何國軍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京102600)

干塘至武威電氣化鐵路接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型

何國軍

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 北京102600)

干塘至武威鐵路(以下簡稱干武線)是我國第一條沙漠電氣化鐵路，沿線地質(zhì)情況主要為沙漠地質(zhì), 工程地質(zhì)條件較差。在本次既有干武線增建第二線工程接觸網(wǎng)基礎(chǔ)施工過程中，既有路基進(jìn)行深度開挖時(shí), 外界擾動(dòng)時(shí)容易引起土體結(jié)構(gòu)破壞，基坑塌方嚴(yán)重。為了確保既有線路基穩(wěn)定，不影響行車運(yùn)輸安全，同時(shí)也滿足接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)需求，針對該工程的地質(zhì)情況，結(jié)合既有線電氣化改造，從現(xiàn)場施工角度考慮，設(shè)計(jì)了干武線電氣化鐵路增建第二線改造過程中用到的幾種主要的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)形式—直埋基礎(chǔ)、剛性基礎(chǔ)、高頸基礎(chǔ)、淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)、井圈基礎(chǔ)等。針對不同工況，分析了各類基礎(chǔ)形式的特點(diǎn)和適用性。現(xiàn)場施工情況表明各類基礎(chǔ)能很好地適應(yīng)各類工況，為今后類似工程中接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及選型提供了參考。

支柱基礎(chǔ)； 井圈基礎(chǔ)； 淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)； 電氣化鐵路

接觸網(wǎng)是沿鐵路線上空架設(shè)的向電力機(jī)車供電的特殊形式輸電線路。接觸網(wǎng)支柱與基礎(chǔ)用以承受接觸懸掛、支持和定位裝置的全部負(fù)荷，因此接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)尤為重要，影響到整個(gè)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。正確合理地設(shè)計(jì)選擇接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)是接觸網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)營的重要保證。

既有干武線為單線電氣化鐵路，線路全長約172.192 km。線路由包蘭線上的干塘站引出，進(jìn)入內(nèi)蒙古自治區(qū)阿拉善左旗，沿騰格里沙漠南部邊緣向西行進(jìn)，過慶陽山站后進(jìn)入甘肅省古浪縣，經(jīng)冰草灣，過土門子，到蘭新線上的武威南站。沿線人煙稀少，大部分區(qū)段是草灘和沙丘，地質(zhì)情況主要為沙漠地質(zhì)，工程地質(zhì)條件較差。既有路基進(jìn)行深度開挖時(shí)，外界擾動(dòng)容易引起土體結(jié)構(gòu)破壞，基坑塌方嚴(yán)重。

為了確保既有線路基穩(wěn)定，不影響行車運(yùn)輸安全，針對該工程的地質(zhì)情況，結(jié)合既有線電氣化改造，從現(xiàn)場施工角度考慮，設(shè)計(jì)了干武線電氣化鐵路增建第二線改造過程中用到的幾種主要的接觸網(wǎng)基礎(chǔ)形式。針對不同工況，分析了各類基礎(chǔ)形式的特點(diǎn)和適用性，現(xiàn)場施工情況表明各類基礎(chǔ)能很好地適應(yīng)各類工況。

1 接觸網(wǎng)支柱類型及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

1.1 接觸網(wǎng)支柱類型

干武線既有腕臂柱均采用預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，軟橫跨多數(shù)采用鋼筋混凝土柱，少數(shù)大跨度位置采用格構(gòu)式鋼柱。由于本線自然條件惡劣，風(fēng)沙較大，受風(fēng)沙影響的混凝土支柱迎風(fēng)面毛面現(xiàn)象嚴(yán)重，接觸網(wǎng)鋼柱多處出現(xiàn)防銹漆脫落、支柱腐蝕嚴(yán)重等情況。

結(jié)合本線自然環(huán)境特點(diǎn)、線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及相鄰線路標(biāo)準(zhǔn)，在保證統(tǒng)一、美觀的前提下，干武線增建第二線接觸網(wǎng)支柱路基區(qū)段支柱一般采用環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱，車站硬橫跨支柱采用熱浸鍍鋅鋼管支柱。獨(dú)立架設(shè)的附加導(dǎo)線支柱采用接觸網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支柱，供電線下錨、轉(zhuǎn)角等處支柱采用格構(gòu)式鋼柱，其余供電線支柱采用環(huán)形等徑預(yù)應(yīng)力混凝土支柱。接觸網(wǎng)支柱利用回流線或架空地線作為保護(hù)閃絡(luò)地線的集中接地方式。當(dāng)支柱不懸掛回流線或架空地線時(shí)，單獨(dú)設(shè)接地極接地。接地極采用銅包鋼接地極(棒)、接地極模塊和降阻劑。

