吳亞飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)處,西安 710043)

高速鐵路接觸網(wǎng)接口優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

吳亞飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)處,西安 710043)

結(jié)合具體工程,就高速鐵路接觸網(wǎng)與線路選線、信號(hào)設(shè)備、軌道控制網(wǎng)、橋梁聲屏障、擋風(fēng)屏等接口問題,通過計(jì)算分析,對(duì)接口工程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以提高工程建設(shè)質(zhì)量。

高速鐵路;接觸網(wǎng);接口工程;優(yōu)化設(shè)計(jì)

截止2013年底,高速鐵路營(yíng)業(yè)總里程突破1萬km,預(yù)計(jì)到2020年,將達(dá)到1.6萬km以上。高速鐵路的建設(shè),是一項(xiàng)技術(shù)新、情況復(fù)雜的多系統(tǒng)互相配合的系統(tǒng)工程,存在著大量的接口工程設(shè)計(jì)[1]。從線路方案研究至運(yùn)營(yíng)通車,接口工程伴隨著工程建設(shè)的始末。接觸網(wǎng)工程與站前工程中線路、橋梁、隧道、路基、站場(chǎng)、軌道控制網(wǎng)等專業(yè)存在接口設(shè)計(jì);與站后工程中動(dòng)車、信號(hào)、通信、綜合維修、防災(zāi)、給排水、環(huán)保、房屋建筑等專業(yè)存在接口設(shè)計(jì)[2]。為了使各個(gè)系統(tǒng)能夠緊密結(jié)合,達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)安全、可靠的目的,必須處理好接口關(guān)系,在設(shè)計(jì)階段需協(xié)調(diào)處理好接口設(shè)計(jì)。結(jié)合工程實(shí)際,通過接觸網(wǎng)與線路選線、信號(hào)設(shè)備安裝、軌道控制網(wǎng)布置、聲屏障及擋風(fēng)屏幾個(gè)方面接口設(shè)計(jì)優(yōu)化,為高速鐵路接觸網(wǎng)接口設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。

圖1 城際鐵路與大西客運(yùn)專線相互位置(單位:cm)

圖2 城際鐵路與大西客運(yùn)專線供電線相互位置示意(單位:cm)

1 接觸網(wǎng)與線路選線

1.1 橋上接觸網(wǎng)對(duì)線路影響

西安北客站是西安重要的綜合交通樞紐。車站東端接入了鄭西客運(yùn)專線、西成客運(yùn)專線、大西客運(yùn)專線及設(shè)計(jì)中的西銅城際鐵路,線路方案采用三線并行,城際鐵路與大西客運(yùn)專線并行段落較長(zhǎng),且線路采用橋梁方案。本著線路安全距離、節(jié)約集約用地及優(yōu)化投資比例的原則,配合線路合理選擇線路走向和線間距。

大西客運(yùn)專線及城際鐵路均采用AT供電方式,考慮線路并行區(qū)段較長(zhǎng),為減少對(duì)既有接觸網(wǎng)運(yùn)營(yíng)干擾及運(yùn)營(yíng)安全,不考慮將AF線改至柱頂?shù)雀脑旆桨?線間距控制因素為大西客運(yùn)專線AF線與城際鐵路AF線安全距離、大西客運(yùn)專線AF線與城際鐵路施工期間的架橋機(jī)安全距離均應(yīng)滿足相關(guān)要求,相互位置關(guān)系見圖1。其中d1為大西客運(yùn)專線AF線與架橋機(jī)的安全距離; d2為大西客運(yùn)專線AF線與城際鐵路AF線的安全距離;L為大西客運(yùn)專線右線與城際鐵路左線的距離。在最大風(fēng)偏的情況下,架橋機(jī)邊沿與牽引供電設(shè)備帶電體之間的距離不小于2 000 mm,不同相或不同分段兩導(dǎo)線之間的水平距離不小于2 400 mm[3]。

風(fēng)荷載由公式(1)[4]計(jì)算,最大風(fēng)偏計(jì)算公式見公式(2)[4]

公式(1)、(2)中,p為風(fēng)荷載,kN;α為風(fēng)速不均勻系數(shù);K為風(fēng)負(fù)載體型系數(shù);v為設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)速, m/s;d為線索的直徑,mm;l為跨距,m;T為線索張力,kN。

AF線采用JL/LB1A-315,跨距為50 m,AF最大張力為12 kN,AF線外徑為20 mm,風(fēng)速不均勻系數(shù)取0.85,風(fēng)負(fù)載體型系數(shù)取1.1,風(fēng)偏風(fēng)速取30 m/s,計(jì)算得知,bmax為27 cm。

