低净空盾构隧道内接触网悬挂方案研究

惠蓬勃

（华设设计集团股份有限公司甘肃分公司，甘肃 兰州 730030）

0 引言

在城市轨道交通持续发展的形势下，很多城市的轨道交通建设已经从城区向郊区延伸，并且开始与周边城市建设城际铁路连接。受到施工现场地形地势、土地资源应用现状等因素的影响，部分城市的城际铁路线路以地下隧道为主，低净空盾构隧道便是城际铁路工程经常应用的一种隧道模式。低净空盾构隧道内接触网悬挂方案选择需要从运行维护、安装施工、经济性、适用性、工程情况、技术成熟度等方面出发，确保城际铁路的施工质量。

1 低净空盾构隧道内接触网悬挂方式

1.1 刚性悬挂方式

刚性悬挂方式结构简单，刚性悬挂点弹性良好，安装施工、运行维护方便快捷，无须针对补偿装置进行局部开挖，对安装位置的尺寸要求较低，能够确保电气设备安全距离的余量充足。

1.2 柔性悬挂方式

低净空盾构隧道内接触网柔性悬挂方式分为弓形腕臂悬挂、三角腕臂悬挂两种。弓形腕臂悬挂方式如图1所示，结构受力稳定性较差，结构简单，安装方便快捷，中间柱悬挂能够应用正定位、反定位两种安装形式，绝缘关节需要沿着线路两侧相对布置，调节范围较小，对于接触网和土建工程施工质量要求较高。三角腕臂悬挂方式如图2所示，结构受力稳定性良好，只能应用反定位安装形式，高度调节难度较大，股道悬挂结构需要沿着线路两侧相对布置[1]。

2 低净空盾构隧道内接触网悬挂方案设计

2.1 工程概况

某城际铁路共有5座隧道，均为单线隧道，全长2600m，占线路全长的8.21%，建筑限界为“隧限-1A”，属于低净空隧道，允许超级超限货物列车运行。

某城际铁路低净空盾构隧道现存问题为：隧道净空无法满足超级超限货物列车运行的需求。针对此类问题，常见的解决方式如下：其一，拆除原有隧道衬砌，建立新衬砌，确保接触网悬挂能够满足隧道净空需求。此方式的造价较高、施工周期较长、工程量较大。其二，降低隧道内接触网的悬挂高度。此方式会降低铁路线路的运输能力，并且无法全面满足超级超限货物列车的运行需求。可见上述两种解决方式均存在弊端，为此，选择接触网悬挂方式，开展某城际铁路低净空盾构隧道改造工程。

2.2 设计原则

2.2.1 确定低净空盾构隧道内接触网悬挂高度。具体计算公式为：

式（1）中：Hjx表示接触网悬挂高度；Y表示最大货物允许装载高度，现取超级超限货物列车允许装载高度5.3m；D表示带电体与装载货物、机车车辆的距离，现取0.385m；δ1表示施工误差及抬落道，现不考虑；f表示接触网弛度，现取0.015m。将上述数值代入式（1），最终得到接触网悬挂高度为5.7m。

2.2.2 关于受电弓动态包络线，按照运行时速小于120km/h时，左右摆动量为0.2m，上下晃动量为0.1m进行设计[2]。

2.3 数据分析

某城际铁路自建成后尚未经历过较大规模的改造，现存在隧道出现拱顶偏斜、塌陷等病害，导致隧道断面不统一，可见低净空盾构隧道改造工程需要谨慎选择接触网悬挂方式。

现选择每25m设置一个监测点，共设置了104个监测点，采集某城际铁路5座隧道断面数据，并对采集到的数据进行统计和分析，最终计算得到隧道净空高度基本情况，如图3所示。

根据隧道断面数据和道净空高度，绘制隧道拱顶拟合曲线，以此来模拟各个隧道的拱顶情况[3]。

分析5座隧道拱顶拟合曲线，可以发现某城际铁路隧道净空高度基本在6.35～6.55m之间，适合选择弓形腕臂悬挂方式为主、其他悬挂方式为辅的接触网悬挂方案，或刚性悬挂方式。

