新关角隧道信号系统方案研究

马书元

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



新关角隧道信号系统方案研究

马书元

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：鉴于青藏线西格二线关角隧道的特殊性，通过对国内已开通可借鉴的长大隧道京广线大瑶山隧道、兰武二线乌鞘岭隧道及青藏铁路既有关角隧道情况进行调研、测试、分析，综合新关角隧道环境条件、方案可靠性、维修维护、投资等各方面因素，推荐区间采用ZPW-2000系列无绝缘轨道电路，隧道内进行轨道电路分割方案。

关键词：关角隧道；道床电阻；轨道电路；分割

1项目概述

青藏线西宁至格尔木段增建第二线关角隧道位于海拔3 000～3 500 m的天棚车站与察汉诺车站之间，隧道全长32.645 km，是目前国内最长的铁路隧道。设计为2座平行的单线隧道，线间距为40 m，隧道平面位于直线上，左线、右线隧道的纵向设计坡度基本一致，纵断面为人字坡型。设计行车速度目标值160 km/h；整体道床，双块式无砟轨道。

隧道采用钻爆法施工，施工辅助坑道(斜井)10座。隧道共设计77座联络横通道，平均间隔420 m。隧道与邻站的距离见图1。

图1　关角隧道位置示意(单位：km)

2系统构成及影响系统工作性能因素

目前国内还缺少普速铁路无砟轨道隧道内轨道电路和机车信号安全传输的相关标准。由于各隧道情况不同，隧道的电磁环境、道床因素、温湿度情况、海拔情况等因素均可能直接影响信号系统的轨道电路和机车信号安全传输。同时这些因素也是信号系统方案选型的重点和难点。

随着我国西部铁路建设步伐加快和客货共线铁路建设标准的提高，特长隧道的数量和里程逐渐增加，但现有规范中没有对应普速铁路客货共线标准分路电阻条件下无砟轨道隧道内ZPW-2000轨道电路长度标准。

3既有隧道道床特性测试及轨道电路工作状态分析

3.1已开通类似隧道道床特性测试

为了确定关角隧道信号方案，对国内具有借鉴意义的隧道进行了摸排，先期进行了大量的调查、研究与测试。具体情况如下。

3.1.1大瑶山隧道的调研情况

大瑶山隧道位于京广铁路广东省北部罗家渡至土岭之间，于20世纪90年代初建成通车。是国内轨道参数条件较差的典型工点，道床电阻最不利地段达到0.1 Ω·km。

隧道长约14 km，为非整体道床。在武广电化时进行了改造。部分区段在采用分割ZPW-2000A轨道电路至其所能正常工作的最短距离300 m后仍不能稳定工作后，适当调整轨道区段长度并增加了计轴设备。

3.1.2乌鞘岭隧道的调研测试情况

具有与关角隧道同为整体道床、同为长隧道、气候条件类似(均在北方区域)的特点。

乌鞘岭隧道位于兰新线龙沟站与打柴沟站间(站间距27.9 km)，隧道工作区域高程2 900～3 600 m，于2006年8月开通运营，隧道长约21 km，为双单线隧道。隧道内采用整体道床，轨道板未作绝缘，底座未作绝缘。隧道内无明显漏水、渗水现象。单侧敷设贯通地线、未采取其他接地措施。

隧道外采用ZPW-2000A轨道电路，隧道内采用计轴+环线方案，计轴实现区间空闲、占用检查，环线传输机车信号。自2006年开通运营以来，设备运行稳定。在2012年出现了计轴通道防雷单元烧损的问题，经分析研究是由于回流不畅、隧道内牵引回流无法及时泄流，从而造成钢轨电位过高所致。因隧道内已无法进行大规模改造，通过研究在隧道入口增加辅助接地网后该问题已得到解决。

