铁路电气化改造中既有隧道设计方案研究

贾陈君，周杰

（1.中铁二院北方勘察设计有限责任公司，济南 250012；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430034）

1 工程概况

沈吉铁路修建于1925—1927年，自沈阳北至吉林既有线长度439.842 km，技术设备陈旧落后，沿线曲线多，半径小且连续密集，超限坡地段坡度较大，牵引定数低，通过能力小。全线共有单线隧道共6座1245.2 m，既有隧道大多存在衬砌变形、裂缝、渗漏水等病害，且断面净空不满足电气化所需限界要求[1]。

本文以沈吉线K90+179的西岭隧道作为典型既有隧道进行研究，对电气化改造中既有隧道设计方案进行分析，提出推荐方案。

2 西岭隧道现状

2.1 隧道概况

西岭隧道全长227.7 m，建成于1926年。衬砌采用曲墙式结构，边墙采用混凝土，拱圈厚度30 cm，边墙厚度60 cm，碎石道床，排水设备为左右疏水盲沟。隧道位于丘陵地貌，隧址纵断面地面高程162～182 m，相对高差约为20 m隧道穿越位置为丘间垭口，最大埋深约为17 m。隧址区上覆第四系坡残积层粉质黏土、角砾等，下伏基岩为太古界混合岩、片麻岩、角闪岩。测区地震动峰值加速度为0.05g，地震动加速度反应谱特征周期为0.35 s。

2.2 隧道现状断面

通过现场调查和现场断面测量，隧道轨面以上个别段落净高不满足接触网现状挂网高度要求，实际净空测量结果见表1。

表1 西岭隧道断面测量统计表

2.3 隧道存在病害

2.3.1 衬砌裂损、渗漏水、限界不满足隧限-2A要求

寒冷季节渗漏水处形成冰柱，冬天结冰极易侵限，铁路部门冬季每日对隧道内结冰进行清理。洞内碎石道床的基底翻浆冒泥现象比较严重，寒冷季节道床冻结。限界不满足隧限-2A的要求[2]。

2.3.2 既有隧道衬砌混凝土强度不满足现行规范要求

现场采用回弹法完成了隧道衬砌混凝土强度检测，混凝土强度结果评定如表2。

表2 混凝土强度回弹检测结果

2.4 西岭隧道电气化存在问题

2.4.1 隧道净空不满足电气化挂网要求

根据隧道断面测量资料，既有隧道净空断面较小，未达到《铁路技术管理规程》客货共线铁路建筑限界6 550 mm的要求。为了适应既有隧道低净空的情况，隧道内接触网悬挂采用简单悬挂方式，直线区段隧道最小净空可为6 100 mm，曲线区段隧道最小净空可为6 200 mm。西岭隧道最小净空为5 630 mm，不满足接触悬挂及要求。

2.4.2 锚固基材强度不足

接触网悬挂固定需通过后植化学锚栓安装在隧道壁上，根据现行国家标准JGJ 145—2013《混凝土结构后锚固技术规程》，基材需为钢筋混凝土、预应力混凝土或素混凝土，不得为砌体或轻骨料混凝土、冻融受损混凝土、腐蚀受损混凝土、严重裂损混凝土、不密实混凝土。基材混凝土强度等级应不低于C20，西岭隧道不满足此项要求。

2.4.3 混凝土衬砌强度不满足要求

新建隧道C35混凝土采用回弹法检测强度一般能达到36 MPa，既有隧道混凝土强度等级远远低于此值，仅采用对既有隧道衬砌进行补强完全不能满足TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》及GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》（2015年版）要求。

3 西岭隧道电气化改造方案研究

根据病害调查情况、电气化以及施工天窗时间等问题分析，从技术、经济等多方面比选研究了电气化改造设计方案，以保证隧道的建设、运营阶段的使用安全。主要方案有：（1）利用既有隧道整治设计方案；（2）施工便线下隧道设计方案；（3）既有隧道地段改线方案。

