复杂艰险山区电气化铁路接触网关键技术问题及应对措施

杨 佳

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

随着我国中西部地区建设的飞速发展，大量山区电气化铁路如贵广、云桂、川藏、滇藏、成兰铁路等已开通运营或将陆续建成。这些铁路途径高山深谷，人迹罕至，多次穿越地震断裂带，跨越大江大河。沿线接触网工程将面临高海拔、长大坡道、特长隧道(群)、大峡谷、高地震烈度、高地热、大温差、重覆冰以及强日照等复杂艰险的严酷环境，对于无备用的接触网设计、建设、应急抢修和运营维护等工作来说异常困难。

2 复杂艰险环境

基于电气化铁路接触网系统的服役特性，总结、分析复杂艰险山区各种地形、地质及气候环境特征，可将影响山区电气化铁路接触网系统的复杂艰险环境归纳为3大特征：复杂的地形地貌、频发的地质灾害和极端的气候环境[1]，统计后主要环境特征见表1。

3 关键技术问题及应对措施

3.1 高海拔

随着海拔增加，大气密度降低、紫外线增强，沿线以及隧道内还伴随着高湿度、高地热等环境，主要影响接触网电气性能，具体应对措施见表2。

表1 复杂艰险山区工程环境特征

表2 高海拔环境关键技术问题及应对措施

3.2 长大坡道

连续超长大坡道主要影响接触网电分相设置、悬挂参数及列车启动、制动等，具体应对措施见表3。

表3 长大坡道环境关键技术问题及应对措施

3.3 特长隧道(群)

特长隧道(群)数量较多时，列车频繁进出隧道、隧道施工工法及隧道内(口)处微气候环境等均影响接触网系统设计，具体应对措施见表4。

3.4 大峡谷

山高谷深易导致峡谷风盛行，复杂的地形地貌对风速影响极大，峡谷风的加速、越山风的紊流及山体斜坡风爬坡效应比较明显，风向、风速时空差异较大，相应的峡谷风荷载对接触网系统影响较大，具体应对措施如下。

(1)峡谷风荷载方面：考虑峡谷风特征和风场效应，合理选取风荷载设计参数[6]；基于风-桥-柱-网-弓动态耦合作用，结合列车风雨限速规则，考虑接触网正常(列车运行)和非正常(列车停运)工作状态。

(2)供电馈线方面：优化供电方案、所亭位置以及供电线路径，尽量避开复杂的峡谷地形；采取输电大铁塔方案，采取可靠性高、载流量大的导线，增大档距、减少塔基。

表4 超长隧道(群)环境下接触网关键技术问题及应对措施

3.5 高地震烈度

复杂艰险山区铁路沿线多发生错断、震坏和地震次生灾害，地震动峰值加速度甚至大于0.4g，接触网工程应充分考虑抗震以及减震、隔震设计，具体应对措施主要如下。

(1)合理选取地震设计波形，考虑强震环境下“基础+支柱+腕臂定位+导线+坠砣”共同耦合作用。

(2)满足“大震不倒、中震可修、小震不坏”设防目标，差异化设计接触网服役功能需求。

(3)支柱宜选用抗震性能好、易于抢修的法兰连接形轻型钢管柱，支柱的自振周期应避免与桥梁土建结构等自振周期接近[7]。

(4)接触网系统设计参数应考虑抗震系数修正，包括钢结构件的承载力、地基抗震承载力以及锚栓有效锚固深度等[8]。

3.6 极寒、频繁大温差

复杂艰险山区特别是高海拔地区空气稀薄，太阳辐射强，日照长，形成日温差大且频繁，阴坡与阳坡温差大等特点。接触网系统面临的关键技术问题主要包括极端温度、频繁大温差环境下接触悬挂参数设计，材料、零部件选型及加工工艺等，具体应对措施如下。

(1)悬挂参数方面：充分考虑温度变化引起的线索长度、弛度变化，应适当缩短跨(档)距、锚段(耐张段)长度，加大线索或装备间距离；考虑昼夜温差、天气急剧变化引起的大温差且温度变化频繁等特点，考虑接触网系统的张力偏差以及补偿装置的工作行程、往返频次等影响。

(2)材料及装备方面：优先选用铝合金、铜合金及不锈钢等有色金属或耐候钢[9]；合理选择钢结构材质等级，避免选用Q235A、Q235B.F[10]，优选模锻件；合理进行热处理，严格控制构件金相和焊缝低温等性能，提高产品质量；考虑温差大、温度变化频繁等特点，选取高可靠性、耐疲劳的接触悬挂及补偿装置。

