高速鐵路接觸網(wǎng)大修技術(shù)方案研究

李國勝，陳 偉，趙 琨，張曼華，何常紅，古曉東，王國梁

0 引言

自我國第一條高速鐵路京哈線秦沈段（原秦沈客運(yùn)專線）2003年開通以來，目前已運(yùn)行約20年。接觸網(wǎng)設(shè)備整體服役年限一般為20～25年[1]，京哈線秦沈段接觸網(wǎng)已進(jìn)入大修期，是我國第一條高速鐵路接觸網(wǎng)大修線路，目前該線接觸網(wǎng)大修項目正在陸續(xù)分段開展[2]。此外，我國早期建設(shè)的京津、京滬等高速鐵路接觸網(wǎng)也將逐漸進(jìn)入大修期。目前，國內(nèi)關(guān)于高速鐵路接觸網(wǎng)大修技術(shù)方案尚無文件規(guī)定，亦無可供參考的項目經(jīng)驗。通過京哈線秦沈段接觸網(wǎng)大修技術(shù)方案研究，可為高速鐵路接觸網(wǎng)大修規(guī)程制定提供參考，同時為后續(xù)高鐵接觸網(wǎng)大修項目方案制定提供借鑒。

1 高速鐵路接觸網(wǎng)大修思考

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)、認(rèn)識理念等都在不斷更新，高速鐵路接觸網(wǎng)大修模式與傳統(tǒng)接觸網(wǎng)大修存在很多不同之處，高速鐵路接觸網(wǎng)大修如按既有設(shè)計參數(shù)大修會存在不滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)等問題，一味追求現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)又可能存在經(jīng)濟(jì)上不合理的問題。因此，如何針對具體鐵路項目特點，開展科學(xué)的分析評估，制定適用于該項目的單項大修或系統(tǒng)大修方案，是接觸網(wǎng)大修所必須面臨的問題。同時，我國幅員遼闊，其服役環(huán)境不同、設(shè)備選型繁雜、運(yùn)行工況復(fù)雜，如何制定科學(xué)評判方法，選擇最佳時機(jī)開展大修，如何對長期運(yùn)行的接觸網(wǎng)設(shè)備做出準(zhǔn)確的評估，確保接觸網(wǎng)運(yùn)行時具有最低可容忍的安全風(fēng)險和最小維修成本，是下一步保障線路安全運(yùn)營所需要考慮的問題[3]。

2 京哈線秦沈段大修技術(shù)方案關(guān)鍵點

京哈線秦沈段線路西起秦皇島市，終至沈陽市，線路全長404.6 km，設(shè)計時速200 km，線下工程按250 km/h實施，目前接觸網(wǎng)線材磨耗較大，設(shè)備老化嚴(yán)重，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)低于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，給日常維護(hù)和事故搶修造成較大困難。

2.1 線材規(guī)格及張力配置方案研究

京哈線秦沈段接觸網(wǎng)正線、站線均采用全補(bǔ)償簡單直鏈形懸掛，結(jié)構(gòu)高度為1.4 m。既有接觸網(wǎng)線材組成采用THJ70+CuAg120，張力配置(9.8+14.7) kN。既有接觸網(wǎng)線材已使用多年，現(xiàn)部分錨段的承力索、接觸線存在接頭，部分接觸線磨耗接近維規(guī)警示值，亟需更換。

京哈線秦沈段設(shè)計時，我國還未大面積采用動車組，近年來大量和諧號380、復(fù)興號動車組上線。接觸導(dǎo)線張力配置及設(shè)備選型應(yīng)滿足現(xiàn)有行車條件，同時兼顧工程實施難度和工程投資，盡量減少對既有接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)件的改造。經(jīng)研究，可行的兩種張力配置方案為(15+15) kN、(15+20)kN，懸掛類型、結(jié)構(gòu)高度等維持既有標(biāo)準(zhǔn)，按照跨距50 m，雙弓運(yùn)行，選用復(fù)興號動車組模型分別對不同張力組合進(jìn)行弓網(wǎng)仿真。

運(yùn)行速度200 km/h時(15+15) kN張力配置方案的弓網(wǎng)關(guān)系仿真如圖1所示。

圖1 (15+15) kN方案弓網(wǎng)接觸力曲線

運(yùn)行速度200 km/h時(15+20) kN方案的弓網(wǎng)關(guān)系仿真如圖2所示。

圖2 (15+20) kN方案弓網(wǎng)接觸力曲線

弓網(wǎng)動態(tài)仿真接觸壓力對照如表1所示。

表1 弓網(wǎng)動態(tài)仿真接觸壓力對照

從仿真結(jié)果來看，接觸懸掛張力配置(15+15)kN和(15+20) kN均能滿足200 km/h速度等級下弓網(wǎng)受流性能要求，(15+20) kN方案較(15+15) kN方案弓網(wǎng)受流質(zhì)量更好。

