一種拉壓式彈簧補償裝置在重慶地鐵的運用

王建紅

（重慶市軌道交通設(shè)計研究院有限責任公司，重慶 400020）

0 引言

2012年，重慶軌道交通6號線一期工程受線路、限界等因素影響，不具備采用傳統(tǒng)的重力式墜砣補償?shù)臈l件；同時期，國內(nèi)渦輪卷曲式彈簧在既有線路出現(xiàn)了運行不穩(wěn)定的情況。后經(jīng)考察，首次在國內(nèi)引進了日本新干線成功運營的拉壓式彈簧補償裝置（以下簡稱“彈簧補償裝置”），并在之后的各條線路中作為正線柔性接觸網(wǎng)補償下錨的首選方案，或得了用戶的好評。下文就彈簧補償裝置及其在工程中的運用進行總結(jié)與探討。

1 彈簧補償裝置的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，彈簧補償裝置由內(nèi)部、外部彈簧通過套筒組裝而成，彈簧的材料采用高強度的彈簧鋼。裝置的頭、尾分別設(shè)連接雙耳，用于與線索下錨零件、錨固點之間的連接。外套筒的中部預(yù)留彈簧補償裝置的固定安裝雙耳，內(nèi)套筒的頭部安裝讀數(shù)標尺。當安裝完畢并按安裝曲線對接觸網(wǎng)線材施加張力后，內(nèi)部套筒被拉出，通過內(nèi)、外套筒與彈簧之間的傳導(dǎo)，為接觸網(wǎng)提供恒定的張力輸出。

圖1 彈簧補償裝置結(jié)構(gòu)圖

2 彈簧補償裝置的選型

彈簧補償裝置目前已形成系列產(chǎn)品，張力范圍為10～30 kN，標準工作行程為580～1 080 mm，能夠滿足城市軌道交通各種工況下接觸網(wǎng)下錨補償?shù)男枨蟆?/p>

重慶軌道的正線柔性接觸網(wǎng)補償下錨一般分為三種，即雙接觸線補償下錨、雙承力索補償下錨、單承單導(dǎo)并聯(lián)補償下錨。三種補償下錨的額定張力設(shè)計值一致，結(jié)合重慶地區(qū)的溫度及錨段長度設(shè)置，選用了額定張力為24.5 kN的彈簧補償裝置。彈簧補償裝置極限張力偏差為±15%，張力變化范圍為20.83～28.18 kN，折合單線的張力范圍為10.41～14.09 kN。文獻[1]中規(guī)定時速120 km/h的線路，接觸線的最小張力不宜小于10 kN。此種彈簧補償裝置滿足地鐵線路最高運行時速為100 km/h的下錨需求。考慮到實際錨段長度≯750 m，最終選定了標準工作行程為840 mm的產(chǎn)品。

彈簧補償裝置安全可靠、免維護，適用于地鐵接觸網(wǎng)的下錨安裝，但其造價相較于棘輪補償裝置更高。重慶地鐵線路最終考慮在正線線路使用彈簧補償裝置，車輛段仍采用棘輪補償裝置下錨。

3 彈簧補償裝置的安裝

彈簧補償裝置安裝簡單，適宜在各種型號的支柱上安裝，當其安裝于隧道內(nèi)時，滿足柔性懸掛安裝的斷面即可用于彈簧補償裝置的安裝，無須對隧道斷面進行擴挖，這極大地增加了設(shè)計便利性。

3.1 支柱上下錨安裝

重慶軌道的柔性接觸網(wǎng)一般情況下將雙支承力索及雙支接觸線在一根大容量支柱上下錨。當錨柱為7.5 m時，承力索下錨彈簧補償裝置通過上部拉桿固定，接觸線下錨彈簧補償裝置通過下部的弧形支撐固定，安裝方式如圖2所示。當安裝于聲屏障下方或其他空間受限處，支柱高度為7 m及以下時，接觸線及承力索下錨彈簧補償裝置均可通過下部的弧形支撐固定，安裝方式如圖3所示。應(yīng)當注意的是，受下部斜撐影響，采用圖2及圖3安裝方式時，下錨支柱不宜安裝雙腕臂底座。

圖2 雙承雙導(dǎo)在7.5 m支柱上下錨安裝

圖3 雙承雙導(dǎo)在7 m支柱上下錨安裝

3.2 隧道內(nèi)下錨安裝

地鐵接觸網(wǎng)一般在隧道內(nèi)采用剛性懸掛，在隧道外采用柔性懸掛。但也經(jīng)常有兩段高架橋之間夾著一段小隧道，為減少剛?cè)徇^渡的次數(shù)，通常會選擇在該段隧道內(nèi)設(shè)置柔性接觸網(wǎng)，并在隧道內(nèi)設(shè)接觸網(wǎng)下錨。隧道內(nèi)彈簧補償裝置下錨的安裝方式如圖4所示，彈簧的中部和尾部均需通過隧道頂部進行懸掛，并通過調(diào)整螺栓保持彈簧與下錨支線索的共線，彈簧尾部可根據(jù)需要固定在隧道側(cè)壁或通過下錨吊柱固定。

圖4 隧道內(nèi)彈簧補償下錨安裝

隧道內(nèi)下錨時，承力索或接觸線下錨的彈簧補償器宜分別單獨下錨。

4 下錨補償量的計算

棘輪與墜砣組合形成的補償裝置，可以利用下錨高度與結(jié)構(gòu)面之間的空間提供補償距離，補償?shù)木嚯x足夠長，特殊情況下可以采用雙墜砣串方案，以增加補償距離。而壓縮式彈簧補償裝置依靠彈簧的伸縮提供恒定的補償，額定工作行程有限，補償裝置的補償距離是恒定的，這就需要對受補償導(dǎo)線的伸縮長度進行更為精確的計算。

