馬書元

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

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新關(guān)角隧道信號(hào)系統(tǒng)方案研究

馬書元

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

摘要：鑒于青藏線西格二線關(guān)角隧道的特殊性，通過對(duì)國內(nèi)已開通可借鑒的長大隧道京廣線大瑤山隧道、蘭武二線烏鞘嶺隧道及青藏鐵路既有關(guān)角隧道情況進(jìn)行調(diào)研、測試、分析，綜合新關(guān)角隧道環(huán)境條件、方案可靠性、維修維護(hù)、投資等各方面因素，推薦區(qū)間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路，隧道內(nèi)進(jìn)行軌道電路分割方案。

關(guān)鍵詞：關(guān)角隧道；道床電阻；軌道電路；分割

1項(xiàng)目概述

青藏線西寧至格爾木段增建第二線關(guān)角隧道位于海拔3 000～3 500 m的天棚車站與察漢諾車站之間，隧道全長32.645 km，是目前國內(nèi)最長的鐵路隧道。設(shè)計(jì)為2座平行的單線隧道，線間距為40 m，隧道平面位于直線上，左線、右線隧道的縱向設(shè)計(jì)坡度基本一致，縱斷面為人字坡型。設(shè)計(jì)行車速度目標(biāo)值160 km/h；整體道床，雙塊式無砟軌道。

隧道采用鉆爆法施工，施工輔助坑道(斜井)10座。隧道共設(shè)計(jì)77座聯(lián)絡(luò)橫通道，平均間隔420 m。隧道與鄰站的距離見圖1。

圖1　關(guān)角隧道位置示意(單位：km)

2系統(tǒng)構(gòu)成及影響系統(tǒng)工作性能因素

目前國內(nèi)還缺少普速鐵路無砟軌道隧道內(nèi)軌道電路和機(jī)車信號(hào)安全傳輸?shù)南嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于各隧道情況不同，隧道的電磁環(huán)境、道床因素、溫濕度情況、海拔情況等因素均可能直接影響信號(hào)系統(tǒng)的軌道電路和機(jī)車信號(hào)安全傳輸。同時(shí)這些因素也是信號(hào)系統(tǒng)方案選型的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著我國西部鐵路建設(shè)步伐加快和客貨共線鐵路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)的提高，特長隧道的數(shù)量和里程逐漸增加，但現(xiàn)有規(guī)范中沒有對(duì)應(yīng)普速鐵路客貨共線標(biāo)準(zhǔn)分路電阻條件下無砟軌道隧道內(nèi)ZPW-2000軌道電路長度標(biāo)準(zhǔn)。

3既有隧道道床特性測試及軌道電路工作狀態(tài)分析

3.1已開通類似隧道道床特性測試

為了確定關(guān)角隧道信號(hào)方案，對(duì)國內(nèi)具有借鑒意義的隧道進(jìn)行了摸排，先期進(jìn)行了大量的調(diào)查、研究與測試。具體情況如下。

3.1.1大瑤山隧道的調(diào)研情況

大瑤山隧道位于京廣鐵路廣東省北部羅家渡至土嶺之間，于20世紀(jì)90年代初建成通車。是國內(nèi)軌道參數(shù)條件較差的典型工點(diǎn)，道床電阻最不利地段達(dá)到0.1 Ω·km。

隧道長約14 km，為非整體道床。在武廣電化時(shí)進(jìn)行了改造。部分區(qū)段在采用分割ZPW-2000A軌道電路至其所能正常工作的最短距離300 m后仍不能穩(wěn)定工作后，適當(dāng)調(diào)整軌道區(qū)段長度并增加了計(jì)軸設(shè)備。

3.1.2烏鞘嶺隧道的調(diào)研測試情況

具有與關(guān)角隧道同為整體道床、同為長隧道、氣候條件類似(均在北方區(qū)域)的特點(diǎn)。

烏鞘嶺隧道位于蘭新線龍溝站與打柴溝站間(站間距27.9 km)，隧道工作區(qū)域高程2 900～3 600 m，于2006年8月開通運(yùn)營，隧道長約21 km，為雙單線隧道。隧道內(nèi)采用整體道床，軌道板未作絕緣，底座未作絕緣。隧道內(nèi)無明顯漏水、滲水現(xiàn)象。單側(cè)敷設(shè)貫通地線、未采取其他接地措施。