2.2 支柱基礎(chǔ)類結(jié)構(gòu)件評估分析

京哈線秦沈段橋梁區(qū)段接觸網(wǎng)基礎(chǔ)均為站前預(yù)留，路基區(qū)段接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)采用杯形基礎(chǔ)或?qū)嶓w基礎(chǔ)，既有接觸網(wǎng)支柱容量為單腕臂柱60 kN·m，雙腕臂柱及錨柱80 kN·m，拉線基礎(chǔ)一般采用實體基礎(chǔ)，拉線環(huán)形式為?25 mm圓鋼。目前支柱及基礎(chǔ)狀態(tài)良好。

由于許多時候法庭口譯員是各方唯一的信息來源，譯員對文化問題的解釋顯得十分必要。下面是一個具體的調(diào)解例子。

2.2.1 支柱、基礎(chǔ)計算荷載校驗

按照線路運(yùn)行工況，取最大風(fēng)速35 m/s、曲線半徑3 000 m、跨距60 m，線材張力按照滿足250 km/h條件的(15+20) kN張力組合為計算條件，對支柱容量進(jìn)行校驗。其中支柱所受懸掛荷載如表2所示，支柱本體風(fēng)荷載計算如表3所示。

表2 支柱懸掛荷載 kN·m

表3 支柱本體風(fēng)荷載

根據(jù)計算結(jié)果，荷載最大的轉(zhuǎn)換柱底部彎距為63.8 kN·m，加上支柱自身最大風(fēng)荷載8.68 kN·m，總載荷為72.48 kN·m，既有80 kN·m支柱容量可滿足要求。

按照每個站段選取無破損支柱、自然破損支柱各2根送至專業(yè)檢驗機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢測，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)試驗項目進(jìn)行試驗，支柱及基礎(chǔ)許用荷載與原支柱設(shè)計荷載相差無幾，同時對基礎(chǔ)進(jìn)行了外觀檢測。根據(jù)目前支柱保護(hù)層老化速度，可判定支柱、基礎(chǔ)能夠延續(xù)至下一個大修周期。

2.2.2 結(jié)構(gòu)件校驗

對既有下錨拉環(huán)、拉線、終端抱箍等結(jié)構(gòu)件進(jìn)行受力檢算時發(fā)現(xiàn)既有下錨拉環(huán)為檢驗控制點，既有接觸網(wǎng)下錨拉環(huán)選用?25 mm HPB235材質(zhì)鋼筋（屈服強(qiáng)度210 MPa，抗拉強(qiáng)度370 MPa）。取永久荷載分項系數(shù)1.2，超載系數(shù)1.2，鋼筋彎折后的應(yīng)力集中對強(qiáng)度的衰減系數(shù)1.4，鋼絲繩角度對吊環(huán)承載力的影響系數(shù)1.4，HPB235鋼筋許用應(yīng)力為210/1.2/1.2/1.4/1.4 = 74.4 MPa。按照(15+15) kN計算，此時拉環(huán)最大拉應(yīng)力為70.8 MPa，小于74.4 MPa，判定安全。若將接觸網(wǎng)張力由(15+15) kN提高為(15+20) kN，水平力（標(biāo)準(zhǔn)值）將增大為38.5 kN，上拔力（標(biāo)準(zhǔn)值）亦增大為38.5 kN，此時拉環(huán)最大拉應(yīng)力為82.5 MPa，大于74.4 MPa，判定不安全。此外，對下錨拉環(huán)受力狀態(tài)進(jìn)行了仿真，受力部位存在大量超出屈服強(qiáng)度的區(qū)域，屈服情況如圖3所示。

圖3 （15 +20）kN張力時下錨拉環(huán)屈服情況

因此，既有拉線僅可適應(yīng)(15+15) kN張力配置，如采用(15+20) kN張力方案時需對拉線基礎(chǔ)補(bǔ)強(qiáng)。

2.3 零部件類評估分析

京哈線秦沈段設(shè)計時，腕臂裝配采用鋼腕臂、鋁合金定位管及限位定位器。零部件在服役過程中運(yùn)行條件相對惡劣，需要同時承受電流腐蝕、工作荷載、長期振動等。通過人工現(xiàn)場檢查、設(shè)備履歷資料分析、零部件檢驗等形式，對接觸網(wǎng)零部件機(jī)械強(qiáng)度、質(zhì)量狀態(tài)、殘余壽命等進(jìn)行評估。