3 低净空盾构隧道内接触网悬挂方案对比

为了进一步验证低净空盾构隧道内接触网悬挂方案设计的合理性和科学性，以及弓形腕臂悬挂方式是否适合某城际铁路低净空盾构隧道改造工程，现对柔性悬挂方式、刚性悬挂方式进行进一步对比分析，并最终确定改造工程接触网悬挂方案。结合改造工程概况及实际改造需求，分析和对比弓形腕臂悬挂、弓形支撑悬挂、架空刚性悬挂三种悬挂方式。不选择三角腕臂悬挂方式，是因为此悬挂结构过于复杂，尽管拥有良好的受流稳定性，但是受到技术因素的限制，很多施工单位无法满足三角腕臂悬挂施工技术的要求。

3.1 柔性悬挂方式

相比较既往接触网悬挂方式，弓形腕臂悬挂方式缩短了接触网与承力索在悬挂点的距离，减小了结构尺寸，使结构更简单、轻便，有利于满足低净空隧道接触网悬挂需求[4]。考虑到某城际铁路实际运行情况，如果选择应用弓形腕臂悬挂方式，隧道净空需要达到6.35m，才能够满足超级超限货物列车运行需求，而某隧道的最低净空仅为6.25m，可见改造工程不适合选择弓形腕臂悬挂方式。

现对国内外其他柔性悬挂方式进行分析对比，决定选择弓形支撑悬挂方式。此悬挂结构的简单及轻便程度低于弓形腕臂结构，弓形支撑悬挂结构由线夹、金属底座、弓形臂、绝缘子构成，金属底座固定在隧道壁上，弓形臂一端与金属底座相连，弓形臂另一端与绝缘子一端相连，绝缘子另一端与线夹相连。弓形支撑悬挂结构活动范围在垂直框架上0.12m至下0.08m之间，需要根据此数据，结合上文隧道内接触网悬挂高度计算结果，进一步调整具体接触网悬挂高度。弓形支撑悬挂结构通过水平连接板、垂直框架、固定板不同孔位的组合连接确保轴销垂直程度，从而实现灵活转动，综合隧道净空高度变化，不同孔位的组合连接使得金属底座能够在0.25～0.33m之间进行调整，并且各个构成部分均不存在超出设计限值的情况。在弓形支撑悬挂结构中，绝缘子为主要受力部分，需要同时承受自身重量、悬挂在其上的接触导线的重量、列车通过时受电弓对导线的作用力。绝缘子对于电气性能、抗弯强度、绝缘性能的要求较高，适合选择增强玻璃纤维树脂棒为芯棒，以硅橡胶为伞裙材料。总体来讲，弓形支撑悬挂方式能够实现对隧道现有净空的最大化应用，弹性较为均匀，受流较为稳定，并且全部零部件已经实现了国产化，能够节约成本[5]。但是弓形支撑悬挂结构的构成零部件较多，应用张力架设形式，存在断线、受力零部件变形等风险。

因此，针对某城际铁路低净空盾构隧道改造工程，现设计如下接触网悬挂方案：针对净空在6.35m以上的隧道，选择应用弓形腕臂悬挂方式。针对净空在6.35m以下的隧道，选择应用弓形支撑悬挂方式。

3.2 刚性悬挂方式

刚性悬挂方式从20世纪80年代开始逐渐被应用在地铁长、大隧道接触网悬挂中，并且随着列车运行时速的提高做出了针对性改善[6]。刚性悬挂方式适合应用在净空较低的隧道接触网悬挂中，能够起到缩小悬挂空间、减少施工成本等作用，并且悬挂系统的构成零部件较少，后续维护成本较低，具备显著的社会效益和经济效益。