隧道外采用ZPW-2000A軌道電路，隧道內(nèi)采用計(jì)軸+環(huán)線方案，計(jì)軸實(shí)現(xiàn)區(qū)間空閑、占用檢查，環(huán)線傳輸機(jī)車信號(hào)。自2006年開通運(yùn)營以來，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定。在2012年出現(xiàn)了計(jì)軸通道防雷單元燒損的問題，經(jīng)分析研究是由于回流不暢、隧道內(nèi)牽引回流無法及時(shí)泄流，從而造成鋼軌電位過高所致。因隧道內(nèi)已無法進(jìn)行大規(guī)模改造，通過研究在隧道入口增加輔助接地網(wǎng)后該問題已得到解決。

開通4年后，于2010年8月加載ZPW-2000A軌道電路后對(duì)其軌道影響信號(hào)系統(tǒng)的性能的鋼軌電阻電感和道床漏泄電阻分別進(jìn)行了測試

經(jīng)測試在ZPW-2000A所需要的4種載頻下，鋼軌電阻均在2～3.2 Ω/km；鋼軌電感在1.18～1.31 mh/km。道床漏泄電阻大于20 Ω·km。

3.1.3克土隧道的調(diào)研測試情況

選擇在寒冷冬季(2012年12月)對(duì)已開通青藏線西格二線的現(xiàn)場反映工作不穩(wěn)定的克土隧道內(nèi)個(gè)別區(qū)段進(jìn)行了道床條件的測試。

克土隧道位于青藏線西格二線段海晏站與托勒站間區(qū)間，海拔約3300 m，隧道長4.3 km，為雙線隧道，鋪設(shè)有砟軌道。設(shè)有ZPW-2000A軌道電路。隧道內(nèi)漏水不明顯，局部地方有翻漿冒泥現(xiàn)象。選擇道床條件較差的0879BG進(jìn)行測試，0879BG歸克土中繼站控制，區(qū)段長度700 m，載頻1 700 Hz，控制電纜小于5 km。測試結(jié)果見表1。

表1　克土隧道0879BG道床電阻測試

測試結(jié)果為道床漏泄電阻大于20 Ω·km。

3.1.4既有關(guān)角隧道的調(diào)研測試情況

選擇與新建關(guān)角隧道具有類似海拔、類似氣候環(huán)境特點(diǎn)的既有關(guān)角隧道進(jìn)行調(diào)研與測試。既有關(guān)角隧道于20世紀(jì)80年代初建成通車，2007年進(jìn)行電氣化改造。既有關(guān)角隧道位于海拔約3 700 m的青藏線西格段天棚站與南山口站間，隧道長約4 km。隧道內(nèi)鋪設(shè)寬軌枕，為半自動(dòng)閉塞的區(qū)間部分，未設(shè)軌道電路。圖2為既有關(guān)角隧道西進(jìn)口。

圖2　既有關(guān)角隧道西進(jìn)口

既有關(guān)角隧道部分區(qū)域隧道內(nèi)壁有滲漏水現(xiàn)象，某些地段道床有嚴(yán)重向上滲水現(xiàn)象及輕微翻漿冒泥現(xiàn)象。

于2013年10月對(duì)既有關(guān)角隧道滲漏水及翻漿冒泥區(qū)域進(jìn)行了道床電阻測試，測試結(jié)果見表2、表3。

既有關(guān)角隧道測試結(jié)果為道床電阻在0.9～11.5(Ω·km)

3.2既有隧道情況對(duì)比及信號(hào)系統(tǒng)工作狀態(tài)分析3.2.1大瑤山隧道情況的分析

大瑤山隧道因建設(shè)較早，隧道防水、排水工藝較差，造成道床漏泄電阻最不利地段僅能達(dá)到0.1 Ω·km，這些區(qū)段采用了軌道電路+計(jì)軸的方式，正常情況下，軌道電路單獨(dú)使用，完成軌道占用檢查及機(jī)車信號(hào)傳輸；計(jì)軸設(shè)備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號(hào)控制。當(dāng)遇到特殊情況或環(huán)境變化導(dǎo)致軌道電路不能可靠工作時(shí)，采用人工倒入方式由軌道電路轉(zhuǎn)為計(jì)軸加軌道電路方式。利用計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn)區(qū)間軌道區(qū)段空閑、占用檢查，軌道電路只完成機(jī)車信號(hào)傳輸功能，從而保證正常運(yùn)輸作業(yè)。

表2　既有關(guān)角隧道測試結(jié)果(一)

表3　既有關(guān)角隧道測試結(jié)果(二)

