既有單線隧道雙高箱運輸接觸網懸掛方案淺析

李東陽

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司上海電氣公司 上海 201700）

0 前言

隨著“一帶一路”建設的積極推動，集裝箱運輸大幅增加，如何提高集裝箱運能備受關注。據國鐵集團統計，雙層集裝箱運輸是一種先進的多式聯運組織方式，最大可提高鐵路運輸能力38%，僅寧波舟山港集裝箱鐵海聯運已開通的12條鐵海聯運班列線路2018年集疏港運量將達到61萬TEU，同比增長53%。雙高箱集裝箱運輸能夠減少國際高箱進入國內更換箱體的環節，成為海鐵聯運效率提高的又一突破口。目前，國內貨運鐵路接觸網是按照雙層集裝箱進行設計，無法滿足通行雙高箱集裝箱列車的需要，需對其進行改造。

1 單線隧道內雙高箱運輸接觸網分析

1.1 建筑限界

雙高箱運輸側面限界由車輛本體及裝載寬度、列車運行中橫向振動偏移量等構成，其中車輛本體及裝載寬度根據《鐵路技術管理規程（普速鐵路部分）》（TG/01—2014）可知車輛本體及裝載寬度側面限界1.700m，電氣化區段運輸建筑限界1.760m；最大橫向振動偏移量值為0.507m（取整），包含：①車輛本身的橫向活動間隙0.135m；②車輛在極端條件下運行時的最大橫向偏移量在甬金鐵路進行的基于SIMPACK軟件的動力學仿真分析結果為0.27195mm；③軌道數最大誤差0.05mm；④安全裕量0.05mm。推算雙高箱車輛及裝載建筑側面最大限界為2.207m（1.700+0.507），小于鐵路技規要求的2.440m限界。雙高箱運輸車輛X2K和X2H型平車寬度為2.912m，集裝箱寬度為2.438m，集裝箱頂部側面限界1.219+0.507=1.726m，小于1.760mm，可知隧道側面限界滿足其運行要求。

1.2 接觸網導高

由《鐵路電力牽引供電設計規范》（TB 10009—2016）可知接觸網導高應根據車輛裝載高度、空氣絕緣距離、冰雪附加載荷、工務維修、施工誤差以及受電弓的工作范圍等因素綜合確定。計算最小導高如下：

式中：H——接觸網導高；

h1——車輛裝載高度：雙高箱裝運高度2.896（國際集裝箱最大高度）×2=5.792m，X2H和X2K型運輸車輛集裝箱承載面高度小于0.305m，通過鐵科院仿真計算得到極端條件下雙高箱裝載運輸垂向最大偏移量為0.04896m，裝載高度為5.792+0.305+0.04896=6.150m（取整）；

h2——空氣絕緣距離，《鐵路技術管理規程（普速鐵路部分）》（TG/01—2014）接觸網絕緣距離不小于0.300m，至車輛裝載貨物的距離不小于0.350m；

h3——冰雪附加載荷引起導高變化考慮為0.050m；

h4——線路起落道引起導高變化考慮為0.050m：

h5——施工誤差考慮為0.030m。

高箱與普箱裝載高差2.896-2.591=0.305m，甬金線開行雙高箱集裝箱研究也是將接觸網最低導高由6.330m加0.305m取值6.635m，統一考慮最低導高取6.635m，可推算隧道外一般導高為6.70mm，隧道內導高為6.680m。

根據資料顯示目前主要運行的貨運電力機車型號有：HXD1、HXD1B、HXD1C、HXD1D、HXD2B、HXD3、HXD3C、SS8、SS9 共計 9 種，各型電力機車受電弓可適應的工作高度詳見表1。

表1 電力機車受電弓工作高度統計

以上數據顯示，電力機車受電弓正常工作高度基本均可達到雙高箱運輸的接觸網導高。

1.3 接觸網適應性分析

雙高箱運輸建筑限界計算繪圖如圖1、圖2所示。

圖1 雙高箱運輸裝載上部限界/mm

圖2 雙高箱運輸隧道內建筑限界圖/mm

單線隧道建筑限界采用鐵路技規中的雙層集裝箱運輸鐵路建筑限界，襯砌內輪廓按照時速120km/h設計，曲線半徑為800m的，外軌超高0.135m，偏移 0.051m，見圖 3。

既有貨運鐵路單線隧道接觸網標準圖安裝，接觸懸掛采用弓形腕臂結構，導高6.400m，結構高度0.500m，承力索高度6.900m，雙高箱運輸導高抬升0.305m后絕緣距離不滿足要求，需要進行改造。