1.2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)原則

接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的作用是穩(wěn)定支柱，使其不傾覆、不歪斜及不下沉。基礎(chǔ)的選擇主要根據(jù)支柱類型、容量、地質(zhì)條件以及線路狀況等因素確定。

根據(jù)TB 10005-2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級為C25，支柱混凝土防護(hù)層等級強(qiáng)度C15，墊層混凝土強(qiáng)度等級C10?；A(chǔ)縱向鋼筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。地腳螺栓的材質(zhì)為Q345，其質(zhì)量應(yīng)分別符合GB/T 1591及GB/T 699的相關(guān)規(guī)定。

本文以硬橫跨鋼管柱剛性基礎(chǔ)基礎(chǔ)位于填方地段為例，對基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定性和土腳螺栓抗拉強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算，如圖1所示。

圖1 計(jì)算基礎(chǔ)圖形示意圖(mm)

土體特性資料：摩擦角φ=25°，土的容重γ=1.7 t/m3，2 m深處土體的允許承載力[σ]2=20 t/m2，鋼柱傳給基礎(chǔ)的垂直力G0=2 t，基礎(chǔ)埋深為h=3 m。

系數(shù)α值和U值的確定：由比值ρA=a1/h=2.3/3=0.77和鋼柱高H=10 m，根據(jù)《電氣化鐵道設(shè)計(jì)手冊》，查表7-54得到α=0.815，查表附表7-1得到UA=0.01616。

計(jì)算傾覆力矩M0：

M0=(MH/H)×(H+A+αh)

=300/9.8/10×(10+0.5+0.815×3)

=39.628 t·m。

基礎(chǔ)重量GФ計(jì)算：

GФ=2.2VФ=2.2(0.9×0.9×2+(0.9+1.6)×1.6/2×0.5+2.3×2.3×0.5)=2.2×5.265=11.583 t。

計(jì)算基礎(chǔ)臺階上覆土重量Gr：

Gr=[a1b1h-(GФ-a0b0A)]×γ=[2.3×2.3×3-(11.583-0.9×0.9×0.5)]×1.7=7.876 t。

計(jì)算基礎(chǔ)承受的總垂直力G：

G=GФ+Gr+G0=11.583+7.876+2=21.459 t。

基礎(chǔ)土體承載力[σ]h計(jì)算(取kr=2.0)：因?yàn)閔=3.0 m>2.0 m：

[σ]h=[σ]2+kr×γ×(h-2)=20+2.0×1.7×(3-2.0)=23.4 t/m2

計(jì)算基礎(chǔ)前后面土體抗壓力的力矩M1：

計(jì)算σ0：

σ0=G/(a1b1)=21.459/(2.3×2.3)

=4.056 t/m2

2σ0=8.112 t/m2<[σ]h=23.4 t/m2

計(jì)算基礎(chǔ)底部土體抗壓力的力矩M2：

M2=Ga1(1/2-2σ0/3/[σ]h)=21.459×2.3×[1/2-2×4.056/(3×23.4)]=18.974 t·m。

計(jì)算基礎(chǔ)側(cè)面土體摩擦力的力矩M3：已知φ=25°，查表7-57得到f=0.466 3，

M3=γfh2a1(4b1+3a1)/14=1.7×0.4663×32×2.3×(4×2.3+3×2.3)/14=56.611 t·m。

計(jì)算抗傾覆力矩：

∑M=M1+M2+M3=23.046+18.974+56.611=98.631 t·m。

計(jì)算傾覆安全系數(shù)K=∑M1/M0=98.631/39.628=2.488>1.5。

所用基礎(chǔ)滿足傾覆穩(wěn)定的要求。

本基礎(chǔ)采用M39地腳螺栓8根，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，M39地腳螺栓的有效面積為A=976 mm2，根據(jù)GB 50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，錨栓Q235的抗拉強(qiáng)度為140 MPa。

根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》，載荷效應(yīng)設(shè)計(jì)值

S=γGSG+γQSQ

式中：γG——永久載荷分項(xiàng)系數(shù)，γG=1.2；γQ——可變載荷分項(xiàng)系數(shù)，γQ=1.4；SG——永久載荷(kN)，SG=285.714 kN；SQ——可變載荷(kN),SQ=65 kN。

