適應(yīng)活動(dòng)斷層的地鐵架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)研究*

徐紅田升平唐曉嵐俞歡

適應(yīng)活動(dòng)斷層的地鐵架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)研究*

徐紅1田升平2唐曉嵐2俞歡1

（1.烏魯木齊城市軌道集團(tuán)有限公司，830026，烏魯木齊；2.中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，710043，西安//第一作者，高級(jí)工程師）

活動(dòng)斷層是伴隨地震發(fā)生的一種地質(zhì)災(zāi)害，穿越地鐵線路的活動(dòng)斷層是地鐵建設(shè)中的首要技術(shù)難題。活動(dòng)斷層的活動(dòng)對(duì)地鐵架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，進(jìn)而影響到地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。為此，在研究活動(dòng)斷層活動(dòng)特征及隧道結(jié)構(gòu)處理措施的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)活動(dòng)斷層的架空剛性接觸網(wǎng)安裝要求的垂直懸掛結(jié)構(gòu)及安裝調(diào)整方案，并進(jìn)行有限元分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。該研究成果已在烏魯木齊地鐵一號(hào)線的建設(shè)中得到應(yīng)用。

地鐵；架空剛性接觸網(wǎng)；活動(dòng)斷層；錯(cuò)動(dòng)位移；懸掛結(jié)構(gòu)；垂直懸掛

First-author′s addressUrumqi Metro Group Co.，Ltd.，830026，Urumqi，China

伴隨地震發(fā)生的斷層活動(dòng)屬于地質(zhì)學(xué)災(zāi)害。地鐵線路穿越的活動(dòng)斷層其黏滑錯(cuò)動(dòng)將對(duì)跨斷層隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，進(jìn)而影響到地鐵工程建設(shè)。烏魯木齊地鐵穿越多條活動(dòng)斷層，這些活動(dòng)斷層對(duì)地鐵建設(shè)的影響亟需研究。

架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)是重要的地鐵運(yùn)營(yíng)設(shè)備，地鐵線路穿越的活動(dòng)斷層其活動(dòng)會(huì)破壞隧道結(jié)構(gòu)以及架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)。為保障烏魯木齊地鐵的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，需解決活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)安全可靠運(yùn)行以及活動(dòng)斷層活動(dòng)后架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)快速調(diào)整修復(fù)的問(wèn)題［1］。

本文基于活動(dòng)斷層地質(zhì)學(xué)研究成果以及活動(dòng)斷層隧道結(jié)構(gòu)的處理措施，對(duì)活動(dòng)斷層的架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的垂直懸掛結(jié)構(gòu)度安裝調(diào)整方案。

1 活動(dòng)斷層地質(zhì)學(xué)活動(dòng)特征

根據(jù)地質(zhì)學(xué)研究成果［2］，烏魯木齊地鐵1號(hào)線穿越了九家灣斷層組、八鋼石化隱伏斷層、碗窯溝斷層，這3條斷層位于的地下區(qū)間百年內(nèi)均可能產(chǎn)生地震活動(dòng)，其活動(dòng)性質(zhì)表現(xiàn)為上下盤(pán)間的黏滑錯(cuò)動(dòng)。

黏滑錯(cuò)動(dòng)是指活動(dòng)斷層上下盤(pán)間應(yīng)力-應(yīng)變積累到一定程度后突然釋放并產(chǎn)生相對(duì)位移錯(cuò)動(dòng)的過(guò)程。在黏滑錯(cuò)動(dòng)發(fā)生前后的時(shí)段里，活動(dòng)斷層上下盤(pán)相對(duì)位置保持不變，僅在粘滑錯(cuò)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生相對(duì)位置變化，因此黏滑錯(cuò)動(dòng)是一種突變的地質(zhì)錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。

活動(dòng)斷層地質(zhì)學(xué)特征及與烏魯木齊地鐵1號(hào)線的關(guān)系見(jiàn)表1。活動(dòng)斷層處隧道結(jié)構(gòu)及架空剛性接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)調(diào)整方案均以此為基礎(chǔ)展開(kāi)研究。

2 活動(dòng)斷層隧道結(jié)構(gòu)處理措施

活動(dòng)斷層的活動(dòng)改變了軌道原有的設(shè)計(jì)位置。在活動(dòng)斷層活動(dòng)后通過(guò)軌道調(diào)線調(diào)坡恢復(fù)設(shè)計(jì)位置的方法適應(yīng)活動(dòng)斷層活動(dòng)。