國內(nèi)采用棘輪補償時，一般利用公式（1）進行導(dǎo)線的伸長量計算：

式中：l為導(dǎo)線（接觸線或承力索）的伸縮量；L為接觸線或承力索硬錨（或中錨）至補償器的距離；α為接觸線或承力索的線脹系數(shù)；t1為設(shè)計中采用的最低溫度值；t2為設(shè)計中采用的最高溫度值。

公式（1）的模型較為簡單，未考慮線材形變及張力變化等因素引起的伸縮量變化。鑒于棘輪補償裝置的下方一般都有足夠的補償距離，該計算方法可以完全滿足工程實際的需要。

彈簧補償器由于補償量恒定，需要更加精確地計算導(dǎo)線的伸長量，公式（2）為彈簧補償器的伸縮量計算公式[2]：

式中：E為彈性模量；A為接觸線或承力索硬錨的截面積；T1為接觸線或承力索在設(shè)計最低溫度時的張力；T2為接觸線或承力索在設(shè)計最高溫度時的張力；W為接觸線或承力索單位長度的重量；s為跨距。

線材本身的伸縮量扣除導(dǎo)線溫度變化引起的收縮量及弛度引起的收縮量后，其值更加接近導(dǎo)線在補償器位置的實際伸長量。

5 彈簧補償裝置下錨的安裝注意事項

5.1 跨江大橋伸縮縫對下錨的影響

重慶主城區(qū)有兩江四岸，跨江大橋眾多，當柔性接觸網(wǎng)下錨跨越大橋伸縮縫時，應(yīng)特別注意橋梁伸縮縫對接觸網(wǎng)補償下錨的影響。

根據(jù)橋梁跨度的不同，重慶已建軌道跨江大橋的伸縮縫長度一般在300～700 mm，設(shè)計伸縮量最小一般±100 mm，最大±385 mm。當橋梁伸縮量較小時，通過減小錨段長度的方式，保證導(dǎo)線的伸縮量與橋梁的伸縮量的總和位于彈簧補償裝置的補償范圍之內(nèi)即可。但當橋梁伸縮縫過大時，比如±385 mm的橋梁伸縮量已基本用完了彈簧補償裝置的補償量，那么只能采用棘輪與墜砣的補償方式，利用棘輪下錨與橋面之間的高度來完成對接觸網(wǎng)的補償下錨。

5.2 新線蠕變的影響

接觸線及承力索新線架設(shè)后，無論是否采用恒張力放線，均無法完全克服新線蠕變的影響。通常情況下，采用棘輪加墜砣補償下錨時，可以根據(jù)經(jīng)驗去考慮新線蠕變的長度，然后在下錨調(diào)整時對下錨高度進行預(yù)留，最大程度避免對下錨進行二次調(diào)整。而且采用墜砣下錨時，補償距離一般情況下均足夠大，很容易克服新線蠕變的影響。

采用彈簧補償裝置時，新線蠕變將對彈簧補償裝置的補償量產(chǎn)生影響，后期的調(diào)整也較為困難。施工安裝時宜對線材進行超拉，以克服新線的蠕變量。但新線超拉對工藝要求較高，而且沒有較為統(tǒng)一的超拉工藝，超拉過程對接觸網(wǎng)及其零部件的影響也不易評估，所以，對新線接觸網(wǎng)超拉的使用案例較少。

實際下錨安裝中，施工過程一般會根據(jù)經(jīng)驗去估算不同錨段長度的蠕變量，采用增加臨時連接桿件的方式去克服新線蠕變的影響，并結(jié)合調(diào)整螺栓對下錨補償量進行調(diào)整，最終可以避免對下錨終端進行多次的反復(fù)拆裝，保證下錨安裝的可靠性。

5.3 天氣條件對安裝的影響

一般情況下，下錨補償安裝曲線的計算，均利用氣溫與錨段長度之間的關(guān)系曲線。但露天環(huán)境下，陽光直曬時，特別是高溫天氣，導(dǎo)線的溫度明顯高于氣溫，此時利用氣溫進行彈簧補償裝置的調(diào)整會出現(xiàn)一定的偏差。由于導(dǎo)線的平均溫度不易測量，建議根據(jù)氣溫進行彈簧補償器刻度調(diào)整時，選擇在陰天或清晨進行。

6 結(jié)語

彈簧補償裝置在重慶地鐵線路中已成功運營10年，其具有安全性高及免維護的特性；因其外觀結(jié)構(gòu)較棘輪補償裝置簡潔，景觀效果較為明顯；特別是當土建條件受到制約時，彈簧補償裝置可以極大地節(jié)約限界空間，解決現(xiàn)場的實際問題。

當然，彈簧補償裝置的運用對設(shè)計及施工的要求更加嚴格，在使用彈簧補償裝置時，應(yīng)根據(jù)其特點，在前期進行充分的設(shè)計預(yù)留。比如跨越大伸縮縫時的接觸網(wǎng)錨段設(shè)置須經(jīng)計算后確定，若條件不允許，必要的時候應(yīng)更換下錨補償?shù)姆绞健?/p>

彈簧補償裝置結(jié)合合理的設(shè)計以及施工安裝工藝，將達到良好的長期運營效益，在充分考慮經(jīng)濟性的前提下，可作為新建及改造工程接觸網(wǎng)下錨補償?shù)膬?yōu)質(zhì)比選方案。