地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道方案研究

2024-03-20吴旭东

运输经理世界 2024年2期

吴旭东

（北京地铁供电分公司，北京 100000）

0 引言

地铁是指城市中修建的轨道交通，其具有运量大、耗能低等优点，不仅可以满足民众的出行需求，还能缓解地面交通压力。但是受技术、成本等因素影响，地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道安装时极易出现弯曲、扭曲等一系列问题，会降低地铁运行的安全性。对此，地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道施工时，应从多种角度出发，选择最优安装方案，并做好刚性悬挂接触网受力分析、预埋槽道受力数值计算方式等工作，保障预埋槽道施工质量达到设计要求，从而进一步提升接触网供电的安全性、可靠性。

1 预埋槽道技术概述

预埋槽道技术是指在隧道壁内预埋槽道的安装技术，一般用于地铁隧道接触网施工，不仅可以减少机电安装对土建结构造成的破坏，还能提高土建结构的耐久性。另外，预埋槽道施工技术的应用，还可以降低接触网施工难度、缩短机电安装时间，为后续施工提供便利[1]。

2 地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道安装方案

全面了解国内地铁工程接触网预埋槽道情况，并据此制订地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道安装方案，从而更好地满足地铁运行需求。现阶段国内地铁工程中，在内径＜5500mm 的盾构隧道中预埋槽道时，一般需要在每个环管片上预埋全环单槽道；在内径≥5500mm 的地铁盾构隧道中预埋槽钢时，主要采用通缝管片（大部分情况下），仅需在轨道上方封顶位置预埋双槽道。对此，制订地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道安装方案时，可以参考上述工程经验。实际安装预埋双槽道时，如果发现通缝管片无法满足盾构机运行需求，必须将通缝管片更改为错缝管片，并按照要求旋转错缝拼装。

在某地铁工程中，通过综合考虑多种因素，最终制订三种安装方案，分别为利用相邻槽道预埋槽道支架安装方案（方案一）、预埋双槽道安装方案（方案二）、利用相邻槽道加斜撑安装方案（方案三）。

2.1 利用相邻槽道预埋槽道支架安装方案

该方案是指利用相邻槽道安装支架，在此基础上预埋槽道。具体施工过程中，为充分发挥相邻管片（两个）的优势，应严格按照要求预埋单槽道（见图1），以保障槽道预埋施工质量达到设计要求。此外，该方案可充分利用两排单槽道的优势，安装完成的槽道抗弯能力更强、稳定性更好，可以根据需求调节单槽道跨距（单槽道安装方式与锚段关节安装方式相同），以便有效提升接触网供电的稳定性。然而，采用这一安装方案预埋的槽道结构较为复杂、美观性较差且需要全线大范围跨管片安装，导致投入成本较高。另外，预埋槽道投入使用之后，一旦管道出现沉降、错位等问题，接触网吊架结构的稳定性也会受到影响，不仅会降低接触网系统运行的安全性、稳定性，甚至会对地铁正常运行造成不利影响，故不建议采用这一安装方案。

图1 利用相邻槽道预埋槽道支架安装方案示例图

2.2 预埋双槽道安装方案

该方案采用通缝管片，要求在轨道上方封顶位置预埋双槽道（见图2）。与方案一相比，预埋双槽道结构的稳定性更高、抗弯性更好，更符合地铁工程施工要求。此外，预埋双槽钢结构的美观性更好，结构相对简单，可以有效降低后期运营、检修工作的难度[2]。

图2 预埋双槽道示例图

然而，如果将该方案中的通缝管片改为错缝管片，按照错缝旋转拼装方式施工，则需要将预埋双槽道更改为全环预埋双槽道，不仅会提升预埋槽道施工难度，还会提升槽道预埋施工成本。因此，在必须使用错缝管片预埋槽道的情况下，可以结合拟建场地的实际情况调整上述施工方案，即在优化管片施工工艺的基础上，间隔（7 环）预埋双槽道。相较于原预埋槽道安装方案，优化后的安装方案不仅可以降低槽道预埋施工难度，还能节约槽道投资，能够更好地满足地铁工程施工要求。

2.3 利用相邻槽道加斜撑安装方案

该方案是指利用相邻管片（两片）安装单槽道，并顺着线路的方向，在吊柱上设置斜撑，以有效改善刚性悬挂吊柱的受力情况，最大程度上降低弯矩对T 螺栓、槽道造成的影响。然而，该方案会使槽道的美观性、结构受压性等受到较大影响。并且，该方案主要适用于全线大范围管片安装，一旦管片出现沉降变形、错移等问题，接触网系统的安全性会受到较大影响。另外，相较于其他方案，该方案的运行监测成本较高，故地铁工程施工期间不建议采用该方案。

综上所述，方案一、方案三均利用两个相邻的盾构管片支撑单槽道，不仅需要跨管片安装，还会增加地铁工程的投资成本。因此，在地铁工程施工期间，不建议采用上述两种方案。

3 地铁高净空盾构隧道刚性悬挂接触网受力情况分析

首先，接触网悬挂定位装置。刚性悬挂接触网定位装置主要由悬吊槽钢、汇流排定位线夹、绝缘子等零件组成，汇流排施工时，主要通过定位线夹与隧道顶部槽钢等装置连接。因此，设计预埋槽道安装方案时，应综合考虑汇流排的运行情况（长时间运行状况下，汇流排极易出现轻微位移现象），必须在汇流排与定位线夹之间预留间隙，使汇流排在线夹槽内移动，以更好地适应周围环境变化，最大程度上降低汇流排位移变化对刚性悬挂接触网正常运行造成的影响。