表1 烏魯木齊地鐵活動(dòng)斷層基本特征

表2 烏魯木齊地鐵活動(dòng)斷層隧道結(jié)構(gòu)處理措施

活動(dòng)斷層活動(dòng)后采取下降盤(pán)墊高、上升盤(pán)保持不動(dòng)的措施來(lái)調(diào)整軌道的位置。為配合軌道的調(diào)線調(diào)坡以滿(mǎn)足隧道凈空要求，隧道結(jié)構(gòu)采取擴(kuò)大斷面的措施適應(yīng)活動(dòng)斷層的錯(cuò)動(dòng)位移。活動(dòng)斷層隧道結(jié)構(gòu)處理措施見(jiàn)表2［3］。

由表2可知，烏魯木齊活動(dòng)斷層活動(dòng)特征表現(xiàn)為橫向、垂向及縱向突發(fā)錯(cuò)動(dòng)位移。其中，垂向錯(cuò)動(dòng)后，地鐵隧道結(jié)構(gòu)采取的墊高相對(duì)下降盤(pán)的措施，導(dǎo)致相對(duì)下降盤(pán)的隧道凈空最大降低650 mm（如圖1所示）。

架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是適應(yīng)活動(dòng)斷層的錯(cuò)動(dòng)位移，在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)調(diào)整及線路調(diào)線調(diào)坡情況下，進(jìn)一步保證活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)后架空剛性接觸網(wǎng)導(dǎo)高、拉出值的調(diào)節(jié)要求以及盡快恢復(fù)地鐵運(yùn)營(yíng)的要求。

圖1 活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)及隧道結(jié)構(gòu)處理示意圖

3 活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)分析

3.1 架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)方案比選

架空剛性接觸網(wǎng)的懸掛結(jié)構(gòu)主要分為垂直懸掛結(jié)構(gòu)及水平腕臂結(jié)構(gòu)兩種（見(jiàn)圖2）。

垂直懸掛結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)地鐵架空剛性接觸網(wǎng)的設(shè)計(jì)中。該方式適用于矩形、圓形、馬蹄形等隧道斷面形式，適用各種隧道凈空范圍。垂直懸掛結(jié)構(gòu)中的高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)可適用4 800 mm以上的大凈空安裝需求，可滿(mǎn)足表2所示活動(dòng)斷層的位移調(diào)整需求，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工調(diào)整方便，與正常區(qū)段懸掛結(jié)構(gòu)一致。

水平腕臂在國(guó)內(nèi)地鐵應(yīng)用較少，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)施工要求較高，難以適應(yīng)活動(dòng)斷層不同方向錯(cuò)動(dòng)位移的調(diào)整要求，同時(shí)造價(jià)較高。為了運(yùn)營(yíng)維護(hù)的方便性和一致性，并且能較好地適應(yīng)活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)后在不同方向上的位移調(diào)整需求，推薦活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)采用高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)。

圖2 架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)示意

3.2 架空剛性接觸網(wǎng)高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)優(yōu)化

由表2可知，活動(dòng)斷層結(jié)構(gòu)初始安裝凈空最大為5 950 mm。考慮斷層垂向最大錯(cuò)動(dòng)650 mm，結(jié)構(gòu)安裝凈空最低為5 300 mm，滿(mǎn)足采用架空剛性接觸網(wǎng)高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)4 800 mm的安裝凈空條件。

既有架空剛性接觸網(wǎng)匯流排定位線夾與匯流排間可自由伸縮以適應(yīng)熱脹冷縮，可保證斷層縱向錯(cuò)動(dòng)時(shí)架空剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛結(jié)構(gòu)同步移動(dòng)而匯流排相對(duì)不動(dòng)，適應(yīng)活動(dòng)斷層縱向錯(cuò)動(dòng)位移。

既有高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)在橫向?qū)鲋档恼{(diào)節(jié)依靠懸掛匯流排的T型螺栓在垂直懸吊安裝底座長(zhǎng)孔內(nèi)的左右位置實(shí)現(xiàn)。為滿(mǎn)足活動(dòng)斷層橫向錯(cuò)動(dòng)位移，對(duì)既有垂直懸吊安裝底座長(zhǎng)孔擴(kuò)孔250 mm，實(shí)現(xiàn)橫向122 mm的錯(cuò)動(dòng)位移及拉出值調(diào)整要求［4］。