參照《計(jì)軸加軌道電路解決自動(dòng)閉塞“紅光帶”方案的指導(dǎo)意見》(運(yùn)基信號(hào)[2006]446號(hào))，結(jié)合大瑤山隧道實(shí)際運(yùn)用情況，當(dāng)?shù)来猜┬闺娮柙?.1 Ω·km時(shí)，軌道區(qū)段分割至300 m后增加計(jì)軸設(shè)備方可保證系統(tǒng)可靠工作。

3.2.2烏鞘嶺隧道的情況分析

(1)接地情況：因建設(shè)較早，當(dāng)時(shí)鐵路上普遍采用各專業(yè)、各設(shè)備分散接地，尚未采用綜合接地方式。全線敷設(shè)1根25 mm2貫通地線，烏鞘嶺隧道貫通地線與信號(hào)電纜同溝敷設(shè)在預(yù)留的信號(hào)電纜槽。由于長距離的貫通地線懸浮于隧道中，無法及時(shí)泄流，造成鋼軌感應(yīng)電壓高，影響設(shè)備穩(wěn)定工作甚至影響作業(yè)人員人身安全的后果。

(2)信號(hào)系統(tǒng)工作情況：烏鞘嶺隧道按6 min運(yùn)行間隔、四顯示自動(dòng)閉塞制式進(jìn)行區(qū)間信號(hào)機(jī)布點(diǎn)。隧道外采用ZPW2000A型區(qū)間設(shè)備，隧道內(nèi)采用計(jì)軸加環(huán)線設(shè)備。采用北京泰雷茲交通自動(dòng)化控制系統(tǒng)公司的4套AzL90型計(jì)軸主機(jī)設(shè)備，采用ZP30C型室外計(jì)軸設(shè)備控制相關(guān)信號(hào)點(diǎn)。計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn)列車占用檢查，環(huán)線設(shè)備完成機(jī)車信號(hào)傳輸。

計(jì)軸設(shè)備的工作不受道床泄漏電阻變化影響，并且與鋼軌表面潔凈度和線路條件無關(guān)，不受電氣化牽引電流干擾，控制范圍大，方式靈活。在鋼軌表面生銹、污染條件下，仍能可靠安全的檢測列車。利用環(huán)線傳輸機(jī)車信號(hào)時(shí)，軌道區(qū)段的控制距離將不受道床環(huán)境條件的限制。

因隧道內(nèi)整體道床配筋未做絕緣處理加之未設(shè)置綜合接地系統(tǒng)，出現(xiàn)了隧道內(nèi)軌道電位較高，危及人身安全和干擾信號(hào)設(shè)備的正常工作及行車安全的問題。后經(jīng)改善接地，目前信號(hào)系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

(3)道床電阻測試情況分析：根據(jù)測試結(jié)果，雖然隧道內(nèi)底板鋼筋未做絕緣處理，經(jīng)過幾年的運(yùn)行后，道床受到一定的污染，但整體道床的道床電阻遠(yuǎn)大于目前使用的ZPW-2000軌道電路區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)分路電阻下最低道床電阻的要求。

3.2.3既有關(guān)角隧道

根據(jù)既有關(guān)角隧道的測試數(shù)據(jù)分析，結(jié)合西格二線(海拔2 000～3 000 m)已開通運(yùn)營的ZPW-2000系列軌道電路均能穩(wěn)定工作的情況，可認(rèn)為高海拔對(duì)軌道絕緣、道床漏泄電阻等電氣參數(shù)影響較小。

4新關(guān)角隧道內(nèi)影響信號(hào)系統(tǒng)方案的因素分析

4.1綜合接地系統(tǒng)

新關(guān)角隧道為亞洲最長的鐵路隧道，位于高海拔地區(qū)且為電氣化鐵路，借鑒烏鞘嶺隧道運(yùn)營中出現(xiàn)的問題，參照高速鐵路隧道綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念及《鐵路綜合接地和信號(hào)設(shè)備防雷系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)指南》，新關(guān)角隧道內(nèi)設(shè)計(jì)采用了綜合接地系統(tǒng)。以沿線兩側(cè)通信信號(hào)電纜槽內(nèi)敷設(shè)的貫通地線為主干，充分利用隧道地段構(gòu)筑物設(shè)施內(nèi)的接地裝置為接地體，形成低阻等電位綜合接地平臺(tái)。

綜合接地系統(tǒng)的設(shè)置能夠大大改善隧道內(nèi)電磁環(huán)境，目前開通的采用綜合接地系統(tǒng)的客運(yùn)專線上的長隧道感應(yīng)電勢均未對(duì)信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