以導(dǎo)線舞動(dòng)為最不利的條件,d1為227 cm,d2為294 cm。大西客運(yùn)專線線梁寬12 m,城際鐵路梁寬12.2 m,采用的TLJ900型架橋機(jī)橫向?qū)?8 m[5],結(jié)合圖1,可知架橋機(jī)施工作業(yè)時(shí)L為1258 cm,考慮AF間安全距離,L為1 364 cm。取較大者,故城際鐵路與大西客運(yùn)專線線間距不小于1 364 cm。

1.2 橋下供電線對(duì)線路的影響

在城際鐵路與大西客運(yùn)專線并行區(qū)段,在橋下架設(shè)有供電線,線間距的選擇取決于橋梁與供電線之間的距離,其相對(duì)位置見圖2,d3為橋梁邊沿距供電線在最大風(fēng)偏時(shí)的距離,且不小于3 m[3],供電線肩架與梁面等高,架橋機(jī)對(duì)供電線的安全距離滿足要求。與1.1節(jié)中相同,先計(jì)算出bmax。

供電線采用JL/LB1A-250,跨距為60 m,最大張力為12 kN,供電線外徑為20 mm,風(fēng)速不均勻系數(shù)取0.85,風(fēng)負(fù)載體型系數(shù)取1.1,風(fēng)偏風(fēng)速取30 m/s,利用公式(1)、(2),計(jì)算得知,bmax為24 cm,則圖2中d3為32.4 cm。

供電線支柱側(cè)面限界為距大西客運(yùn)專線左線15 m,結(jié)合圖2,可以計(jì)算出,城際鐵路右線與與大西客運(yùn)專線左線之間的最小距離為2 403 cm。

2 接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備

2.1 車站接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備

高速鐵路車站信號(hào)設(shè)備密集,咽喉區(qū)因道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)與接觸網(wǎng)基礎(chǔ)、設(shè)備易出現(xiàn)接口設(shè)計(jì)問題。以某客運(yùn)專線車站為例,車站采用1/18道岔,其轉(zhuǎn)轍機(jī)采用多機(jī)多點(diǎn)牽引轉(zhuǎn)換方式,轉(zhuǎn)轍機(jī)基礎(chǔ)橫向?qū)挾?.5 m,縱向?qū)挾葹? m,岔前兩處轉(zhuǎn)轍機(jī)基礎(chǔ)邊沿距離為1.6 m,岔后兩處基礎(chǔ)邊沿距離為2.8 m。接觸網(wǎng)支柱及拉線側(cè)面限界為3.0 m,支柱基礎(chǔ)縱向?qū)挾确秶鸀?00～2 450 mm。由于岔前道岔柱距理論岔心為10～15 m,岔后道岔柱距理論岔心不小于25 m。接觸網(wǎng)與信號(hào)協(xié)調(diào)配合,滿足信號(hào)設(shè)備及接觸網(wǎng)安裝需求。優(yōu)化設(shè)計(jì)后的接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備相對(duì)位置見圖3。

圖3 接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備相對(duì)位置

接觸網(wǎng)接地干線與信號(hào)系統(tǒng)接地干線在接地網(wǎng)上引接點(diǎn)間距宜大于5 m。若支柱上安裝避雷器,避雷器接地點(diǎn)與信號(hào)系統(tǒng)在接地網(wǎng)上引接點(diǎn)間距宜大于15 m[6]。接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備毗鄰處,接觸網(wǎng)支柱分支引接線與貫通地線不連,通過PW線接地。避雷器接地應(yīng)單獨(dú)設(shè)接地極,并與信號(hào)設(shè)備在綜合接地線引接點(diǎn)的間距大于15 m。

2.2 區(qū)間接觸網(wǎng)與信號(hào)設(shè)備

高速鐵路采用列車控制系統(tǒng)(CTCS),區(qū)間一般無通過信號(hào)機(jī);若普速車上線,則區(qū)間需采用地面信號(hào)機(jī)。橋梁和隧道區(qū)段一般采用矮柱信號(hào)機(jī),區(qū)間路基區(qū)段采用高柱信號(hào),且信號(hào)機(jī)地面以上高度為6 800 mm[7]。區(qū)間路基接觸網(wǎng)支柱高度為7 600 mm,正饋線懸掛高度為6 800 mm,保護(hù)線懸掛高度為5 200 mm。接觸網(wǎng)設(shè)備與信號(hào)機(jī)位置關(guān)系見圖4。

由圖4可以看出,信號(hào)機(jī)在接觸網(wǎng)跨中時(shí),AF線最大風(fēng)偏時(shí)易出現(xiàn)不滿足上述要求的情況。

圖4 接觸網(wǎng)設(shè)備與信號(hào)機(jī)位置關(guān)系(單位:mm)