3.1 利用既有隧道整治设计方案

利用既有隧道进行简单整治挂网，对西岭隧道不满足接触网悬挂要求的段落进行局部拆换，以满足接触网悬挂要求。

3.1.1 隧道采用全断面注浆方式进行加固与防治渗漏水

注浆采用φ42 mm小导管，间距0.8 m×0.8 m，范围为隧道衬砌范围外3.5 m。根据现在的运输组织，每天天窗时间为3 h，在施工时合理利用天窗时间进行施工，避免对既有线运营造成不利影响[3]。

3.1.2 既有隧道断面基础上的隧道内接触网悬挂方案

1）代表性断面接触网悬挂方案

本次根据既有隧道现场测量和调查资料，选取隧道典型断面如图1所示，按机车装载高度5 000 mm时的接触网悬挂情况如下。

图1 典型隧道断面接触网悬挂立面示意图（单位：mm）

一是接触网悬挂参数。接触线高度≥5 380 mm；结构高度≥280 mm；最短吊弦≥200 mm；接触网带电体距接地体距离≥300 mm。

二是接触网固定情况。悬挂支撑处底座采用2×M20化学锚栓固定；定位支撑处底座采用2×M20化学锚栓固定；附加导线支撑处底座采用2×M16化学锚栓固定[4]。

2）接触网悬挂方案分析

接触网悬挂装置须采用后植锚栓方式锚固于隧道顶或侧壁，既有隧道内接触网锚固区处基材多为浆砌料石等非钢筋混凝土或素混凝土结构。结合接触网悬挂荷载和振动特性，若采用既有隧道进行接触网悬挂的锚固方案，需要对锚固区基材的可靠性进行充分的论证或采用补强、加固等措施，以确保接触网悬挂的安全、可靠性。

由于既有隧道断面控制，接触网悬挂方案中的参数采用了规范规定的最小困难值，对后期的施工和运营维护要求非常严格。

接触网悬挂均按设置于列车装载高度以上空间内设计，设计中仅考虑列车装载高度、受电弓包络线及绝缘距离等基本要求。

本方案通过对隧道及接触网悬挂方式研究，简易整治方案可以解决既有隧道电气化要求，工程投资较省，但缺点是不能从根本上解决隧道衬砌强度，耐久性要求及施工作业零星等问题。

3.2 施工便线下的隧道设计方案

西岭隧道为浅埋隧道，采用隧道挑顶改造为路堑方案和衬砌加固方案虽然可以满足隧道衬砌强度，耐久性要求，但是需要额外设置1.2 km施工便线工程，无形中增加了工程投资，一般仅在工点较少时的繁忙干线采用较为合理。

3.3 既有隧道地段改线方案

根据既有西岭隧道地形及控制点情况，进行改线方案研究（见图2）。线路改建长度2.419 km，新建新西岭隧道1座，长度890 m，改建工程估算投资约8 354万元。

图2 西岭隧道改建方案示意图

改线方案能够一劳永逸地解决既有隧道的病害、衬砌强度、耐久性及电气化限界等问题，但投资最高，此方案应在比选其他方案后使用。

3.4 既有隧道电气化改造推荐方案

鉴于利用既有隧道整治设计方案具有投资较低，能够近远结合、较好地预留远期二线条件等优点，虽隧道施工期间存在一定风险、组织困难，在做好风险管控和施工组织等管理工作下，推荐采用利用既有隧道电气化改造方案。

4 结语

西岭隧道是东北地区既有铁路隧道的典型代表，年代久远，埋深浅，长度短，通过对其改造方案的分析研究，可以得出以下结论。

1）既有隧道电气化改造方案，必须以在保证施工、运营安全的前提下充分利用既有隧道的原则进行设计，改造方案应进行多方案的技术经济比选后确定。

2）项目勘测阶段应收集既有隧道资料、大修及病害整治等过程资料，通过现场勘察、量测、强度检测及衬砌缺陷检测等手段收集完整隧道信息，对现状存在问题进行梳理，评估隧道现状。

3）在充分了解隧道现状基础上，综合考虑施工过渡方案、施工风险、运营安全、改造方案效果等因素，确定隧道改建设计方案。

4）对于净空可以满足挂网要求的隧道，应尽量采用利旧设计方案。对电气化挂网有影响的隧道，严格制订设计、施工方案，对衬砌结构和电气化挂网等进行整治处理，保留部分缺陷在运营期间加强观测，结合日常检修处理，降低工程投资。