螺栓組載荷效應(yīng)設(shè)計(jì)值：S=1.2×285.714+1.4×6.5=351.956 kN。

每個(gè)螺栓的應(yīng)力設(shè)計(jì)值：σS=1 000×S/8/A=1 000×351.956/8/976=45.075 MPa<140 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

2 環(huán)形等徑混凝土支柱基礎(chǔ)選型

2.1 直埋基礎(chǔ)

直埋基礎(chǔ)是一般路基地段最常用的混凝土腕臂柱基礎(chǔ)型式，是將支柱下部埋入地基土中，通過回填土逐層夯實(shí)作為基礎(chǔ)，埋置深度一般為 3 000 mm。為了增加支柱地面以下部分與土體的接觸面積，提高土體對支柱的抗傾覆能力，使支柱具有良好的穩(wěn)定性，在土質(zhì)松散地段的支柱加設(shè)卡盤和底盤，并根據(jù)現(xiàn)場條件在基礎(chǔ)側(cè)面砌筑漿砌片石對基礎(chǔ)進(jìn)行加固?？ūP順線路方向放置于支柱的上部、下部，卡盤的數(shù)量及位置根據(jù)計(jì)算確定。該型基礎(chǔ)基坑開挖尺寸較小，有利于路基的穩(wěn)定性。一般路基地段混凝土柱直埋基礎(chǔ)，如圖2所示。

圖2 混凝土柱直埋基礎(chǔ)示意圖(mm)

2.2 井圈基礎(chǔ)

本線大部分線路位于騰格里沙漠南部，既有線側(cè)路基開挖至較深處時(shí)，路基全為細(xì)砂，當(dāng)受到外界擾動(dòng)(如既有線路通過列車或其他專業(yè)進(jìn)行大型機(jī)械)時(shí)，容易引起土體結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)行深度開挖時(shí)基坑塌方嚴(yán)重。采用傳統(tǒng)的木質(zhì)擋板進(jìn)行支護(hù)時(shí)，擋板極易變形、折斷，不能很好地?fù)踝∩巴?，基坑開挖難度增大，影響施工進(jìn)度。為確保既有線路基穩(wěn)定，不影響行車運(yùn)輸安全，在砂質(zhì)路基上采用混凝土井圈防護(hù)進(jìn)行基坑開挖，然后在井圈內(nèi)澆筑混凝土，使之起到了防護(hù)兼基礎(chǔ)的作用，不僅保證了施工安全，而且大大地改善了施工條件，提高了施工進(jìn)度。砂質(zhì)路基地段混凝土柱井圈基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 混凝土柱井圈基礎(chǔ)示意圖(mm)

3 硬橫跨鋼管柱基礎(chǔ)選型

3.1 剛性基礎(chǔ)

帶臺階的現(xiàn)澆混凝土基礎(chǔ)，是電氣化鐵路接觸網(wǎng)鋼支柱的主要基礎(chǔ)型式，基礎(chǔ)與支柱通過預(yù)埋的地腳螺栓連接，一般情況基礎(chǔ)底板的臺階高寬比不小于1.0，在地質(zhì)條件相對較好的條件下通常采用該類基礎(chǔ)。剛性基礎(chǔ)穩(wěn)定性好、施工方便、工期較短。但由于基礎(chǔ)底部需要闊挖，基坑開挖時(shí)對路基及邊坡擾動(dòng)較大，在此類基礎(chǔ)施工過程中要注意路基和邊坡的穩(wěn)定性。硬橫跨鋼管柱剛性基礎(chǔ)，如圖4所示。

圖4 硬橫跨鋼管柱剛性基礎(chǔ)示意圖(mm)

3.2 高頸基礎(chǔ)

本線增建二線大多數(shù)車站均是由既有的1條正線、2條到發(fā)線改造為2條正線和2條到發(fā)線。為保證既有線運(yùn)輸組織的正常運(yùn)行，在站場改造過程中勢必要在新增線路側(cè)先組立好新接觸網(wǎng)支柱。新建線路側(cè)存在地面與路基有明顯高差的情況，且受既有支柱的影響此時(shí)新建線路側(cè)路基又無法鋪設(shè)。為解決新建線路側(cè)地面與路基有明顯高差的情況，設(shè)計(jì)了高頸基礎(chǔ)。高頸基礎(chǔ)很好地解決了此類現(xiàn)場情況，但由于高頸基礎(chǔ)大部分暴露在地面之上，因此要做好防護(hù)工作，來增加高頸基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。硬橫跨鋼管柱高頸基礎(chǔ)，如圖5所示。

圖5 硬橫跨鋼管柱高頸基礎(chǔ)示意圖(mm)