其次，隧道内环境。隧道内部空气水分较多、环境较为潮湿，汇流排与定位线夹零部件极易出现氧化情况，零件表面氧化锈蚀得越严重汇流排与定位线夹的摩擦系数越大，当摩擦系数达到限值后，汇流排线夹极易出现卡滞情况。

再次，汇流排线夹运行情况。一旦汇流排线夹出现卡滞情况，受周围环境温度变化影响（热胀冷缩），接触网悬挂装置承受的剪力会随之增大（顺着线路方向的剪力）。温度变化情况下汇流排会出现一定变化，即汇流排随温度变化产生一定的伸缩量，该伸缩量=悬挂点至中锚的距离×温度变化量×汇流排线膨胀系数。

最后，刚性悬挂接触网对T 螺栓、槽道的作用力。包括顺着线路方向的剪力（会引起弯矩）、汇流排热胀冷缩情况下的剪力（汇流排线夹出现卡滞情况时）、单槽道悬挂接触网产生的弯矩（高净空时）。

考虑到接触网本身为带电体，顺线路方向剪力超过限值的情况下，会出现弯矩过大现象，此时接触网吊架极易出现跌落、变形问题，进而使地铁出现行车中断情况。因此，设计地铁高净空盾构隧道接触网时，应优先考虑其安全性。

4 地铁高净空盾构隧道预埋槽道的受力数值计算

该地铁工程采用ANSYS 软件建立高净空单槽道悬挂模型、高净空双槽道悬挂模型，并据此计算地铁高净空盾构隧道预埋槽道的受力数值，包括螺栓预紧力、槽道与螺栓间的摩擦力等。高净空盾构隧道的内径为5900mm、隧道顶部净空为4950mm、预埋槽道槽钢本体的宽度为30m、厚度为20mm，接触面悬挂点距轨面高度为4100mm，锚杆长度≥60mm、外径≥10mm、配套T 型螺栓的直径为12mm。

4.1 单槽道悬挂方式的受力数值计算

根据项目信息建立单槽道刚性悬挂模型（见图3）。刚性悬挂接触网垂直线路方向剪切荷载为1kN、每个悬挂点的垂直荷载为5kN、汇流排定位线夹位置的剪切荷载（顺着线路方向）为3kN。

图3 单槽道刚性悬挂模型

第一，槽道受力。采用有限元仿真方法计算高净空单槽道悬挂方式下的槽道应力，最大应力集中在槽道牙口位置，应力值为1393MPa。此时，牙口位置的应力超过槽道承受能力的2/3，由此可以判断单槽悬挂结构受力不安全。

第二，锚杆应力。刚性悬挂针式绝缘子弯曲破坏荷载为9kN，实际计算槽道极限受力时，应按照9kN计算汇流排线夹处的最大水平剪切荷载（顺线路方向），此时槽道最大应力可以达到2236MPa，应力最大的位置为T 型螺栓及槽道牙口的连接处。贯穿槽道的应力超过1000MPa、锚杆最大应力为1407MPa，应力最大的位置为锚杆根部，因此可以判断锚杆处于不安全状态。

4.2 双槽道悬挂方式的受力数值计算

该铁路工程双槽道间距为300mm，隧道刚性悬挂接触网悬挂点（每个）垂直荷载为5kN，垂直线路方向的剪切荷载为1kN、汇流排定位线夹位置的剪切荷载（顺线路方向）为3kN，运用ANSYS 软件，根据上述数据建立高净空双槽道悬挂模型（见图4）。

图4 高净空双槽道悬挂模型

第一，槽道受力。采用有限元仿真法进行槽道应力计算工作，重点了解槽道的应力范围及槽道整体受力情况。在高净空双槽道悬挂方式下，槽道的最大应力范围较小（在一个单元范围内），大部分区域应力均在200MPa 之内，槽道整体受力始终处于安全状态。作用于汇流排线位置的最大水平剪力荷载（顺线路方向）为9kN 时，槽道整体应力在231～465MPa 之间，应力主要集中在槽道上部位置。由此可以判断最大荷载下，槽道受力处于安全状态。

第二，锚杆应力。高净空双槽道悬挂模式下，锚杆应力的分布范围如图5 所示，锚杆应力值在150～200MPa 之间，此时，锚杆整体受力低于限值，可以判断锚杆整体受力处于安全状态。具体分析锚杆的应力分布情况，发现锚杆大部分位置的应力均在200MPa 之内，最大应力为472MPa，只有很小一部分位置应力超过屈服应力（可以忽略不计）。由此可以判断最大荷载下，锚杆受力处于安全状态。

图5 锚杆的应力分布情况（剪力3kN）

综上所述，最不利荷载及正常荷载下，高净空双槽道悬挂安装接触网时，槽道结构处于稳定状态，整体受力能够完全满足地铁安全运行要求。

4.3 计算结果分析

地铁高净空盾构隧道单槽道悬挂方式下，刚性接触网受力处于不安全状态，极易引发安全事故。高净空盾构隧道双槽道悬挂方式下，刚性接触网符合正常受力及最大荷载受力要求，槽道结构始终处于稳定状态。由此可见，相较于单槽道，双槽道悬挂模式下刚性接触网供电更稳定、更安全。

5 预埋双槽道工程应用案例

该地铁工程地下段盾构隧道内径为5900mm、设计速度为100km/h，接触网为刚性悬挂方式，采用优化后的预埋双槽道安装方案。首先，每隔7 环（管片宽度1.2m 时）在隧道顶部对接触网局部预埋双槽道，以降低投资。其次，根据接触网运行需求，采用建筑信息模型、管片二维码等方式，优化预埋槽道管片排布，有效解决了管片错缝旋转拼装精度问题，不仅提升了高净空盾构隧道接触网安装结构的稳定性，还节约了工程投资。