干塘至武威電氣化鐵路接觸網基礎設計選型

何國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京102600)

干塘至武威電氣化鐵路接觸網基礎設計選型

何國軍

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司， 北京102600)

干塘至武威鐵路(以下簡稱干武線)是我國第一條沙漠電氣化鐵路，沿線地質情況主要為沙漠地質, 工程地質條件較差。在本次既有干武線增建第二線工程接觸網基礎施工過程中，既有路基進行深度開挖時, 外界擾動時容易引起土體結構破壞，基坑塌方嚴重。為了確保既有線路基穩定，不影響行車運輸安全，同時也滿足接觸網基礎設計需求，針對該工程的地質情況，結合既有線電氣化改造，從現場施工角度考慮，設計了干武線電氣化鐵路增建第二線改造過程中用到的幾種主要的接觸網基礎形式—直埋基礎、剛性基礎、高頸基礎、淺埋擴展基礎、井圈基礎等。針對不同工況，分析了各類基礎形式的特點和適用性。現場施工情況表明各類基礎能很好地適應各類工況，為今后類似工程中接觸網支柱基礎的設計及選型提供了參考。

支柱基礎； 井圈基礎； 淺埋擴展基礎； 電氣化鐵路

接觸網是沿鐵路線上空架設的向電力機車供電的特殊形式輸電線路。接觸網支柱與基礎用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負荷，因此接觸網支柱基礎尤為重要，影響到整個接觸網系統的安全穩定性。正確合理地設計選擇接觸網支柱基礎是接觸網系統安全穩定運營的重要保證。

既有干武線為單線電氣化鐵路，線路全長約172.192 km。線路由包蘭線上的干塘站引出，進入內蒙古自治區阿拉善左旗，沿騰格里沙漠南部邊緣向西行進，過慶陽山站后進入甘肅省古浪縣，經冰草灣，過土門子，到蘭新線上的武威南站。沿線人煙稀少，大部分區段是草灘和沙丘，地質情況主要為沙漠地質，工程地質條件較差。既有路基進行深度開挖時，外界擾動容易引起土體結構破壞，基坑塌方嚴重。

為了確保既有線路基穩定，不影響行車運輸安全，針對該工程的地質情況，結合既有線電氣化改造，從現場施工角度考慮，設計了干武線電氣化鐵路增建第二線改造過程中用到的幾種主要的接觸網基礎形式。針對不同工況，分析了各類基礎形式的特點和適用性，現場施工情況表明各類基礎能很好地適應各類工況。

1 接觸網支柱類型及基礎設計原則

1.1 接觸網支柱類型

干武線既有腕臂柱均采用預應力混凝土支柱，軟橫跨多數采用鋼筋混凝土柱，少數大跨度位置采用格構式鋼柱。由于本線自然條件惡劣，風沙較大，受風沙影響的混凝土支柱迎風面毛面現象嚴重，接觸網鋼柱多處出現防銹漆脫落、支柱腐蝕嚴重等情況。

結合本線自然環境特點、線路設計標準及相鄰線路標準，在保證統一、美觀的前提下，干武線增建第二線接觸網支柱路基區段支柱一般采用環形等徑預應力混凝土支柱，車站硬橫跨支柱采用熱浸鍍鋅鋼管支柱。獨立架設的附加導線支柱采用接觸網標準支柱，供電線下錨、轉角等處支柱采用格構式鋼柱，其余供電線支柱采用環形等徑預應力混凝土支柱。接觸網支柱利用回流線或架空地線作為保護閃絡地線的集中接地方式。當支柱不懸掛回流線或架空地線時，單獨設接地極接地。接地極采用銅包鋼接地極(棒)、接地極模塊和降阻劑。

1.2 接觸網基礎設計原則

接觸網基礎的作用是穩定支柱，使其不傾覆、不歪斜及不下沉。基礎的選擇主要根據支柱類型、容量、地質條件以及線路狀況等因素確定。

根據TB 10005-2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》要求，接觸網基礎混凝土強度等級為C25，支柱混凝土防護層等級強度C15，墊層混凝土強度等級C10。基礎縱向鋼筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。地腳螺栓的材質為Q345，其質量應分別符合GB/T 1591及GB/T 699的相關規定。

本文以硬橫跨鋼管柱剛性基礎基礎位于填方地段為例，對基礎抗傾覆穩定性和土腳螺栓抗拉強度進行校驗計算，如圖1所示。

圖1 計算基礎圖形示意圖(mm)

土體特性資料：摩擦角φ=25°，土的容重γ=1.7 t/m3，2 m深處土體的允許承載力[σ]2=20 t/m2，鋼柱傳給基礎的垂直力G0=2 t，基礎埋深為h=3 m。

系數α值和U值的確定：由比值ρA=a1/h=2.3/3=0.77和鋼柱高H=10 m，根據《電氣化鐵道設計手冊》，查表7-54得到α=0.815，查表附表7-1得到UA=0.01616。

計算傾覆力矩M0：

M0=(MH/H)×(H+A+αh)