3.3 淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)

砂質(zhì)路基地段硬橫跨鋼管柱一般采用淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)，淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)是利用上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)的垂直荷載、基礎(chǔ)自重及覆土重量來平衡柱底水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩。與剛性基礎(chǔ)相比，淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)埋深較淺，一般在2 m以內(nèi)，基礎(chǔ)底面積較大，基礎(chǔ)高度較小，在砂質(zhì)路基地段基坑淺，開挖簡單，基礎(chǔ)下沉量也較小。但由于其基礎(chǔ)底面積較大，在咽喉區(qū)等側(cè)面限界較小的地段會受到限制。砂質(zhì)路基地段硬橫跨鋼管柱淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)，如圖6所示。

圖6 硬橫跨鋼管柱淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)示意圖(mm)

3.4 井圈基礎(chǔ)

本線部分車站完全位于騰格里沙漠中，既有線側(cè)路基開挖至500～800 mm深時(shí)，路基便全為細(xì)砂，再進(jìn)行深度開挖時(shí)路基便塌方嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了既有線的行車安全，且在側(cè)面限界較小的地質(zhì)淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)也無法滿足實(shí)際施工的實(shí)施。為了解決砂質(zhì)路基嚴(yán)重塌方及側(cè)面限界限制問題，設(shè)計(jì)了硬橫跨鋼管柱井圈基礎(chǔ)。

硬橫跨鋼管柱井圈基礎(chǔ)底部采用井圈來防止路基的塌方，上部采用Γ字型設(shè)計(jì)來平衡柱底水平荷載產(chǎn)生的傾覆力矩。硬橫跨鋼管柱井圈基礎(chǔ)，如圖7所示。

圖7 硬橫跨鋼管柱井圈基礎(chǔ)示意圖(mm)

綜合以上各種地質(zhì)及工況，接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型，如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型表

4 拉線基礎(chǔ)

本工程拉線基礎(chǔ)主要分為兩種，一種為接觸導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)，另一種為附加導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)。接觸導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)為混凝土基礎(chǔ)，附加導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)為錨板基礎(chǔ)。接觸導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)，如圖8所示，附加導(dǎo)線錨板基礎(chǔ)，如圖9所示。

圖8 接觸導(dǎo)線拉線基礎(chǔ)(mm)

圖9 附加導(dǎo)線錨板基礎(chǔ)(mm)

5 結(jié)束語

接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型的合理性，對于降低工程造價(jià)，縮短工程建設(shè)周期，保證既有鐵路運(yùn)營安全至關(guān)重要。通過對接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)選型的分析，可以看出各種類型的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)選型要結(jié)合具體工程實(shí)際工況確定。本文設(shè)計(jì)的幾種主要接觸網(wǎng)基礎(chǔ)形式—直埋基礎(chǔ)、剛性基礎(chǔ)、高頸基礎(chǔ)、淺埋擴(kuò)展基礎(chǔ)、井圈基礎(chǔ)，能滿足現(xiàn)場各類施工工況，可為今后類似電氣化鐵路工程中接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)及選型提供參考。

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Design and Selection of Foundation of Overhead Contact System of Gantang-Wuwei Electrified Railway

HE Guojun

(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co., Ltd.，Beijing 102600， China)

Gantang-Wuwei railway is the first electrified railway in the desert. Since the main geology of the line is desert, the engineering geological condition is poor. In the process of foundation construction for overhead contact system (OCS) of the existing Gantang-Wuwei electrified railway, the foundation pit collapsed seriously when the deep excavation is carried out on the existing subgrade because the external disturbance easily causes the damage of the soil structure. In order to ensure the stability of the existing subgrade, not to affect the safety of traffic transportation, and meet the demand of OCS foundation design for electrified railway. the several main types of OCS foundations used for the reform of new second line of Gantang-Wuwei electrified railway are designed-direct burial foundation, rigid foundation, high-neck foundation, shallow spread foundation, concrete ring foundation and so on from the point of view of the construction site, according to the geological conditions of the project and combined with the electrification reform of the existing lines. According to different conditions, characteristics and applicability of all kinds of foundations in the project are analyzed. The conditions of site construction show that all kinds of foundations can adapt to different conditions,which provides references for design and selection of mast foundation of overhead contact system in the similar electrified railway engineering in the future.

Mast foundation; concrete ring foundation; shallow spread foundation; electrified railway

2016-02-29

何國軍(1986-)，男，工程師。

1674—8247(2016)03—0054—05

U225.4+2

A