京哈線秦沈段腕臂支持結(jié)構(gòu)以及定位裝置中零部件與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對照情況如表4所示。

表4 腕臂定位裝置零部件與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對照

根據(jù)人工現(xiàn)場調(diào)查，運(yùn)營中部分區(qū)段定位管腐蝕嚴(yán)重，表面出現(xiàn)不同程度的爆裂，定位器與定位支座存在不同程度磨耗，部分區(qū)段定位器與定位支座磨耗較為嚴(yán)重。現(xiàn)場定位管爆裂及定位器與定位支座磨耗情況如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場定位管及定位器/支座情況

考慮既有零部件銹蝕、磨損情況較為普遍，且許用工作荷載較現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相對較低，繼續(xù)使用安全風(fēng)險較大，同時腕臂零部件間互相耦合關(guān)系較為緊密，大修時整套腕臂及定位裝置按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)全部更換。既有滑輪補(bǔ)償裝置存在軸承銹蝕嚴(yán)重、部分墜砣限制架脹裂等問題，更換腕臂定位裝置同時更換下錨補(bǔ)償裝置。

3 京哈線秦沈段接觸網(wǎng)大修技術(shù)方案

3.1 線材及張力配置

考慮秦沈段預(yù)留250 km/h條件，在結(jié)構(gòu)許用受力滿足要求的情況下，宜優(yōu)先采用(15+20) kN張力組合，但根據(jù)前述若采用(15+20) kN張力，需對拉線基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，本次研究性質(zhì)為接觸網(wǎng)系統(tǒng)大修，為減少工程投資、增強(qiáng)工程可實施性，在線材選用時預(yù)留張力提升條件，大修仍按照(15+15) kN張力實施，接觸懸掛線材采用JTMH95+CTSM120，滿足不同張力組合要求。

3.2 支柱及基礎(chǔ)

大修接觸懸掛按照(15+15) kN張力組合選用，支柱、基礎(chǔ)原則上均可利用既有，僅對個別破損支柱進(jìn)行更換，后期若提速至250 km/h時，重新對拉線基礎(chǔ)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。此外，根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，對既有鋼支柱、硬橫梁、地腳螺栓等金屬構(gòu)件鍍鋅防腐層局部破損的情況進(jìn)行修復(fù)。

3.3 腕臂及下錨補(bǔ)償裝置

按照現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，腕臂裝置采用鋼材質(zhì)腕臂，定位裝置采用鋁合金限位定位器。腕臂用絕緣子由抗彎8 kN、爬距1 200 mm瓷質(zhì)棒式絕緣子更換為抗彎12 kN、爬距1 400 mm復(fù)合棒式絕緣子。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，受上腕臂底座及加強(qiáng)線肩架影響，棘輪底座安裝受限，因此下錨補(bǔ)償裝置仍采用滑輪補(bǔ)償裝置，更換補(bǔ)償裝置同時更換終端錨固設(shè)備。所有零部件均按照滿足時速250 km技術(shù)條件選取。

3.4 其他

針對既有京哈線秦沈段接觸網(wǎng)存在的一些風(fēng)險，按照安全運(yùn)行規(guī)則、運(yùn)營維護(hù)規(guī)則等現(xiàn)行管理規(guī)定，全面提升供電系統(tǒng)安全性、可靠性。對供電線等進(jìn)行更新改造：供電線支柱采用格構(gòu)式鋼柱、上下行獨(dú)立分桿架設(shè)；按整錨段更換部分受損的附加導(dǎo)線線材；同時采用附加導(dǎo)線間增設(shè)間隔棒、N線架空上跨改電纜下穿等方式，對既有防雷、接地及回流系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

4 結(jié)語

我國高速鐵路經(jīng)過20年的發(fā)展，接觸網(wǎng)設(shè)備已陸續(xù)進(jìn)入大修期，接觸網(wǎng)大修方案制定宜結(jié)合具體項目的運(yùn)行情況，通過現(xiàn)場檢查、設(shè)備履歷資料分析、設(shè)備送檢等手段全面評估后確定。國內(nèi)關(guān)于高速鐵路接觸網(wǎng)大修的修程修制尚未健全，建立接觸網(wǎng)設(shè)施服役性能的評估辦法和技術(shù)體系，形成適用于高速鐵路運(yùn)營線路的大修技術(shù)方案和實施方案，對保障線路安全運(yùn)營具有重要意義。