开通4年后，于2010年8月加载ZPW-2000A轨道电路后对其轨道影响信号系统的性能的钢轨电阻电感和道床漏泄电阻分别进行了测试

经测试在ZPW-2000A所需要的4种载频下，钢轨电阻均在2～3.2 Ω/km；钢轨电感在1.18～1.31 mh/km。道床漏泄电阻大于20 Ω·km。

3.1.3克土隧道的调研测试情况

选择在寒冷冬季(2012年12月)对已开通青藏线西格二线的现场反映工作不稳定的克土隧道内个别区段进行了道床条件的测试。

克土隧道位于青藏线西格二线段海晏站与托勒站间区间，海拔约3300 m，隧道长4.3 km，为双线隧道，铺设有砟轨道。设有ZPW-2000A轨道电路。隧道内漏水不明显，局部地方有翻浆冒泥现象。选择道床条件较差的0879BG进行测试，0879BG归克土中继站控制，区段长度700 m，载频1 700 Hz，控制电缆小于5 km。测试结果见表1。

表1　克土隧道0879BG道床电阻测试

测试结果为道床漏泄电阻大于20 Ω·km。

3.1.4既有关角隧道的调研测试情况

选择与新建关角隧道具有类似海拔、类似气候环境特点的既有关角隧道进行调研与测试。既有关角隧道于20世纪80年代初建成通车，2007年进行电气化改造。既有关角隧道位于海拔约3 700 m的青藏线西格段天棚站与南山口站间，隧道长约4 km。隧道内铺设宽轨枕，为半自动闭塞的区间部分，未设轨道电路。图2为既有关角隧道西进口。

图2　既有关角隧道西进口

既有关角隧道部分区域隧道内壁有渗漏水现象，某些地段道床有严重向上渗水现象及轻微翻浆冒泥现象。

于2013年10月对既有关角隧道渗漏水及翻浆冒泥区域进行了道床电阻测试，测试结果见表2、表3。

既有关角隧道测试结果为道床电阻在0.9～11.5(Ω·km)

3.2既有隧道情况对比及信号系统工作状态分析3.2.1大瑶山隧道情况的分析

大瑶山隧道因建设较早，隧道防水、排水工艺较差，造成道床漏泄电阻最不利地段仅能达到0.1 Ω·km，这些区段采用了轨道电路+计轴的方式，正常情况下，轨道电路单独使用，完成轨道占用检查及机车信号传输；计轴设备保持正常工作状态，但其输出条件不加入信号控制。当遇到特殊情况或环境变化导致轨道电路不能可靠工作时，采用人工倒入方式由轨道电路转为计轴加轨道电路方式。利用计轴设备实现区间轨道区段空闲、占用检查，轨道电路只完成机车信号传输功能，从而保证正常运输作业。

表2　既有关角隧道测试结果(一)

表3　既有关角隧道测试结果(二)

参照《计轴加轨道电路解决自动闭塞“红光带”方案的指导意见》(运基信号[2006]446号)，结合大瑶山隧道实际运用情况，当道床漏泄电阻在0.1 Ω·km时，轨道区段分割至300 m后增加计轴设备方可保证系统可靠工作。

3.2.2乌鞘岭隧道的情况分析

(1)接地情况：因建设较早，当时铁路上普遍采用各专业、各设备分散接地，尚未采用综合接地方式。全线敷设1根25 mm2贯通地线，乌鞘岭隧道贯通地线与信号电缆同沟敷设在预留的信号电缆槽。由于长距离的贯通地线悬浮于隧道中，无法及时泄流，造成钢轨感应电压高，影响设备稳定工作甚至影响作业人员人身安全的后果。

(2)信号系统工作情况：乌鞘岭隧道按6 min运行间隔、四显示自动闭塞制式进行区间信号机布点。隧道外采用ZPW2000A型区间设备，隧道内采用计轴加环线设备。采用北京泰雷兹交通自动化控制系统公司的4套AzL90型计轴主机设备，采用ZP30C型室外计轴设备控制相关信号点。计轴设备实现列车占用检查，环线设备完成机车信号传输。

计轴设备的工作不受道床泄漏电阻变化影响，并且与钢轨表面洁净度和线路条件无关，不受电气化牵引电流干扰，控制范围大，方式灵活。在钢轨表面生锈、污染条件下，仍能可靠安全的检测列车。利用环线传输机车信号时，轨道区段的控制距离将不受道床环境条件的限制。

