鐵路電氣化改造中既有隧道設(shè)計方案研究

賈陳君，周杰

（1.中鐵二院北方勘察設(shè)計有限責任公司，濟南 250012；2.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團有限公司，武漢 430034）

1 工程概況

沈吉鐵路修建于1925—1927年，自沈陽北至吉林既有線長度439.842 km，技術(shù)設(shè)備陳舊落后，沿線曲線多，半徑小且連續(xù)密集，超限坡地段坡度較大，牽引定數(shù)低，通過能力小。全線共有單線隧道共6座1245.2 m，既有隧道大多存在襯砌變形、裂縫、滲漏水等病害，且斷面凈空不滿足電氣化所需限界要求[1]。

本文以沈吉線K90+179的西嶺隧道作為典型既有隧道進行研究，對電氣化改造中既有隧道設(shè)計方案進行分析，提出推薦方案。

2 西嶺隧道現(xiàn)狀

2.1 隧道概況

西嶺隧道全長227.7 m，建成于1926年。襯砌采用曲墻式結(jié)構(gòu)，邊墻采用混凝土，拱圈厚度30 cm，邊墻厚度60 cm，碎石道床，排水設(shè)備為左右疏水盲溝。隧道位于丘陵地貌，隧址縱斷面地面高程162～182 m，相對高差約為20 m隧道穿越位置為丘間埡口，最大埋深約為17 m。隧址區(qū)上覆第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土、角礫等，下伏基巖為太古界混合巖、片麻巖、角閃巖。測區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動加速度反應譜特征周期為0.35 s。

2.2 隧道現(xiàn)狀斷面

通過現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場斷面測量，隧道軌面以上個別段落凈高不滿足接觸網(wǎng)現(xiàn)狀掛網(wǎng)高度要求，實際凈空測量結(jié)果見表1。

表1 西嶺隧道斷面測量統(tǒng)計表

2.3 隧道存在病害

2.3.1 襯砌裂損、滲漏水、限界不滿足隧限-2A要求

寒冷季節(jié)滲漏水處形成冰柱，冬天結(jié)冰極易侵限，鐵路部門冬季每日對隧道內(nèi)結(jié)冰進行清理。洞內(nèi)碎石道床的基底翻漿冒泥現(xiàn)象比較嚴重，寒冷季節(jié)道床凍結(jié)。限界不滿足隧限-2A的要求[2]。

2.3.2 既有隧道襯砌混凝土強度不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求

現(xiàn)場采用回彈法完成了隧道襯砌混凝土強度檢測，混凝土強度結(jié)果評定如表2。

表2 混凝土強度回彈檢測結(jié)果

2.4 西嶺隧道電氣化存在問題

2.4.1 隧道凈空不滿足電氣化掛網(wǎng)要求

根據(jù)隧道斷面測量資料，既有隧道凈空斷面較小，未達到《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》客貨共線鐵路建筑限界6 550 mm的要求。為了適應既有隧道低凈空的情況，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛采用簡單懸掛方式，直線區(qū)段隧道最小凈空可為6 100 mm，曲線區(qū)段隧道最小凈空可為6 200 mm。西嶺隧道最小凈空為5 630 mm，不滿足接觸懸掛及要求。

2.4.2 錨固基材強度不足

接觸網(wǎng)懸掛固定需通過后植化學錨栓安裝在隧道壁上，根據(jù)現(xiàn)行國家標準JGJ 145—2013《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》，基材需為鋼筋混凝土、預應力混凝土或素混凝土，不得為砌體或輕骨料混凝土、凍融受損混凝土、腐蝕受損混凝土、嚴重裂損混凝土、不密實混凝土。基材混凝土強度等級應不低于C20，西嶺隧道不滿足此項要求。

2.4.3 混凝土襯砌強度不滿足要求

新建隧道C35混凝土采用回彈法檢測強度一般能達到36 MPa，既有隧道混凝土強度等級遠遠低于此值，僅采用對既有隧道襯砌進行補強完全不能滿足TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》及GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（2015年版）要求。

3 西嶺隧道電氣化改造方案研究

根據(jù)病害調(diào)查情況、電氣化以及施工天窗時間等問題分析，從技術(shù)、經(jīng)濟等多方面比選研究了電氣化改造設(shè)計方案，以保證隧道的建設(shè)、運營階段的使用安全。主要方案有：（1）利用既有隧道整治設(shè)計方案；（2）施工便線下隧道設(shè)計方案；（3）既有隧道地段改線方案。

3.1 利用既有隧道整治設(shè)計方案

利用既有隧道進行簡單整治掛網(wǎng)，對西嶺隧道不滿足接觸網(wǎng)懸掛要求的段落進行局部拆換，以滿足接觸網(wǎng)懸掛要求。

3.1.1 隧道采用全斷面注漿方式進行加固與防治滲漏水

注漿采用φ42 mm小導管，間距0.8 m×0.8 m，范圍為隧道襯砌范圍外3.5 m。根據(jù)現(xiàn)在的運輸組織，每天天窗時間為3 h，在施工時合理利用天窗時間進行施工，避免對既有線運營造成不利影響[3]。