新關(guān)角隧道內(nèi)采用了綜合接地系統(tǒng)后，可消除電磁干擾對(duì)軌道電路的影響。

4.2軌道結(jié)構(gòu)類型

隧道內(nèi)全段采用雙塊式無砟軌道，道床板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)極大地改善了隧道內(nèi)道床條件，對(duì)軌道及道床參數(shù)影響最大的鋼軌底部翻漿冒泥等現(xiàn)象將基本杜絕。

4.3隧道縱斷面設(shè)計(jì)

隧道線路設(shè)計(jì)為“人”字坡，道床面設(shè)計(jì)為1%橫坡，每5 m設(shè)一泄水孔，排泄道床集水，按運(yùn)營期正常排水量計(jì)算，無道床積水。

4.4隧道防排水

從烏鞘嶺隧道的施工至運(yùn)營10多年情況看，沒有明顯的滲漏水現(xiàn)象，即隧道內(nèi)線路條件未對(duì)軌道及道床參數(shù)產(chǎn)生影響。根據(jù)關(guān)角隧道的隧道防排水設(shè)計(jì)及前期建成的隧道效果，不會(huì)發(fā)生滲漏水現(xiàn)象。

4.5影響軌道電路的相關(guān)因素

主要有鋼軌內(nèi)牽引總電流、鋼軌不平衡電流、鋼軌電阻、鋼軌電感、道床電阻、軌間電容、環(huán)境空氣濕度、鋼軌扣件的絕緣等?，F(xiàn)就各因素逐一進(jìn)行歸類分析。

(1)鋼軌內(nèi)牽引總電流、鋼軌不平衡電流

本線鋼軌內(nèi)牽引總電流與鋼軌不平衡電流是ZPW-2000型一體化軌道電路選擇匹配變壓器、防雷單元和空心線圈類型的主要參數(shù)。隧道內(nèi)外鋼軌內(nèi)牽引總電流與鋼軌不平衡電流基本一致，對(duì)隧道內(nèi)方案不產(chǎn)生主要影響，僅對(duì)隧道內(nèi)綜合接地方案有一定影響。

(2)鋼軌電阻、鋼軌電感

這兩個(gè)因素直接關(guān)系到ZPW-2000型一體化軌道電路的傳輸長度和傳輸質(zhì)量。本線采用60 kg/m區(qū)間無縫長鋼軌，鋼軌電阻、鋼軌電感隧道內(nèi)外基本一致，對(duì)隧道內(nèi)方案不產(chǎn)生主要影響。

綜上分析，關(guān)角隧道無論從隧道防水、排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，施工工藝還是道床排水設(shè)計(jì)施工、鋼軌扣件的絕緣性能均優(yōu)于烏鞘嶺隧道。根據(jù)對(duì)烏鞘嶺隧道通車后的測試情況及既有關(guān)角隧道道床電阻測試情況分析，新關(guān)角隧道道床電阻在正常工務(wù)養(yǎng)護(hù)的情況下應(yīng)可達(dá)到1Ω·km。

5自動(dòng)閉塞軌道電路方案研究

參照既有隧道軌道電路分析，結(jié)合新關(guān)角隧道內(nèi)影響信號(hào)系統(tǒng)方案的因素，對(duì)以下軌道電路方案從軌道電路的正常工作和機(jī)車信號(hào)的可靠傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行比選研究。

方案Ⅰ：ZPW-2000系列軌道電路分割方案

軌道占用檢查和機(jī)車信號(hào)傳輸方案均由ZPW-2000型一體化軌道電路實(shí)現(xiàn)。本方案工作原理單一清晰；對(duì)防護(hù)的軌道區(qū)段能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)檢查；ZPW-2000系統(tǒng)在全國各線及西格二線上均有多年成功運(yùn)營的經(jīng)驗(yàn)；采用本方案后全線制式一致，車載設(shè)備不增加，便于維護(hù)維修、備件及管理。

方案Ⅱ：軌道電路分割疊加計(jì)軸方案

在方案Ⅰ基礎(chǔ)上每段軌道電路增加1套計(jì)軸設(shè)備。正常情況下，軌道電路單獨(dú)使用，計(jì)軸設(shè)備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號(hào)控制。當(dāng)遇到特殊情況或環(huán)境變化致使軌道電路不能可靠工作時(shí)，由人工導(dǎo)入計(jì)軸加軌道電路方式，利用計(jì)軸設(shè)備實(shí)現(xiàn)所在區(qū)間軌道區(qū)段空閑、占用檢查，這些區(qū)段軌道電路只完成機(jī)車信號(hào)傳輸功能。