因隧道内整体道床配筋未做绝缘处理加之未设置综合接地系统，出现了隧道内轨道电位较高，危及人身安全和干扰信号设备的正常工作及行车安全的问题。后经改善接地，目前信号系统工作稳定。

(3)道床电阻测试情况分析：根据测试结果，虽然隧道内底板钢筋未做绝缘处理，经过几年的运行后，道床受到一定的污染，但整体道床的道床电阻远大于目前使用的ZPW-2000轨道电路区间标准分路电阻下最低道床电阻的要求。

3.2.3既有关角隧道

根据既有关角隧道的测试数据分析，结合西格二线(海拔2 000～3 000 m)已开通运营的ZPW-2000系列轨道电路均能稳定工作的情况，可认为高海拔对轨道绝缘、道床漏泄电阻等电气参数影响较小。

4新关角隧道内影响信号系统方案的因素分析

4.1综合接地系统

新关角隧道为亚洲最长的铁路隧道，位于高海拔地区且为电气化铁路，借鉴乌鞘岭隧道运营中出现的问题，参照高速铁路隧道综合接地系统的设计理念及《铁路综合接地和信号设备防雷系统工程设计指南》，新关角隧道内设计采用了综合接地系统。以沿线两侧通信信号电缆槽内敷设的贯通地线为主干，充分利用隧道地段构筑物设施内的接地装置为接地体，形成低阻等电位综合接地平台。

综合接地系统的设置能够大大改善隧道内电磁环境，目前开通的采用综合接地系统的客运专线上的长隧道感应电势均未对信号系统产生影响。

新关角隧道内采用了综合接地系统后，可消除电磁干扰对轨道电路的影响。

4.2轨道结构类型

隧道内全段采用双块式无砟轨道，道床板采用钢筋混凝土结构，这种结构极大地改善了隧道内道床条件，对轨道及道床参数影响最大的钢轨底部翻浆冒泥等现象将基本杜绝。

4.3隧道纵断面设计

隧道线路设计为“人”字坡，道床面设计为1%横坡，每5 m设一泄水孔，排泄道床集水，按运营期正常排水量计算，无道床积水。

4.4隧道防排水

从乌鞘岭隧道的施工至运营10多年情况看，没有明显的渗漏水现象，即隧道内线路条件未对轨道及道床参数产生影响。根据关角隧道的隧道防排水设计及前期建成的隧道效果，不会发生渗漏水现象。

4.5影响轨道电路的相关因素

主要有钢轨内牵引总电流、钢轨不平衡电流、钢轨电阻、钢轨电感、道床电阻、轨间电容、环境空气湿度、钢轨扣件的绝缘等。现就各因素逐一进行归类分析。

(1)钢轨内牵引总电流、钢轨不平衡电流

本线钢轨内牵引总电流与钢轨不平衡电流是ZPW-2000型一体化轨道电路选择匹配变压器、防雷单元和空心线圈类型的主要参数。隧道内外钢轨内牵引总电流与钢轨不平衡电流基本一致，对隧道内方案不产生主要影响，仅对隧道内综合接地方案有一定影响。

(2)钢轨电阻、钢轨电感

这两个因素直接关系到ZPW-2000型一体化轨道电路的传输长度和传输质量。本线采用60 kg/m区间无缝长钢轨，钢轨电阻、钢轨电感隧道内外基本一致，对隧道内方案不产生主要影响。

综上分析，关角隧道无论从隧道防水、排水设计标准，施工工艺还是道床排水设计施工、钢轨扣件的绝缘性能均优于乌鞘岭隧道。根据对乌鞘岭隧道通车后的测试情况及既有关角隧道道床电阻测试情况分析，新关角隧道道床电阻在正常工务养护的情况下应可达到1Ω·km。