3.3 架空剛性接觸網(wǎng)高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)型式

活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛結(jié)構(gòu)應(yīng)既能適應(yīng)斷層活動(dòng)前的初始大凈空的安裝，又能適應(yīng)斷層活動(dòng)后的壓縮凈空。因此，要求架空剛性接觸網(wǎng)垂直懸掛結(jié)構(gòu)具有大范圍垂向調(diào)節(jié)能力。根據(jù)圖1所示，垂向調(diào)節(jié)為單一向上的調(diào)節(jié)模式。據(jù)此提出如圖3所示的兩種垂直懸掛結(jié)構(gòu)方案。

圖3垂直懸掛結(jié)構(gòu)方案

圖3 a）的吊柱為雙層嵌套式套筒結(jié)構(gòu)，圖3 b）的吊柱為兩段式H型吊柱結(jié)構(gòu)。針對(duì)垂向調(diào)節(jié)要求，兩種結(jié)構(gòu)均采用粗調(diào)+微調(diào)兩級(jí)調(diào)節(jié)模式，均需在吊柱兩側(cè)開(kāi)孔以穿螺栓的方式滿(mǎn)足粗調(diào)要求。結(jié)構(gòu)a）的垂向粗調(diào)為向上調(diào)節(jié)外層套筒的嵌套位置，結(jié)構(gòu)b）的垂向粗調(diào)為向上調(diào)節(jié)斜撐穿孔螺栓的安裝位置，并在后半行程拆除下半截H型吊柱以避免吊柱與懸吊底座間的位置沖突。其優(yōu)缺點(diǎn)比較如表3所示。

表3 垂直懸掛結(jié)構(gòu)方案比選

通過(guò)以上方案比選，可確定活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)高凈空垂直懸掛結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)b）的分段可調(diào)吊柱型式較好。

3.4 分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)調(diào)整模式

根據(jù)3.2節(jié)分析，對(duì)縱向錯(cuò)動(dòng)位移可自適應(yīng)，無(wú)需調(diào)整。對(duì)橫向錯(cuò)動(dòng)位移僅需調(diào)節(jié)懸掛匯流排的T型螺栓在垂直懸吊安裝底座水平長(zhǎng)孔內(nèi)的左右位置實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)650 mm的垂向調(diào)節(jié)行程，H型吊柱粗調(diào)行程設(shè)計(jì)為700 mm，垂向孔間距即粗調(diào)步距設(shè)計(jì)為100 mm，滿(mǎn)足兩段H型吊柱的背板連接強(qiáng)度要求，同時(shí)決定了T型螺栓微調(diào)行程為100 mm。兩段H型吊柱上設(shè)計(jì)7個(gè)排孔位，不同凈空高度下斜撐螺栓在H型吊柱上的安裝孔位選擇見(jiàn)表4。

表4 吊柱上斜撐螺栓安裝孔位選擇

以斷層垂向錯(cuò)動(dòng)位移550 mm為例，其斷層活動(dòng)前后分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)安裝示意如圖4所示。

圖4 分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

安裝凈空調(diào)節(jié)區(qū)間根據(jù)安裝孔位分為兩類(lèi)：①、②、③與⑤、⑥、⑦。根據(jù)表4所示，第一類(lèi)孔位適用于5 600～5 950 mm的凈空范圍；第二類(lèi)孔位適用于5 250 mm～5 600 mm的凈空范圍，此時(shí)拆除下半段H型吊柱，其中孔位④僅用于固定下半段H型吊柱。

以圖4為例，活動(dòng)斷層垂向錯(cuò)動(dòng)位移Δh=550mm，此時(shí)凈空h=5 400 mm。根據(jù)表4，選擇吊柱安裝孔位⑥，向上粗調(diào)△h1=500 mm，拆除下半段H型吊柱，剩余△h2=△h-△h1=50 mm，通過(guò)將T型螺栓螺母向上微調(diào)實(shí)現(xiàn)。

4 有限元分析及試驗(yàn)