AF線最大風(fēng)偏計(jì)算方法與第1.1節(jié)中相同,相關(guān)參數(shù)取值相同的情況下,得知bmax為27 cm。由于信號(hào)機(jī)外緣部分距接觸網(wǎng)帶電體的距離不小于2 000 mm[8],信號(hào)機(jī)高度不變,則圖4中AF線肩架有效長(zhǎng)度L最小為2 270 mm才能滿足要求。同時(shí)為減少AF線風(fēng)力作用下的擺動(dòng),可將AF線懸掛改為“V”懸掛或增加水平固定支撐。

工程實(shí)踐中,經(jīng)行車校驗(yàn),在不影響行車能力的情況下,可適當(dāng)降低信號(hào)機(jī)高度[7],使正饋線在風(fēng)力作用下的擺動(dòng)范圍距信號(hào)機(jī)外緣不小于2 000 mm。

3 接觸網(wǎng)與軌道控制網(wǎng)

軌道控制網(wǎng)(CPⅢ),主要為軌道鋪設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供控制基準(zhǔn),控制點(diǎn)的高度一般距軌面0.3 m。路基地段控制點(diǎn)一般設(shè)置在接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)上或獨(dú)立的混凝土立柱上[9]。接觸網(wǎng)補(bǔ)償墜砣隨溫度進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng),CPⅢ控制點(diǎn)在墜砣下方時(shí)可能會(huì)影響墜砣工作。以某高速鐵路為例,確定墜砣在最高溫度時(shí)距基礎(chǔ)面的高度,墜砣距基礎(chǔ)面的高度由接觸線、承力索與溫度變化有關(guān),其安裝曲線見公式(3)[4]

式中,bmin為墜砣底部至基礎(chǔ)面之間的垂直距離,取200 mm;n為補(bǔ)償裝置變比,取3;L為中心錨結(jié)至補(bǔ)償裝置之間的距離;θ為新線延伸率;α為線脹系數(shù),取17×10-61/K;tmax為最高溫度,取80℃;tx為安裝時(shí)溫度。

經(jīng)計(jì)算,最高溫度時(shí)承力索張力補(bǔ)償墜砣底面距基礎(chǔ)面500 mm,最高溫度時(shí)接觸線張力補(bǔ)償墜砣底面距基礎(chǔ)面200 mm。因接觸網(wǎng)基礎(chǔ)縱向?qū)挾葹?00 mm,在安裝補(bǔ)償裝置的接觸網(wǎng)支柱上,下錨墜砣側(cè)的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)不應(yīng)設(shè)置CPⅢ控制點(diǎn)。

此外,CPⅢ控制點(diǎn)不能影響隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)箱檢修,隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱寬為400 mm,箱體底部距基礎(chǔ)面500 mm,故在安裝隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)的支柱側(cè),不應(yīng)設(shè)置CPⅢ控制點(diǎn)。

為避免施工時(shí)發(fā)生上述沖突,接觸網(wǎng)施工圖中應(yīng)將上述易發(fā)生干擾的接觸網(wǎng)位置提供給軌道CPⅢ控制點(diǎn)設(shè)計(jì)專業(yè),使接觸網(wǎng)基礎(chǔ)及CPⅢ控制點(diǎn)與土建工程同步施工。工程實(shí)踐中,CPⅢ控制點(diǎn)也可采取利用支柱預(yù)留孔,用螺母固定CPⅢ控制點(diǎn)方式避免相互干擾。

4 接觸網(wǎng)與聲屏障

4.1 產(chǎn)生的原因

時(shí)速250、350 km高速鐵路分別采用寬度為12、12.2 m的簡(jiǎn)支箱梁[10-11]。直線區(qū)段,接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償墜砣(含抱箍)在靜止?fàn)顟B(tài)下距H型鋼柱田野側(cè)翼板80 mm;經(jīng)核算,12 m寬箱梁上聲屏障插板距接觸網(wǎng)H型鋼柱田野側(cè)翼板僅65 mm;導(dǎo)致聲屏障影響下錨補(bǔ)償墜砣的自由升降。當(dāng)H型鋼柱上安裝電動(dòng)隔離開關(guān)時(shí)(開關(guān)居中安裝,操作機(jī)構(gòu)箱寬度為400 mm),與聲屏障也存在干擾問題。

4.2 解決方案

結(jié)合聲屏障的結(jié)構(gòu),合理選擇接觸網(wǎng)支柱高度。但要解決聲屏障插板干擾墜砣的問題,則需接觸網(wǎng)與聲屏障相互避讓,協(xié)調(diào)解決。主要分為2種類型。

類型一:中間柱。聲屏障吸聲板應(yīng)避開接觸網(wǎng)支柱法蘭盤所處的立體范圍,吸聲板安裝時(shí),板材的厚度可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況適當(dāng)減少,以避免與接觸網(wǎng)支柱螺栓、柱加勁板、底板等發(fā)生干擾。