圖3 單線隧道內接觸網安裝圖/mm

2 隧道內接觸網改造方案

本次對單線隧道研究了接觸網采用剛性懸掛（方案Ⅰ）和柔性懸掛（方案Ⅱ）兩種方案，柔性懸掛又研究了線路落道方案（方案Ⅱ-1）和隧道挑頂擴建方案（方案Ⅱ-2），具體如下：

2.1 剛性懸掛方案（方案Ⅰ）

當采用剛性懸掛時，接觸網占用空間小，雙高箱運輸隧道限界高度要求為7.365m，隧道內輪廓限界高度7.63m，滿足要求。

圖4 120km/h雙高箱集裝箱單線隧道內輪廓（剛性懸掛cm）

3.2 柔性懸掛方案（方案Ⅱ）

采用柔性懸掛時雙高箱運輸隧道建筑限界為766.5cm超出雙層集裝箱運輸隧道內輪廓763cm最大距離為3.5cm，需要改擴建。

圖5 雙高箱與雙箱限界單線隧道內輪廓比較/cm

2.2.1 線路落道方案（方案Ⅱ-1）

軌面標高降低3.5cm，需對隧道內對圍巖復合式襯砌、復合式襯砌（底板結構）溝槽、底板、找平層進行同步改擴建。拆除隧道底板、找平層，下挖3.5cm后重新找平層及底板；溝槽蓋板面降低3.5cm，電纜槽槽底下挖3.5cm并抹平。

2.2.2 隧道挑頂擴建方案（方案Ⅱ-2）

將既有隧道拱部120°r1=266cm半徑范圍內襯砌結構拆除，邊墻既有r2=844cm半徑曲線上延，與拱部新建r1=227cm半徑曲線順接。改擴建后隧道軌面以上凈高796cm，較既有隧道高出33cm，內輪廓距建筑限界最小約9cm，滿足要求。

2.3 方案比選分析

當采用剛性懸掛方案（方案Ⅰ）時，原設計隧道內輪廓能夠滿足雙高箱隧道運輸要求，不需改建。

當采用柔性懸掛方案時，需要對隧道進行改擴建。按線路落道方案（方案Ⅱ-1）進行改擴建時，軌頂面以下需降低3.5cm，需對溝槽、仰拱填充進行局部改擴建，對底板及找平層拆除重建，改擴建后隧道側溝過水斷面減小，需重新核算隧道側溝過水能力能否滿足要求。采用該方案會引起隧道洞口外部分地段路基、橋梁軌面高程下降，會引起橋涵處道渣厚度不滿足規范要求，因此不宜采用。按隧道挑頂擴建方案（方案Ⅱ-2）進行改擴建時，既有隧道拱部120°r1=266cm半徑范圍內襯砌結構需拆除、擴挖改擴建并拆除接觸網，改擴建難度大，風險高，工期長，投資大。綜合以上分析，本次研究推薦隧道內接觸網采用剛性懸掛方案（方案Ⅰ），原隧道結構均無需改擴建。

2.4 剛性懸掛方案

剛性懸掛由匯流排PAC110+接觸線（120mm2截面的銅合金接觸線）構成，最低導高為6.635m，隧道外導高為6.700m，隧道內導線高度為6.680m，拉出值可按±0.200m設置。受電弓左右晃動量按高鐵受電弓最大左右晃動量±0.350m設計，可待現場實驗后進行進一步校核。隧道口設置剛柔過渡區，并對隧道口平面布置進行調整，兩隧道間距300m以下時隧道外地段采用也應采用剛性懸掛以優化弓網關系，剛性懸掛方案見圖6。

圖6 隧道內接觸網剛性懸掛安裝圖/mm

由圖6可知，采用剛性懸掛方案，隧道上部凈空滿足安裝要求；在最大外軌超高情況下，軌道區段受電弓最大左右晃動情況下距隧道壁距離為0.450m，均滿足規范要求的0.240m并有一定的安全裕量。

2.5 接觸網主要改造方式

對隧道斷面重新測繪，按照通用剛性懸掛設置方式繪制出隧道內布置圖，根據放樣位置后植化學錨栓，分段拆除柔性懸掛，按雙高箱標準安裝剛性懸掛。施工過程中，線路需停運電力機車。

3 結束語

綜上可知，雙高箱運輸的接觸網導高不應小于6.635m，考慮施工誤差、線路抬道等影響，隧道內導高可設為6.680m。雙高箱集裝箱運輸涉及既有鐵路單線隧道內接觸網改造時，隧道內接觸網可采用剛性懸掛方案，原隧道無需改擴建，施工難度較小。由于目前國內暫無導高6.500m以上接觸網運行試驗經驗，為了驗證弓網關系，施工前可進行現場雙高箱集裝箱運輸模式下動態試驗，或待甬金鐵路建成后進一步驗證。