=300/9.8/10×(10+0.5+0.815×3)

=39.628 t·m。

基礎重量GФ計算：

GФ=2.2VФ=2.2(0.9×0.9×2+(0.9+1.6)×1.6/2×0.5+2.3×2.3×0.5)=2.2×5.265=11.583 t。

計算基礎臺階上覆土重量Gr：

Gr=[a1b1h-(GФ-a0b0A)]×γ=[2.3×2.3×3-(11.583-0.9×0.9×0.5)]×1.7=7.876 t。

計算基礎承受的總垂直力G：

G=GФ+Gr+G0=11.583+7.876+2=21.459 t。

基礎土體承載力[σ]h計算(取kr=2.0)：因為h=3.0 m>2.0 m：

[σ]h=[σ]2+kr×γ×(h-2)=20+2.0×1.7×(3-2.0)=23.4 t/m2

計算基礎前后面土體抗壓力的力矩M1：

計算σ0：

σ0=G/(a1b1)=21.459/(2.3×2.3)

=4.056 t/m2

2σ0=8.112 t/m2<[σ]h=23.4 t/m2

計算基礎底部土體抗壓力的力矩M2：

M2=Ga1(1/2-2σ0/3/[σ]h)=21.459×2.3×[1/2-2×4.056/(3×23.4)]=18.974 t·m。

計算基礎側面土體摩擦力的力矩M3：已知φ=25°，查表7-57得到f=0.466 3，

M3=γfh2a1(4b1+3a1)/14=1.7×0.4663×32×2.3×(4×2.3+3×2.3)/14=56.611 t·m。

計算抗傾覆力矩：

∑M=M1+M2+M3=23.046+18.974+56.611=98.631 t·m。

計算傾覆安全系數K=∑M1/M0=98.631/39.628=2.488>1.5。

所用基礎滿足傾覆穩定的要求。

本基礎采用M39地腳螺栓8根，根據鋼結構設計規范，M39地腳螺栓的有效面積為A=976 mm2，根據GB 50017-2003《鋼結構設計規范》，錨栓Q235的抗拉強度為140 MPa。

根據GB 50009-2012《建筑結構載荷規范》，載荷效應設計值

S=γGSG+γQSQ

式中：γG——永久載荷分項系數，γG=1.2；γQ——可變載荷分項系數，γQ=1.4；SG——永久載荷(kN)，SG=285.714 kN；SQ——可變載荷(kN),SQ=65 kN。

螺栓組載荷效應設計值：S=1.2×285.714+1.4×6.5=351.956 kN。

每個螺栓的應力設計值：σS=1 000×S/8/A=1 000×351.956/8/976=45.075 MPa<140 MPa，滿足設計要求。

2 環形等徑混凝土支柱基礎選型

2.1 直埋基礎

直埋基礎是一般路基地段最常用的混凝土腕臂柱基礎型式，是將支柱下部埋入地基土中，通過回填土逐層夯實作為基礎，埋置深度一般為 3 000 mm。為了增加支柱地面以下部分與土體的接觸面積，提高土體對支柱的抗傾覆能力，使支柱具有良好的穩定性，在土質松散地段的支柱加設卡盤和底盤，并根據現場條件在基礎側面砌筑漿砌片石對基礎進行加固。卡盤順線路方向放置于支柱的上部、下部，卡盤的數量及位置根據計算確定。該型基礎基坑開挖尺寸較小，有利于路基的穩定性。一般路基地段混凝土柱直埋基礎，如圖2所示。

圖2 混凝土柱直埋基礎示意圖(mm)

2.2 井圈基礎

本線大部分線路位于騰格里沙漠南部，既有線側路基開挖至較深處時，路基全為細砂，當受到外界擾動(如既有線路通過列車或其他專業進行大型機械)時，容易引起土體結構破壞，進行深度開挖時基坑塌方嚴重。采用傳統的木質擋板進行支護時，擋板極易變形、折斷，不能很好地擋住砂土，基坑開挖難度增大，影響施工進度。為確保既有線路基穩定，不影響行車運輸安全，在砂質路基上采用混凝土井圈防護進行基坑開挖，然后在井圈內澆筑混凝土，使之起到了防護兼基礎的作用，不僅保證了施工安全，而且大大地改善了施工條件，提高了施工進度。砂質路基地段混凝土柱井圈基礎，如圖3所示。

圖3 混凝土柱井圈基礎示意圖(mm)

3 硬橫跨鋼管柱基礎選型

3.1 剛性基礎

帶臺階的現澆混凝土基礎，是電氣化鐵路接觸網鋼支柱的主要基礎型式，基礎與支柱通過預埋的地腳螺栓連接，一般情況基礎底板的臺階高寬比不小于1.0，在地質條件相對較好的條件下通常采用該類基礎。剛性基礎穩定性好、施工方便、工期較短。但由于基礎底部需要闊挖，基坑開挖時對路基及邊坡擾動較大，在此類基礎施工過程中要注意路基和邊坡的穩定性。硬橫跨鋼管柱剛性基礎，如圖4所示。

