巴基斯坦拉合尔橙线轨道交通项目高架区间防雷接地设计

巴基斯坦拉合尔橙线轨道项目作为巴基斯坦国内开工建设的首个城市轨道交通项目，是“中巴经济走廊”早期收获和示范性项目，其成功实营不仅将对中巴两国具有重要意义，也将对“一带一路”和“中巴经济走廊”的其它项目起到示范性作用。根据合同文件规定，本项目车辆、轨道及各机电系统由中方负责完成，采用中国技术标准和设备，桥梁、路基及房建结构由巴方负责完成，采用欧美标准。

1 工程概况

本项目全线长约25.58km，其中地下线1.290km，地下线路与高架线路过渡段0.722km，高架线路23.568km，全线桥梁长度约21.979km，占全线长度80.8%；沿线设24座高架车站、2座地下车站及2座132/33kV主变电站，线路北端设车辆段1座，线路南端设停车场1座，设有控制中心和安全中心1座，位于车辆段。

2 桥梁设计方案[1]

高架区间梁、墩、承台及桩基设计。本项目标准区间采用单线U型梁结构形式，道岔梁采用双线U型梁结构形式，典型单线U型梁结构形式如图1。选择30m 梁为标准跨度梁，选择20m、25m跨度梁为配跨梁，个别跨公路或铁路的控制工点采用非标准跨布置或其他大跨度桥梁；桥梁整体高度达到15m。高架区间桥墩采用圆柱形独柱墩；桥墩结构由预应力混凝土顶帽和钢筋混凝土墩身组成，顶帽预制施工，墩身现场浇筑，顶帽与墩身采用拼装连接；桥墩基础采用钻孔灌注桩，钻孔桩桩长范围在28～48m 之间；承台基础规格为11.8m(长)×7m(宽)×1.85m（厚），承台顶部距地面0.5m。

图1 单线U型梁结构形式

高架区间附属设施。高架区间附属设施有整体道床、疏散平台、疏散平台金属护栏、通信信号等弱电电缆槽、通信信号天线、强电电缆支架、接触轨、接触轨保护罩及其避雷器等。

3 高架区间防雷接地设计[2-7]

3.1 防雷接地设计标准及需求

本项目线路走向主要沿着市政主干道，沿线路两侧比桥梁高的建筑不是太多，部分区段穿越空旷地带，有些区间两侧还有地方电力公司的架空线路。因此，为了保证高架区间机电设备正常工作、桥梁附属设施及区间维修人员的安全，需要设置可靠的防雷接地系统。本项目高架区间及其构筑物按照第二类防雷标准设计。

高架区间防雷接地的主要需求有疏散平台金属护栏、安装于中间检修平台的通信信号天线（间隔300m）、接触轨保护罩和避雷器（间隔300m）、强电电缆支架等。除了通信信号天线和疏散平台金属栏杆高出疏散平台外，其余附属设施均安装于U梁表面或侧壁，其中通信信号天线自带避雷针，只需预留雷电流泄放通道即可，其余附属设施提供接地引下通道即可。因此，区间防雷部分主要考虑凸出疏散平台的金属栏杆及桥梁疏散平台表面；对于高架区间的轻轨车辆而言，可以看做是一个法拉第笼，可以保护车内乘客的安全，没有雷击风险。本项目中整体浇筑的大跨区段、车站出入断线道岔区桥墩和梁体较少，考虑到巴方土建施工预留的难度及施工水平，该部分在选择区间防雷接地引下时有效避开，其余标准桥墩和U型梁体均选择作为高架区间防雷接地引下通道。

图2 典型高架区间防雷接地系统示意图

3.2 接闪器

本项目高架区间采用双U梁方案，疏散平台设置在外侧，疏散平台外侧设有1.2m 高的金属栏杆，利用金属栏杆作为接闪器，金属栏杆在区间伸缩缝或有断开的位置采用热镀锌扁钢连接以保证电气连通；因高架区间U梁表面预埋了杂散电流端子，为防止杂散电流通过防雷引下线导入大地从而对桥墩内钢筋造成腐蚀，对土建提出金属栏杆底部固定件与U梁平台采用绝缘处理的要求。每隔30m 分别用热镀锌扁钢将作为接闪器的金属栏杆与U梁预埋接地端子可靠连接，以保障因接闪带过长易引起高电位反击的问题。

3.3 防雷引下线

U梁防雷引下棒预埋。本项目中区间杂散电流通过轨道道床和U梁表面内钢筋电气通路回收至车站轨电位设备，为防止轨道杂散电流沿防雷引下通路导入大地，造成对桥墩基础钢筋的腐蚀，防雷接地引下线需与U梁表面内钢筋完全绝缘。考虑到U梁为巴方土建整体预制，且架梁时无法保证按顺序进行，因此每片U梁端头均预埋防雷引下棒，具体埋设方案为在每片U梁内靠近端头30cm（避开梁面吊装孔）位置处分别预埋2处不同长度规格的防雷引下棒，一处预埋于弱电电缆槽内，一处预埋于U梁内侧斜坡位置，分别用于弱电接地和强电接地；防雷引下棒采用不锈钢材质，并在外层套一根硬质PVC管，以保证与U梁内结构钢筋绝缘；防雷引下棒两端预留螺母和螺丝，以便于后期防雷引下时采用电缆或镀锌扁钢连接。