3.7 冻土

复杂艰险山区铁路沿线伴有季节性冻土，不同深度的冻土直接影响接触网支柱基础及接地设计，具体应对措施如下。

(1)支柱基础：优先采取与土建同步施工预留方案，降低后期基础施工难度以及对路基防护的破坏程度；采用受冻胀及融沉影响小的机械钻孔桩基础，桩基穿透土壤冻结深度；采用高等级、防水、抗冻胀及耐寒混凝土，在基础周围涂抹防冻剂；基础设计考虑冻胀切向力和融沉承载力，适当加大基础埋深，合理优化基础外形结构[11]。

(2)接地方案：接地线采用韧性较好的柔软绞线，避免设置在冻土层中避免在冻土解冻时断裂、破坏；充分考虑冻土解冻前后引起的土壤电阻率的变化，准确进行接地电阻值的校核[12]。

3.8 重覆冰

覆冰对接触网系统的影响主要包括：接触网系统本身结冰、融冰前后的自身影响；沿线接触网附近物体结冰时、融冰后对接触网系统的外部影响，具体应对措施见表5。

表5 重覆冰环境关键技术问题及应对措施

3.9 强雷电

隧道外接触网多裸露在空旷地带，高于周边地形或位于高山峡谷地段，接触网防雷设计主要面临的问题在于艰险无人区雷电环境资料的获取，以及复杂多变线路的差异化防雷等，具体应对措施如下。

(1)收集沿线雷暴日、地闪密度等相关资料，有效开展差异化防雷设计。

(2)结合“V”形峡谷等特殊地形地貌，科学进行接触网防雷设计[16]。

(3)优化隧道群间接触导线、回流导线、架空地线、避雷线以及供电线等多种导线合架时布置方案。

3.10 施工及运营维护

复杂艰险山区电气化铁路沿线气候环境极其恶劣，氧气稀薄、生活和交通极其不便，接触网施工及运营维护困难，面临极其严峻的考验，应充分考虑施工和运营维护的方便、快捷和可靠性，具体应对措施如下。

3.10.1 施工方面

(1)系统化：结合沿线地理环境、生产生活设施，科学合理编制施工组织方案，研究各种复杂、恶劣工况下的施工方案及工法工艺。

(2)一体化：基础优先采取与土建同步预留施工；采用精细化的预配工艺，进行工厂化预装、集成，减少现场二次组装或返工。

(3)轻型化：支柱等构件宜考虑轻型、便于运输；装备宜考虑质量轻、易于搬运和安装。

(4)机械化、智能化、信息化[17]：采用机械钻孔或打桩基础；采用GIS、BIM等信息化手段[18]；采用数字化、智能化的接触网测量、打孔、装配以及放线等先进装备。

3.10.2 运营维护方面

(1)结合高海拔、无人区等特点，合理规划抢修、运营、检测、维修等运营维护体系，提高应急抢修救援策略。

(2)结合地形地貌、站区分布、生活条件等，合理设置运营维护机构和车辆、设备。

(3)结合高海拔低温、低压、缺氧、交通极不便、长大坡道以及隧道等恶劣条件，配备制氧、医疗等生活设施[19]，配置快捷、智能化的高性能作业车辆、工机具。

(4)设置6C、PHM及监测预警系统等接触网智能运维系统[20]。

4 结语

复杂艰险山区电气化铁路接触网工程面临着多项技术难题，基于接触网服役性能，通过总结和分析其面临的关键技术及薄弱点，研究并提出应对措施，为复杂艰险山区电气化铁路接触网设计、施工和运营维护提供系统的理论指导和技术保障。同时，为了全面实现复杂艰险山区电气化铁路接触网可适应性、高可靠性、长耐久性、少维修或免维护的目标，下一步还亟待开展系列研究工作，至少包括以下3个方面。

(1)加强对复杂艰险环境的勘测调查和收集整理，逐步建立和完善接触网服役环境数据；充分研究影响接触网服役的环境对象，掌握风、雨、冰、雪等特性及影响机理，准确量化指标，合理确定设计和运营边界条件。

(2)基于土建结构全方位研究接触网在各种环境作用下或多环境共同作用下的工作机理和服役特性，系统化、差异化开展设计。

(3)深入研究机械化、智能化、信息化施工和运营维护，建立防灾减灾、应急恢复体制，构建适用于复杂艰险环境下的接触网成套技术体系，全方位保障复杂艰险山区电气化铁路的安全、可靠、稳定运行。