城際鐵路小斷面盾構隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方案

謝 軍

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430000)

在廣東省城際鐵路的建設中，首次采用了內(nèi)徑僅7.7 m的單線盾構隧道建造技術。牽引供電系統(tǒng)采用25 kV交流制式，接觸網(wǎng)在內(nèi)徑7.7 m的單線盾構隧道內(nèi)，基于標準的接觸導線懸掛高度5.3 m。在保證城際鐵路牽引供電接觸網(wǎng)技術安全性能的前提下，需對比研究，確定工程可實施的適應線路速度目標160 km/h的懸掛方案和特殊設計原則，同時還需研究7.7 m單線盾構隧道電氣化應用的限制性條件。

1 盾構隧道內(nèi)的主要技術條件

(1)盾構隧道內(nèi)徑:7.7 m;襯砌施工誤差:150 mm;最小曲線半徑/外軌超高:550 m/150 mm;最高速度:160 km/h;連續(xù)曲線區(qū)段長度不大于4 km。

(2)接觸網(wǎng)正線導線組合:CTS120+JTMH95;工作張力:15+15 kN;接觸線懸掛高度5 300 mm。

(3)受電弓動態(tài)包絡線:受電弓上下震動范圍為120mm，左右震動范圍為250mm。

(4)帶電體對地絕緣間隙及受電弓振動至極限位置的間隙值，按照鐵路電力牽引供電設計規(guī)范取值為300 mm與160 mm。

2 鐵路隧道安全要求的接觸網(wǎng)技術原則

為保證鐵路隧道安全，參考歐洲鐵路TSI適用于1 km以上20 km長度以下隧道的SRT(“鐵路隧道安全”)技術規(guī)程的相關強制性條款，結合國內(nèi)較高等級的鐵路設計規(guī)范，根據(jù)國際上城際鐵路的建設經(jīng)驗和慣例，需考慮以下安全性的保障要求:

①隧道斷面的建筑電氣限界要求;

②安全可靠的受電弓動態(tài)包絡線要求;

③腕臂定位裝置的安全冗余校驗要求;

④安全救援的接觸網(wǎng)供電分段原則;

⑤懸掛安裝零部件的選用原則;

⑥接觸網(wǎng)施工安裝調(diào)整和工藝要求。

3 接觸網(wǎng)懸掛方案對比

3.1 三角弓形腕臂懸掛方案

本方案采用雙絕緣子的三角弓形腕臂方案，成熟可靠，安裝方案如圖1所示。

該三角形結構增強懸掛穩(wěn)定性，并充分考慮各種安全余量，包括定位器最優(yōu)的理想狀態(tài)等，為成熟可靠的方案，在我國香港等客運隧道中成功應用。

3.2 單弓腕臂懸掛方案

弓形腕臂目前在國內(nèi)石懷、石太鐵路及香港多條城際鐵路成功運行，但國內(nèi)外通常僅應用在列車速度140 km/h及其以下運行區(qū)段。

圖1 三角弓形腕臂懸掛方案(單位:mm)

弓形腕臂方案只有1個絕緣子，局部荷載集中，安全余量較三角弓形腕臂懸掛方案小，且對160 km/h以上的佛莞城際鐵路，其速度適應的上限有待進一步探討。

3.3 日本隧道內(nèi)整體腕臂懸掛方案

該方案安裝示意如圖2所示。

圖2 整體腕臂懸掛方案

日本新干線有成熟應用，但尚未在內(nèi)徑7.7 m的小斷面或低凈空隧道中應用。

根據(jù)廣深港高鐵實際應用的經(jīng)驗，該方案對土建和電氣化接觸網(wǎng)的施工精度要求極高，局部接觸網(wǎng)實施技術方案的可行性和便利性需要進一步深化探討。

3.4 剛性懸掛方案

采用交流剛性懸掛單旋轉腕臂安裝，安全可靠，特點突出，較低速度下完全滿足應用技術要求。

在國內(nèi)140 km/h以下的電氣化鐵路如蘭新線烏鞘嶺隧道、石懷線局部低凈空隧道、溫福鐵路引進樞紐低速區(qū)段隧道內(nèi)都有成功應用。120 km/h速度以下的地鐵有廣泛應用。歐洲的瑞士/奧地利有160 km/h的成功運營經(jīng)驗。

由于國內(nèi)沒有120 km/h以上運營經(jīng)驗和產(chǎn)品，需要研究、消化引進先進國外先進技術，且造價相對其他方案要高。在未來運營中，剛性、柔性系統(tǒng)混用條件下，對運營機車的受電弓兼容性和壽命管理提出較高的要求，需進一步深化探討。