類型二:下錨柱及開關(guān)。為順線路方向,考慮預(yù)留接觸網(wǎng)墜砣限制架及墜砣空間及檢修空間,下錨方向距聲屏障最近H型鋼立柱鋼板最外邊緣不小于1500 mm,非下錨方向支柱邊緣距聲屏障H型柱邊緣不小于500 mm。垂直線路方向,聲屏障結(jié)構(gòu)位置不侵入接觸網(wǎng)下錨柱法蘭盤范圍,不小于150 mm。由于安裝隔離開關(guān)的支柱上設(shè)有操作機(jī)構(gòu)箱,可參照下錨柱處的方案進(jìn)行處理。處理方案效果見圖5。

圖5 接觸網(wǎng)下錨補(bǔ)償處聲屏障處理方案

5 接觸網(wǎng)與擋風(fēng)屏

蘭新鐵路第二雙線新疆段風(fēng)區(qū)中有125座橋梁,對(duì)箱梁與T梁分別采用單側(cè)4 m、雙側(cè)4 m及雙側(cè)7 m高3種形式的橋梁擋風(fēng)屏。[12]。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用13 m簡(jiǎn)支槽形梁,在槽形梁上設(shè)置了擋風(fēng)屏,由擋風(fēng)立柱及擋風(fēng)板組成。以雙側(cè)設(shè)4 m擋風(fēng)屏為例,擋風(fēng)立柱采用H型鋼柱,縱向2 m一處,擋風(fēng)板高4 m,擋風(fēng)墻內(nèi)側(cè)距線路中心3.305 m,擋風(fēng)立柱內(nèi)側(cè)距線路中心3.520 m,擋風(fēng)屏距線路中心3.455 m。雖擋風(fēng)屏與聲屏障結(jié)構(gòu)類似,但由于擋風(fēng)屏作為防風(fēng)設(shè)施,受風(fēng)擺動(dòng)幅度大,所以本文4.2節(jié)處理方案不適用于擋風(fēng)屏。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[13],利用ANSYS有限元模型計(jì)算中間柱、轉(zhuǎn)換柱、下錨柱的風(fēng)荷載及適應(yīng)性,選用H型鋼柱才能滿足基礎(chǔ)構(gòu)造要求。接觸網(wǎng)中間柱側(cè)面限界為3 015 mm,支柱外側(cè)距擋風(fēng)屏內(nèi)側(cè)225 mm;轉(zhuǎn)換柱及下錨柱側(cè)面限界為3 170 mm[13],支柱外側(cè)距防風(fēng)屏內(nèi)側(cè)190 mm。

根據(jù)擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)及擋風(fēng)立柱里程,結(jié)合大風(fēng)區(qū)接觸網(wǎng)支柱跨距,可將中間柱、轉(zhuǎn)換柱設(shè)于擋風(fēng)立柱內(nèi)側(cè)。下錨柱補(bǔ)償處,由于選用外徑為360 mm的鐵墜砣及傳統(tǒng)的墜砣固定方式,在風(fēng)力作用下墜砣會(huì)與擋風(fēng)屏碰撞,特別是曲線內(nèi)側(cè)處。將墜砣由圓形調(diào)整為方形,且寬度不大于340 mm,采用導(dǎo)向輪與墜砣限制桿墜砣滑動(dòng)方式固定墜砣,控制了墜砣在大風(fēng)作用下的擺動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路接口設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)、建設(shè)中的重要內(nèi)容。通過分析接觸網(wǎng)與線路、信號(hào)、軌道、環(huán)保及橋梁工程在設(shè)計(jì)時(shí)存在的問題,優(yōu)化了與上述工程接口,提高了工程建設(shè)質(zhì)量。隨著BIM(建筑信息模型, Building Information Modeling)技術(shù)在我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)的發(fā)展,由于其具有可視化、糾錯(cuò)性、信息共享等優(yōu)點(diǎn),通過協(xié)同設(shè)計(jì),建立三維幾何模型,更好地指導(dǎo)高速鐵路接觸網(wǎng)與相關(guān)工程的接口設(shè)計(jì)。

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Study on Optimized Design of High-Speed Railway OCS's Interface

WU Ya-fei
(China Railway the First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

With reference to engineering practices,the interface engineering is optimized through calculation and analysis to improve the construction quality in terms of such issues as OCS,routeselection,signal equipments,CPIII control point,bridge sound-barrier,groove beams windscreen,

High-speed railway;OCS;Interface engineering;Optimized design

U238;U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.028

1004-2954(2014)12-0116-04

2014-03-20;

2014-06-19

吳亞飛(1982—),男,工程師,2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:13991255163@163.com。