图3 U梁防雷引下棒预埋（左侧为杂散电流端子）

图4 U梁与盖梁防雷引下线电缆软连接

引下线连接电缆。全线除大跨度的位置梁体采用整体浇筑外，其余部分U梁均采用预制，U梁与盖梁之间通过桥梁支座固定，无法实现U梁内预埋接地棒与盖梁顶部预留防雷引下线端子直接连接，本项目中采用易于现场施工的软电缆连接方案，从而实现了U梁内预留接地引下端子与桥墩内用于防雷引下钢筋之间的电气连通。

墩台引下线。本项目中盖梁亦采用预制方案，预制时在盖梁中心位置预留28个圆孔，作为桥墩内预埋的用于固定盖梁的钢筋组（28根），选择该钢筋组内的其中4根作为防雷引下线；由于固定盖梁的钢筋组是埋在桥墩中心位置，与桥墩一周的钢筋之间无电气连通条件，与巴方土建配合阶段提出固定盖梁钢筋组内与桥墩周边内用于防雷引下的两根直径不小于16mm 钢筋进行可靠焊接，从而确保桥墩内防雷引下线的贯通性。

3.4 接地极

分别选择桥墩承台和桩基内的2根直径不小于16mm的主钢筋作为自然接地体，两者之间可靠焊接，并与桥墩内用于防雷引下的2根直径不小于16mm的主钢筋可靠焊接，从而确保高架区间防雷接地系统的电气连通性和有效性。要求每个桥墩的接地电阻值不大于10欧姆，并在桥墩基础距地面标高0.5m 处设接地电阻监测点。

4 高架区间防雷接地计算

4.1 防雷保护范围计算

将高架区间用作接闪器的疏散平台金属护栏等效为通长的两根等高接闪线，采用滚球法计算防雷保护范围。根据《防雷接地设计规范》（GB50027-2010）附录D.0.5和D.0.6相关计算公式进行计算。计算选择参数：接闪线高度h=16.2m，第二类防雷标准滚球半径hr=16.2m，被保护物的高度hx=15m，接闪线间距D=12m。

图5 承台和桩基接地钢筋焊接

疏散平台表面两根接闪线外侧保护范围按照单根接闪线计算方法进行计算，接闪线在hx高度xx'平面的保护宽度bx计算结果为：由结算结果可知，每侧U梁疏散平台利用金属护栏作为接闪器，U梁靠近外侧部分处在接闪器保护范围之内。

疏散平台表面两根接闪线之间的保护范围最低点的高度计算结果为：

由结算结果可知，两根接闪线之间保护范围最低点为0.8米，利用疏散平台金属护栏作为接闪器可以保护U梁表面0.8m 高度之内的设施。

4.2 接地电阻计算

4.2.1 土壤电阻率的折算

计算雷电保护接地装置所采用的土壤电阻率按照公式ρ=ρ0×φ 计算，式中ρ0为实际测试的土壤电阻率；φ为土壤干燥时的季节系数。根据巴方地质提供的土壤电阻率资料，全线桥墩承台埋深2.5m的实测土壤电阻在25～35Ω·m 之间，计算时ρ0=30(Ω·m)按取值。测试土壤电阻率时土壤比较潮湿，季节系数按照表《工业与民用配电手册》（第四版）表14.6-15的较大值考虑，即φ=1.1，折算后计算用土壤电阻率为：ρ=30×1.1=33(Ω·m)。

4.2.2 接地电阻值计算

根据《工业与民用配电手册》（第四版）表14.6-2所示，不考虑多层土壤电阻率的影响，用简易估算法对高架区间利用桥墩承台和桩基内结构钢筋作为自然接地体时的接地电阻进行计算。

式中V为桥墩承台和桩基基础所包围的体积总和，其中桩基深度按照30m 考虑，每个桥墩承台对应6根桩基基础。

4.3 接地电阻测试结果

工程实施完成后在预留接地电阻测试点对用作防雷接地的高架区间桥墩进行了接地电阻测试，选择不同高架区间部分测试结果见表1。表中结果表明，实测接地电阻值小于通过简易估算法得出的计算结果，主要原因在于多层土壤电阻率和混凝土基础所包围体积的影响，估算结果可作为一个设计参考依据。实测结果表明，利用桥墩承台和桩基内的结构钢筋作为自然接地极，接地电阻值远远小于设计所要求的10欧姆，具有良好的接地效果。

5 结语

巴基斯坦拉合尔橙线轨道交通项目全线桥梁长度约21.979km，占全线长度80.8%；线路走向主要沿着市政主干道，沿线路两侧比桥梁高的建筑不是太多，部分区段穿越空旷地带，有些区间两侧还有地方电力公司的架空线路，易受雷击，同时桥梁表面附属设施众多。因此，为了保证高架区间机电设备正常工作、桥梁附属设施及区间维修人员的安全，设置安全可靠的防雷接地系统是非常有必要的。

表1 接地电阻测试表