圖4 硬橫跨鋼管柱剛性基礎示意圖(mm)

3.2 高頸基礎

本線增建二線大多數車站均是由既有的1條正線、2條到發線改造為2條正線和2條到發線。為保證既有線運輸組織的正常運行，在站場改造過程中勢必要在新增線路側先組立好新接觸網支柱。新建線路側存在地面與路基有明顯高差的情況，且受既有支柱的影響此時新建線路側路基又無法鋪設。為解決新建線路側地面與路基有明顯高差的情況，設計了高頸基礎。高頸基礎很好地解決了此類現場情況，但由于高頸基礎大部分暴露在地面之上，因此要做好防護工作，來增加高頸基礎的穩定性。硬橫跨鋼管柱高頸基礎，如圖5所示。

圖5 硬橫跨鋼管柱高頸基礎示意圖(mm)

3.3 淺埋擴展基礎

砂質路基地段硬橫跨鋼管柱一般采用淺埋擴展基礎，淺埋擴展基礎是利用上部結構傳至基礎的垂直荷載、基礎自重及覆土重量來平衡柱底水平荷載產生的傾覆力矩。與剛性基礎相比，淺埋擴展基礎埋深較淺，一般在2 m以內，基礎底面積較大，基礎高度較小，在砂質路基地段基坑淺，開挖簡單，基礎下沉量也較小。但由于其基礎底面積較大，在咽喉區等側面限界較小的地段會受到限制。砂質路基地段硬橫跨鋼管柱淺埋擴展基礎，如圖6所示。

圖6 硬橫跨鋼管柱淺埋擴展基礎示意圖(mm)

3.4 井圈基礎

本線部分車站完全位于騰格里沙漠中，既有線側路基開挖至500～800 mm深時，路基便全為細砂，再進行深度開挖時路基便塌方嚴重，嚴重影響了既有線的行車安全，且在側面限界較小的地質淺埋擴展基礎也無法滿足實際施工的實施。為了解決砂質路基嚴重塌方及側面限界限制問題，設計了硬橫跨鋼管柱井圈基礎。

硬橫跨鋼管柱井圈基礎底部采用井圈來防止路基的塌方，上部采用Γ字型設計來平衡柱底水平荷載產生的傾覆力矩。硬橫跨鋼管柱井圈基礎，如圖7所示。

圖7 硬橫跨鋼管柱井圈基礎示意圖(mm)

綜合以上各種地質及工況，接觸網支柱基礎設計選型，如表1所示。

表1 接觸網支柱基礎設計選型表

4 拉線基礎

本工程拉線基礎主要分為兩種，一種為接觸導線拉線基礎，另一種為附加導線拉線基礎。接觸導線拉線基礎為混凝土基礎，附加導線拉線基礎為錨板基礎。接觸導線拉線基礎，如圖8所示，附加導線錨板基礎，如圖9所示。

圖8 接觸導線拉線基礎(mm)

圖9 附加導線錨板基礎(mm)

5 結束語

接觸網支柱基礎設計選型的合理性，對于降低工程造價，縮短工程建設周期，保證既有鐵路運營安全至關重要。通過對接觸網基礎設計選型的分析，可以看出各種類型的接觸網支柱基礎選型要結合具體工程實際工況確定。本文設計的幾種主要接觸網基礎形式—直埋基礎、剛性基礎、高頸基礎、淺埋擴展基礎、井圈基礎，能滿足現場各類施工工況，可為今后類似電氣化鐵路工程中接觸網支柱基礎的設計及選型提供參考。

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Design and Selection of Foundation of Overhead Contact System of Gantang-Wuwei Electrified Railway

HE Guojun

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600， China)

Gantang-Wuwei railway is the first electrified railway in the desert. Since the main geology of the line is desert, the engineering geological condition is poor. In the process of foundation construction for overhead contact system (OCS) of the existing Gantang-Wuwei electrified railway, the foundation pit collapsed seriously when the deep excavation is carried out on the existing subgrade because the external disturbance easily causes the damage of the soil structure. In order to ensure the stability of the existing subgrade, not to affect the safety of traffic transportation, and meet the demand of OCS foundation design for electrified railway. the several main types of OCS foundations used for the reform of new second line of Gantang-Wuwei electrified railway are designed-direct burial foundation, rigid foundation, high-neck foundation, shallow spread foundation, concrete ring foundation and so on from the point of view of the construction site, according to the geological conditions of the project and combined with the electrification reform of the existing lines. According to different conditions, characteristics and applicability of all kinds of foundations in the project are analyzed. The conditions of site construction show that all kinds of foundations can adapt to different conditions,which provides references for design and selection of mast foundation of overhead contact system in the similar electrified railway engineering in the future.

Mast foundation; concrete ring foundation; shallow spread foundation; electrified railway

2016-02-29

何國軍(1986-)，男，工程師。

1674—8247(2016)03—0054—05

U225.4+2

A