4.1 有限元分析

分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)主要承受垂向荷載及橫向調(diào)節(jié)拉出值時(shí)的偏心彎矩。設(shè)計(jì)垂向工作荷載為5 kN。水平橫向調(diào)節(jié)至極限位置時(shí)的偏心距離為375 mm，包括拉出值250 mm及活動(dòng)斷層單側(cè)錯(cuò)動(dòng)位移125 mm，由此產(chǎn)生極限彎矩。為加強(qiáng)極限偏心彎矩時(shí)懸吊底座的局部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將懸吊底座與斜撐的連接板設(shè)計(jì)為“凸”型（如圖5所示）。

圖5 懸吊底座及連接板示意

對(duì)吊柱及斜撐、懸吊底座進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。主要技術(shù)條件如下：垂直工作荷載F= 5 kN；偏心距離L=375 mm；懸吊底座矩形方鋼管的尺寸規(guī)格為4 mm×55 mm×55 mm；結(jié)構(gòu)材料選用Q235A，材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值180 MPa，材料屈服強(qiáng)度為215 MPa。經(jīng)有限元分析，結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6、圖7所示。

由圖6、圖7可見(jiàn)，吊柱及斜撐、懸吊底座的最大應(yīng)力為158.5 MPa，小于材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（180 MPa），滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2073-2010及TB/T 2074-2010中的試驗(yàn)條件［5-6］要求，進(jìn)行工作荷載、破壞荷載及疲勞試驗(yàn)，其中工作荷載F=5 kN，破壞荷載為15 kN。試驗(yàn)情況如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明樣件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足橫向、垂向及縱向的調(diào)節(jié)要求，通過(guò)吊柱穿孔位置及T型螺栓安裝長(zhǎng)度的粗調(diào)與微調(diào)，可實(shí)現(xiàn)架空剛性接觸網(wǎng)垂向?qū)Ц叩木_調(diào)節(jié)。該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)節(jié)方便、零部件通用性強(qiáng)、維護(hù)工作量小，作為活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)安裝方案合理可行。

圖6 吊柱及斜撐應(yīng)力分布

圖7 懸吊底座應(yīng)力分布

圖8 分段可調(diào)吊柱垂直懸掛結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

本文提出的結(jié)構(gòu)型式已先期在烏魯木齊地鐵1號(hào)線的設(shè)計(jì)施工中應(yīng)用。該研究成果有效的解決了烏魯木齊地鐵活動(dòng)斷層架空剛性接觸網(wǎng)懸掛結(jié)構(gòu)如何適應(yīng)活動(dòng)斷層錯(cuò)動(dòng)的技術(shù)難題，可為其它類(lèi)似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

［1］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.烏魯木齊軌道交通1號(hào)線工程可行性研究報(bào)告［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

［2］新疆防御自然災(zāi)害研究所.烏魯木齊軌道交通1號(hào)線活動(dòng)斷裂帶的幾何學(xué)特征與運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究初步結(jié)果［R］.烏魯木齊:新疆防御自然災(zāi)害研究所，2014.

［3］中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.烏魯木齊軌道交通一號(hào)線工程（三屯碑-國(guó)際機(jī)場(chǎng)）接觸網(wǎng)初步設(shè)計(jì)文件［R］.烏魯木齊：中鐵電氣化勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.

［4］中華人民共和國(guó)住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部.地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50157-2013［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：145-149.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道部.電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件：TB/T 2073-2010［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：5-7.

［6］中華人民共和國(guó)鐵道部.電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件試驗(yàn)方法：TB/T 2074-2010［S］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：4-7.

Research of Overhead Rigid Contact System Suspension Structure within the Active Fault Zone in Urumqi Subway

Xu Hong，TIAN Shengping，TANG Xiaolan，YU Huan

Active fault is a kind of geological disaster accompanied by earthquake，it is the first technical problem in U－rumqi metro construction.Active fault directly threats the suspension structure of overhead rigid contact system，and further seriously affects metro operation safety.Based on a thorough study on the characteristics of the active fault and the countermeasures of tunnel structure，a suspension structure accommodated to the installation requirements of overhead rigid contact system and the suspension structure adjustment scheme in the active fault section is presented，which has been verified by finite element analysis and test.The research achievement has been applied in the construction of Urumqi metro Line 1.

metro；overhead rigid contact system；active fault；shear displacement；suspension structure；vertical suspension

U 225.1

10.16037/j.1007-869x.2017.08.010

2017-01-16）

*新疆自治區(qū)科技支撐項(xiàng)目（201432110）