3.1.2 既有隧道斷面基礎(chǔ)上的隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案

1）代表性斷面接觸網(wǎng)懸掛方案

本次根據(jù)既有隧道現(xiàn)場測量和調(diào)查資料，選取隧道典型斷面如圖1所示，按機車裝載高度5 000 mm時的接觸網(wǎng)懸掛情況如下。

圖1 典型隧道斷面接觸網(wǎng)懸掛立面示意圖（單位：mm）

一是接觸網(wǎng)懸掛參數(shù)。接觸線高度≥5 380 mm；結(jié)構(gòu)高度≥280 mm；最短吊弦≥200 mm；接觸網(wǎng)帶電體距接地體距離≥300 mm。

二是接觸網(wǎng)固定情況。懸掛支撐處底座采用2×M20化學錨栓固定；定位支撐處底座采用2×M20化學錨栓固定；附加導線支撐處底座采用2×M16化學錨栓固定[4]。

2）接觸網(wǎng)懸掛方案分析

接觸網(wǎng)懸掛裝置須采用后植錨栓方式錨固于隧道頂或側(cè)壁，既有隧道內(nèi)接觸網(wǎng)錨固區(qū)處基材多為漿砌料石等非鋼筋混凝土或素混凝土結(jié)構(gòu)。結(jié)合接觸網(wǎng)懸掛荷載和振動特性，若采用既有隧道進行接觸網(wǎng)懸掛的錨固方案，需要對錨固區(qū)基材的可靠性進行充分的論證或采用補強、加固等措施，以確保接觸網(wǎng)懸掛的安全、可靠性。

由于既有隧道斷面控制，接觸網(wǎng)懸掛方案中的參數(shù)采用了規(guī)范規(guī)定的最小困難值，對后期的施工和運營維護要求非常嚴格。

接觸網(wǎng)懸掛均按設(shè)置于列車裝載高度以上空間內(nèi)設(shè)計，設(shè)計中僅考慮列車裝載高度、受電弓包絡(luò)線及絕緣距離等基本要求。

本方案通過對隧道及接觸網(wǎng)懸掛方式研究，簡易整治方案可以解決既有隧道電氣化要求，工程投資較省，但缺點是不能從根本上解決隧道襯砌強度，耐久性要求及施工作業(yè)零星等問題。

3.2 施工便線下的隧道設(shè)計方案

西嶺隧道為淺埋隧道，采用隧道挑頂改造為路塹方案和襯砌加固方案雖然可以滿足隧道襯砌強度，耐久性要求，但是需要額外設(shè)置1.2 km施工便線工程，無形中增加了工程投資，一般僅在工點較少時的繁忙干線采用較為合理。

3.3 既有隧道地段改線方案

根據(jù)既有西嶺隧道地形及控制點情況，進行改線方案研究（見圖2）。線路改建長度2.419 km，新建新西嶺隧道1座，長度890 m，改建工程估算投資約8 354萬元。

圖2 西嶺隧道改建方案示意圖

改線方案能夠一勞永逸地解決既有隧道的病害、襯砌強度、耐久性及電氣化限界等問題，但投資最高，此方案應在比選其他方案后使用。

3.4 既有隧道電氣化改造推薦方案

鑒于利用既有隧道整治設(shè)計方案具有投資較低，能夠近遠結(jié)合、較好地預留遠期二線條件等優(yōu)點，雖隧道施工期間存在一定風險、組織困難，在做好風險管控和施工組織等管理工作下，推薦采用利用既有隧道電氣化改造方案。

4 結(jié)語

西嶺隧道是東北地區(qū)既有鐵路隧道的典型代表，年代久遠，埋深淺，長度短，通過對其改造方案的分析研究，可以得出以下結(jié)論。

1）既有隧道電氣化改造方案，必須以在保證施工、運營安全的前提下充分利用既有隧道的原則進行設(shè)計，改造方案應進行多方案的技術(shù)經(jīng)濟比選后確定。

2）項目勘測階段應收集既有隧道資料、大修及病害整治等過程資料，通過現(xiàn)場勘察、量測、強度檢測及襯砌缺陷檢測等手段收集完整隧道信息，對現(xiàn)狀存在問題進行梳理，評估隧道現(xiàn)狀。

3）在充分了解隧道現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，綜合考慮施工過渡方案、施工風險、運營安全、改造方案效果等因素，確定隧道改建設(shè)計方案。

4）對于凈空可以滿足掛網(wǎng)要求的隧道，應盡量采用利舊設(shè)計方案。對電氣化掛網(wǎng)有影響的隧道，嚴格制訂設(shè)計、施工方案，對襯砌結(jié)構(gòu)和電氣化掛網(wǎng)等進行整治處理，保留部分缺陷在運營期間加強觀測，結(jié)合日常檢修處理，降低工程投資。