此方案既保證正常情況下區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，也可滿足因其他因素導(dǎo)致軌道電路無法實(shí)現(xiàn)區(qū)間占用檢查時(shí)區(qū)間信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

本方案存在以下不足：隧道內(nèi)外各區(qū)段工作原理不統(tǒng)一，不利于現(xiàn)場人員維護(hù)維修及運(yùn)營操作；大量計(jì)軸設(shè)備設(shè)于隧道內(nèi)，增加了維修維護(hù)工作量及工作難度。若采用方案Ⅰ，線路運(yùn)營一段時(shí)間后，進(jìn)行增加計(jì)軸設(shè)備的施工不僅影響線路運(yùn)營，且本段交通不便、施工空間狹小、施工難度大。

方案Ⅲ：軌道電路分割疊加計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞方案

區(qū)間隧道內(nèi)每段閉塞分區(qū)分割1次，兩鄰站隧道側(cè)進(jìn)站信號(hào)機(jī)外方分別增加計(jì)軸設(shè)備。正常情況下，軌道電路單獨(dú)使用，計(jì)軸設(shè)備保持正常工作狀態(tài)，但其輸出條件不加入信號(hào)控制。當(dāng)遇到特殊情況或環(huán)境變化致使軌道電路不能可靠工作時(shí)，由人工轉(zhuǎn)為計(jì)軸自動(dòng)站間閉塞。由計(jì)軸設(shè)備檢查區(qū)間空閑，隨著辦理發(fā)車進(jìn)路自動(dòng)構(gòu)成站間閉塞，列車憑出站信號(hào)機(jī)顯示進(jìn)入發(fā)車進(jìn)路后，出站信號(hào)機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，待列車出清區(qū)間后自動(dòng)解除閉塞。

采用此方案在自動(dòng)站間閉塞情況下運(yùn)行時(shí)，一方面區(qū)間軌道占用檢查成為點(diǎn)式方式，另一方面對(duì)運(yùn)輸效率產(chǎn)生一定影響。

綜合關(guān)角隧道環(huán)境條件、方案可靠性、維修維護(hù)、投資等各方面因素，推薦區(qū)間采用ZPW-2000系列無絕緣軌道電路，關(guān)角隧道內(nèi)進(jìn)行軌道電路分割方案。

類比烏鞘嶺隧道、結(jié)合既有關(guān)角隧道測試及分析論證，可認(rèn)為關(guān)角隧道道床電阻值通常情況下應(yīng)能滿足區(qū)間1 Ω·km的要求。在控制電纜不超過10 km、分路電阻0.15 Ω時(shí)，ZPW-2000軌道電路在600 m可穩(wěn)定工作。

按照6 min布點(diǎn)、7 min計(jì)算能力，本區(qū)間通過布點(diǎn)優(yōu)化，各閉塞分區(qū)長度及根據(jù)線路條件區(qū)段采用的分割情況見表4。

表4　關(guān)角隧道內(nèi)軌道電路分割情況

注：帶#表示在隧道內(nèi)的信號(hào)點(diǎn)

6結(jié)語

通過全面的調(diào)查研究及現(xiàn)場測試，經(jīng)過分析比較，設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的關(guān)角隧道信號(hào)方案，為青藏線的安全穩(wěn)定運(yùn)營提供保障，同時(shí)為現(xiàn)場維修維護(hù)及備品備件提供便捷。 此方案得到了運(yùn)營維護(hù)單位及項(xiàng)目審批單位的一致認(rèn)可。

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Research on Guanjiao Tunnel Signal System

MA Shu-yuan

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：In view of the special nature of Guanjiao tunnel on Qinghai-Tibet Xining-Ge’ermu second-line and on the basis of the investigation， test and analysis of the existing long tunnels on some domestic railway lines， this paper recommends ZPW-2000 non-insulation track circuit in the section between stations and track circuit segmentation in the tunnel with respect to environmental conditions of the tunnel， reliability of plan， maintenance and investment.．

Key words：Guanjiao tunnel; Ballast bed resistor; Track circuit; Segmentation

中圖分類號(hào)：U284.23+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.04.027

文章編號(hào)：1004-2954(2015)04-0111-05

作者簡介：馬書元(1972—)，女，高級(jí)工程師，1993年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工學(xué)學(xué)士。

收稿日期：2014-09-06； 修回日期：2014-11-21