架空刚性悬挂结构由1根接触线、1根“П”形铝合金汇流排构成，一般为水平悬挂结构或垂直悬挂结构，因此对于隧道净空的要求较低。并且铝合金汇流排的载流截面较大，与柔性悬挂结构相比，能够进一步缩小悬挂结构的尺寸，实现了对隧道净空的有效应用，并且不存在断线风险。架空刚性悬挂结构应用无张力架设形式，悬挂点之间的距离一般为6～10m，锚段长度需要在250m之内[7]。架空刚性悬挂方式弓网匹配性跟随性良好，对受电弓的要求较低，相应的仿真设计技术较为成熟。

相比较弓形支撑悬挂结构，架空刚性悬挂结构所需要的安装空间更小，对于隧道净空的最低要求为3m，极端情况下只需要2.3m。并且应用架空刚性悬挂方式，不需要对隧道进行挑顶，因此不会对已经完成的土建工程造成过多破坏和影响。

3.3 确定悬挂方案

可见，柔性悬挂方式、刚性悬挂方式两种悬挂方式均能够满足低净空盾构隧道内接触网悬挂需求，标准偏差、平均接触力等动态性能指标均能够满足设定标准，并且受流质量较好。两种悬挂方式的相关技术手段及应用设施已经较为成熟，在我国城际轨道及干线铁路中均有应用，有各自的技术应用优势，能够满足车辆电力需求，从而满足铁路运行需求。

上述两种悬挂方案均能够满足某城际铁路低净空盾构隧道改造工程改造需求。从技术层面来讲，刚性悬挂方式的技术水平更高。因此，从经济角度对比上述两种悬挂方案，从而确定最终的两种悬挂方案。

柔性悬挂方案需要对隧道进行局部挑顶，会导致一定的后续土建工程修复成本；全部零部件已经实现了国产化，能够节省零部件购买成本；日常维护工作量较大，后续维护成本较高；接触网下锚、地下车站渡线较多，占用空间较大，需要设置专门的下锚安装空间，因此会增加土建施工成本；施工工程量及后续调整工程量较大，但只需要加大施工人员投入即可，会增加人力资源成本，但是不会出现大幅度增加的情况。综合计算，低净空盾构隧道内接触网柔性悬挂方案施工成本为45万元/km。

刚性悬挂方案不需要对隧道进行挑顶，不会导致后续土建工程修复成本；基本零部件已经实现了国产化，需要的零部件购买成本相对较低；日常维护工作量较少，后续维护成本较低；不需要设置专门的下锚安装空间，不会增加土建施工成本；对于施工精确程度及误差控制准确程度的要求较高，需要聘请专业的技术人员完成施工作业，会增加人力资源成本。综合计算，低净空盾构隧道内接触网刚性悬挂方案施工成本为170万元/km。

通过上述分析，仅从低净空盾构隧道内接触网刚性悬挂施工工程角度，可以发现刚性悬挂方案施工成本要远远高于柔性悬挂方案，约为柔性悬挂方案的3.8倍。尽管柔性悬挂方案在后续还可能导致其他的土建工程成本，但是总体来讲，还是柔性悬挂方案的施工成本更少。

结合某城际铁路低净空盾构隧道改造工程的实际情况，最终选择应用弓形腕臂悬挂方式为主、弓形腕臂悬挂方式为辅的接触网悬挂方案，不但能确保悬挂结构的稳定程度、悬挂技术的成熟程度，还能尽量减少施工成本。需要注意的是，为了避免隧道净空对接触网悬挂施工造成影响，需要测量好隧道净空、弓形腕臂悬挂结构高度、弓形腕臂悬挂结构高度，避免出现隧道净空不能满足接触网悬挂需求的情况，否则会导致更多施工问题及施工成本。可见具体低净空盾构隧道内接触网悬挂方案选择需要同时结合技术和经济因素。

4 结语

综上，阐述了柔性悬挂方式、刚性悬挂方式，以某城际铁路低净空盾构隧道改造工程为例，论证和对比了不同低净空盾构隧道内接触网悬挂方案，最终确定了弓形腕臂悬挂方案。经证实，改造工程目前运行状况良好，可见悬挂方案选择有效解决了低净空盾构隧道内接触网悬挂需求问题，并且将施工对于既有隧道的运行影响降到了最低，能够为同类型工程进行及同类型问题解决提供有效参考思路。