3.5 水平懸掛方案

采用水平懸掛方式固定承力索，單支撐腕臂方式固定接觸線。

隧道內(nèi)水平懸掛方式是一種成熟的承力索懸掛方案，具有安全和可靠性;而單支撐腕臂懸掛方式也是一種通過了鑒定的懸掛方式。該方案對隧道凈空的利用非常充分，其凈空利用的限制條件僅取決于滑輪框架對隧道壁的絕緣距離;隧道內(nèi)接觸網(wǎng)懸掛方式可采用全補償簡單或彈性鏈型懸掛，國內(nèi)外通常僅應用在列車速度140 km/h及其以下運行區(qū)段。

存在問題:

①承力索懸掛為柔性懸掛，對接觸網(wǎng)的振動是否有影響應進一步探討。

②承力索采用懸吊滑輪懸掛，懸吊滑輪對承力索的磨損依然存在，需要對懸吊滑輪進行改進。

③對160 km/h以上的佛莞城際鐵路，其速度適應的上限有待進一步探討。

3.6 方案對比

(1)三角弓形腕臂(推薦采用)

采用雙絕緣子的三角腕臂。優(yōu)點:充分考慮各種安全余量，包括定位器狀態(tài)等，采用雙絕緣子，絕緣子有備用，可靠性高。缺點:連續(xù)曲線(R＜9 000 m)大于5 km的7.7 m盾構隧道內(nèi)不能設絕緣關節(jié)。

(2)單臂腕臂

采用單絕緣子的弓形腕臂。優(yōu)點:安裝凈空要求較方案一較小。缺點:國內(nèi)無160 km/h及以上運營經(jīng)驗，絕緣子無備用，安全可靠性比推薦方案低。連續(xù)曲線(R＜9 000 m)大于5 km的7.7 m盾構隧道內(nèi)不能設絕緣關節(jié)。

(3)整體腕臂

日本普遍采用的整體腕臂，屬于三角腕臂結構的一種變形。優(yōu)點:腕臂結構穩(wěn)定，絕緣有備用。缺點:國內(nèi)小斷面或低凈空隧道未有運用，對施工誤差適應性差，可調(diào)范圍極小，對施工安裝及制造要求極高。7.7 m盾構隧道內(nèi)不能設絕緣關節(jié)。

(4)剛性懸掛

采用匯流排的剛性懸掛。優(yōu)點:對凈空要求最小，運營維護工作量較小，可靠性高，可以應用在連續(xù)曲線大于5 km的7.7 m盾構隧道內(nèi)。缺點:國內(nèi)無140 km/h及以上制造、運營經(jīng)驗，隧道內(nèi)外網(wǎng)剛度差異大容易造成受電弓磨耗大，造價較高。

(5)水平懸掛

水平懸掛方式固定承力索，單支撐腕臂方式固定接觸線。優(yōu)點:安裝凈空要求較方案一較小。缺點:國內(nèi)無160 km/h及以上運營經(jīng)驗，安全可靠性比推薦方案低。連續(xù)曲線(R＜9 000 m)大于5 km的7.7 m盾構隧道內(nèi)不能設絕緣關節(jié)。

通過上表分析，以上5個方案方案均可滿足基本使用要求，方案1(三角弓形腕臂懸方式)成熟度及可靠度最高，完全適用于城際軌道交通佛莞工程項目。雖其不能應用在連續(xù)曲線(R＜9 000 m)大于5 km的7.7 m盾構隧道內(nèi)，但通過土建預留的配合，避免了該限制條件的發(fā)生。其他比選方案雖可行，但均存在一定限制。

4 結論

綜合經(jīng)濟技術必選后，在城際鐵路中可采用三角弓形腕臂懸掛方案，該技術方案成熟度高，設備和零部件規(guī)格均可采用標準化產(chǎn)品，可靠性、可行性滿足需求，適應城際鐵路客運安全運輸?shù)囊蟆?/p>

推薦的三角弓形腕臂懸掛技術方案充分考慮了各種不利邊界因素，成熟度高，設備和零部件規(guī)格均可采用標準化產(chǎn)品，安全性、可靠性、可用性、可維護性和隧道安全救援條件等均滿足需求，采用特殊限制方案可適應于7.7 m盾構隧道內(nèi)安裝要求，適應本工程特點，完全達到技術、安全和經(jīng)濟性指標要求。在不考慮線路、隧道風洞等限制條件時，該接觸網(wǎng)懸掛方案本身完全滿足設計速度160 km/h的安全運輸和良好的技術性能要求。

［1］ TB10621—2009 高速鐵路設計規(guī)范［S］

［2］ TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規(guī)范［S］