5自动闭塞轨道电路方案研究

参照既有隧道轨道电路分析，结合新关角隧道内影响信号系统方案的因素，对以下轨道电路方案从轨道电路的正常工作和机车信号的可靠传输等方面进行比选研究。

方案Ⅰ：ZPW-2000系列轨道电路分割方案

轨道占用检查和机车信号传输方案均由ZPW-2000型一体化轨道电路实现。本方案工作原理单一清晰；对防护的轨道区段能够实现连续检查；ZPW-2000系统在全国各线及西格二线上均有多年成功运营的经验；采用本方案后全线制式一致，车载设备不增加，便于维护维修、备件及管理。

方案Ⅱ：轨道电路分割叠加计轴方案

在方案Ⅰ基础上每段轨道电路增加1套计轴设备。正常情况下，轨道电路单独使用，计轴设备保持正常工作状态，但其输出条件不加入信号控制。当遇到特殊情况或环境变化致使轨道电路不能可靠工作时，由人工导入计轴加轨道电路方式，利用计轴设备实现所在区间轨道区段空闲、占用检查，这些区段轨道电路只完成机车信号传输功能。

此方案既保证正常情况下区间信号系统的稳定工作，也可满足因其他因素导致轨道电路无法实现区间占用检查时区间信号系统的稳定工作。

本方案存在以下不足：隧道内外各区段工作原理不统一，不利于现场人员维护维修及运营操作；大量计轴设备设于隧道内，增加了维修维护工作量及工作难度。若采用方案Ⅰ，线路运营一段时间后，进行增加计轴设备的施工不仅影响线路运营，且本段交通不便、施工空间狭小、施工难度大。

方案Ⅲ：轨道电路分割叠加计轴自动站间闭塞方案

区间隧道内每段闭塞分区分割1次，两邻站隧道侧进站信号机外方分别增加计轴设备。正常情况下，轨道电路单独使用，计轴设备保持正常工作状态，但其输出条件不加入信号控制。当遇到特殊情况或环境变化致使轨道电路不能可靠工作时，由人工转为计轴自动站间闭塞。由计轴设备检查区间空闲，随着办理发车进路自动构成站间闭塞，列车凭出站信号机显示进入发车进路后，出站信号机自动关闭，待列车出清区间后自动解除闭塞。

采用此方案在自动站间闭塞情况下运行时，一方面区间轨道占用检查成为点式方式，另一方面对运输效率产生一定影响。

综合关角隧道环境条件、方案可靠性、维修维护、投资等各方面因素，推荐区间采用ZPW-2000系列无绝缘轨道电路，关角隧道内进行轨道电路分割方案。

类比乌鞘岭隧道、结合既有关角隧道测试及分析论证，可认为关角隧道道床电阻值通常情况下应能满足区间1 Ω·km的要求。在控制电缆不超过10 km、分路电阻0.15 Ω时，ZPW-2000轨道电路在600 m可稳定工作。

按照6 min布点、7 min计算能力，本区间通过布点优化，各闭塞分区长度及根据线路条件区段采用的分割情况见表4。

表4　关角隧道内轨道电路分割情况

注：带#表示在隧道内的信号点

6结语

通过全面的调查研究及现场测试，经过分析比较，设计出安全可靠、经济合理的关角隧道信号方案，为青藏线的安全稳定运营提供保障，同时为现场维修维护及备品备件提供便捷。 此方案得到了运营维护单位及项目审批单位的一致认可。

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Research on Guanjiao Tunnel Signal System

MA Shu-yuan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：In view of the special nature of Guanjiao tunnel on Qinghai-Tibet Xining-Ge’ermu second-line and on the basis of the investigation， test and analysis of the existing long tunnels on some domestic railway lines， this paper recommends ZPW-2000 non-insulation track circuit in the section between stations and track circuit segmentation in the tunnel with respect to environmental conditions of the tunnel， reliability of plan， maintenance and investment.．

Key words：Guanjiao tunnel; Ballast bed resistor; Track circuit; Segmentation

中图分类号：U284.23+8

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.027

文章编号：1004-2954(2015)04-0111-05

作者简介：马书元(1972—)，女，高级工程师，1993年毕业于兰州交通大学，工学学士。

收稿日期：2014-09-06； 修回日期：2014-11-21