

建立吊柱懸掛有限元模型，如圖2所示。混凝土采用C30，接觸網支架鋼材為Q355，螺栓為Q235[11]。上端混凝土固結，吊柱底板與混凝土之間螺栓用frame單元模擬，結構的自振特性見表5。

圖2 接觸網懸掛模型

表5 模型自振周期與頻率

經過結構動力響應模擬計算[12]，吊柱底部螺栓因地震作用產生的豎向荷載(軸力)范圍為2.6～6.8 kN。吊柱底部產生的水平位移最大0.21 mm，接觸網腕臂端部最大位移6.22 mm。

3.3 預埋槽道螺栓布置

構筑物基礎設計時，一般按照其額定荷載進行校驗，接觸網吊柱螺栓布置按TB/T 2075.22—2020《電氣化鐵路接觸網零部件第22部分：隧道支撐及定位裝置》規定值進行校驗，并將地震附加軸力6.8 kN和剪切力1.75 kN施加于槽道螺栓組。

3.3.1 隧道內接觸網吊柱螺栓布置模型

計算混凝土粘結時，以最大拉力作為計算校驗荷載，計算螺栓鋼材強度時以最大拉力及剪力作為最大計算校驗荷載。錨栓與混凝土黏結的錨固強度及鋼材破壞校核荷載設計值按下式取值。

錨栓組中單個錨栓最大受拉力

Fmax={F1，F2，F3，F4，F5，F6}

(6)

錨栓組中單個錨栓最大剪切力

(7)

預埋槽道與吊柱底板的連接固定采用T形螺栓，其布置型式直接影響槽道本體的單點受力狀態。在接觸網的實際荷載情況下，螺栓的單質點最大拉力決定了槽道選型。吊柱底板處螺栓布置及抗拉力分布見圖3。

圖3 吊柱底板處螺栓布置及抗拉力分布(單位：mm)

3.3.2 T形螺栓受力分析及數量選擇

T形螺栓受力計算結果見表6。單線隧道吊柱底板上T形螺栓宜采用6根，間距200 mm，滿足荷載要求[13]。雙線隧道吊柱底板上T形螺栓布置為8根時可不設置支撐，但底板尺寸需加大，吊柱本體與底板差較大，底板過長導致撓曲度增加，安裝時與隧道密貼性變差，影響吊柱及底座接地效果，見圖4。

表6 不同工況下T形螺栓受力 kN

圖4 吊柱底板8根T形螺栓布置(單位：mm)

考慮施工與檢修維護方便，單線、雙線隧道的底板宜一致。因此，雙線隧道吊柱宜采用6根，并設置斜撐與加強線共用底座，見圖5。

圖5 吊柱底板6根T形螺栓布置(單位：mm)

4 預埋槽道接地

該鐵路隧道二襯凈空高度較高，澆筑前接地鋼筋引接焊接困難，襯砌鋼筋綁扎完畢后，槽道后部錨桿處間隔焊接“L”形鋼筋或鋼板(接地引接板)，見圖6，與環向鋼筋可靠連接(焊接)，接地電阻應不大于0.5 Ω。槽道安裝完成后，進行接地電阻和貫通電阻檢查，電阻值符合要求后方可進行混凝土灌注[14]。

圖6 隧道內接觸網預埋槽道接地鋼筋

接地焊接宜采用雙面角焊縫，圓鋼與板，圓鋼與圓鋼，板與板焊接，其焊接后的機械、力學、電氣效果均不同，結構及焊接形式如圖7所示。

圖7 接地引接結構

接地焊接形式、基材結構形式、焊縫類型對接地均有直接關系，同時兼顧焊接內應力(剪切)影響。目前，預埋槽道接地焊接均采用對稱角焊縫，在同樣的焊接工藝、工況下，3種接地模式其內應力及截面通過的電流趨勢比不同，見圖8。橫坐標1～3表示不同截面形式，1為板-板，2為圓鋼-圓鋼，3為圓鋼-板。

圖8 不同焊接結構接地差異

為防止“L”形焊接直角時電流流過的趨膚效應折射導致載流量的衰減，建議截面為長方形，即采用鋼板代替常用的接地圓鋼。采用差比概率方法計算，較接地圓鋼，采用鋼板焊接應力可提高36.3%，接地安全可靠度可提高37%。

5 預埋槽道防腐要求及成品保護

預埋槽道外露部分在常溫大氣環境中，鋼材受大氣中水分、氧和污染物的作用會被腐蝕。大氣相對濕度在60%以下時，鋼材的腐蝕較輕微，但相對濕度增加至某一數值時，鋼材的腐蝕速度會突然升高，這一數值稱為臨界濕度。常溫下，一般鋼材的臨界濕度為60%～70%。當空氣被污染或沿海地區空氣中含鹽時，臨界濕度會降低，鋼材表面易形成水膜。此時如焊渣和未處理干凈的銹層形成陰極，構件(母材)為陽極，會在水膜中發生電化學腐蝕。大氣中水分吸附在鋼材表面形成的水膜是造成鋼材腐蝕的主要原因；大氣的相對濕度和污染物含量是影響大氣腐蝕程度的重要因素[15-16]。

GB/T50046—2018《工業建筑防腐蝕設計標準》規定了相對濕度下(一定的氣態介質)構件裸露部分腐蝕等級。部分鐵路所處地區雖大氣污穢影響小，無強腐蝕介質，但濕度大于70%，仍應關注鐵素體外露構件的腐蝕。

按TB/T 2073—2010《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》及TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》規定，接觸網預埋槽道采用3級熱浸鍍鋅，厚度80 μm。根據GBT 13912—2020《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術要求及試驗方法》規定的鍍鋅損失速率，鋅層每年耗損2.1～4.2 μm，在19～38年鍍層失效。

鐵路隧道施工所處環境復雜且工期長，槽道銹蝕及蟄伏損耗是建設過程中需關注的重點。預埋槽道可結合目前國內鍍鋅工藝現狀，對防腐措施進行加強，槽道鍍鋅層厚度不低于150 μm，且在施工期間采取刷漆等保護措施。

6 結論

鐵路隧道沿線地質條件及氣候環境復雜，對設備安全可靠性要求高。通過對地震、地熱、濕度環境條件下隧道內接觸網預埋槽道適應性進行了研究。有針對性地提出槽道在復雜環境下的性能折減應對措施，主要結論和建議如下。

(1)高地溫環境下，槽道基礎的混凝土強度、預埋槽道力學性能均有不同程度折減。折減后建議預埋槽道采用Q355材質，錨桿直徑10 mm，截面積≮78.5 mm2。

(2)地震條件下，預埋槽道主體結構可不做驗算，但須考慮地震組合效應的水平力及沖擊效應。槽道及T形螺栓因地震作用傳遞到接觸網吊柱豎向荷載2.6～6.8 kN，吊柱底部最大水平位移約0.21 mm，接觸網腕臂端部最大位移6.22 mm。

(3)單線、雙線隧道的吊柱底板選型宜一致，均采用6根T形螺栓。

(4)槽道間接地連接，采用鋼板較接地圓鋼可靠性可提高約37%。

(5)建議對槽道防腐措施加強，槽道鍍鋅層厚度不低于150 μm，且考慮增加期間保護措施。