巴基斯坦拉合爾橙線軌道項目作為巴基斯坦國內(nèi)開工建設的首個城市軌道交通項目，是“中巴經(jīng)濟走廊”早期收獲和示范性項目，其成功實營不僅將對中巴兩國具有重要意義，也將對“一帶一路”和“中巴經(jīng)濟走廊”的其它項目起到示范性作用。根據(jù)合同文件規(guī)定，本項目車輛、軌道及各機電系統(tǒng)由中方負責完成，采用中國技術(shù)標準和設備，橋梁、路基及房建結(jié)構(gòu)由巴方負責完成，采用歐美標準。

1 工程概況

本項目全線長約25.58km，其中地下線1.290km，地下線路與高架線路過渡段0.722km，高架線路23.568km，全線橋梁長度約21.979km，占全線長度80.8%；沿線設24座高架車站、2座地下車站及2座132/33kV主變電站，線路北端設車輛段1座，線路南端設停車場1座，設有控制中心和安全中心1座，位于車輛段。

2 橋梁設計方案[1]

高架區(qū)間梁、墩、承臺及樁基設計。本項目標準區(qū)間采用單線U型梁結(jié)構(gòu)形式，道岔梁采用雙線U型梁結(jié)構(gòu)形式，典型單線U型梁結(jié)構(gòu)形式如圖1。選擇30m 梁為標準跨度梁，選擇20m、25m跨度梁為配跨梁，個別跨公路或鐵路的控制工點采用非標準跨布置或其他大跨度橋梁；橋梁整體高度達到15m。高架區(qū)間橋墩采用圓柱形獨柱墩；橋墩結(jié)構(gòu)由預應力混凝土頂帽和鋼筋混凝土墩身組成，頂帽預制施工，墩身現(xiàn)場澆筑，頂帽與墩身采用拼裝連接；橋墩基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁，鉆孔樁樁長范圍在28～48m 之間；承臺基礎(chǔ)規(guī)格為11.8m(長)×7m(寬)×1.85m（厚），承臺頂部距地面0.5m。

圖1 單線U型梁結(jié)構(gòu)形式

高架區(qū)間附屬設施。高架區(qū)間附屬設施有整體道床、疏散平臺、疏散平臺金屬護欄、通信信號等弱電電纜槽、通信信號天線、強電電纜支架、接觸軌、接觸軌保護罩及其避雷器等。

3 高架區(qū)間防雷接地設計[2-7]

3.1 防雷接地設計標準及需求

本項目線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側(cè)比橋梁高的建筑不是太多，部分區(qū)段穿越空曠地帶，有些區(qū)間兩側(cè)還有地方電力公司的架空線路。因此，為了保證高架區(qū)間機電設備正常工作、橋梁附屬設施及區(qū)間維修人員的安全，需要設置可靠的防雷接地系統(tǒng)。本項目高架區(qū)間及其構(gòu)筑物按照第二類防雷標準設計。

高架區(qū)間防雷接地的主要需求有疏散平臺金屬護欄、安裝于中間檢修平臺的通信信號天線（間隔300m）、接觸軌保護罩和避雷器（間隔300m）、強電電纜支架等。除了通信信號天線和疏散平臺金屬欄桿高出疏散平臺外，其余附屬設施均安裝于U梁表面或側(cè)壁，其中通信信號天線自帶避雷針，只需預留雷電流泄放通道即可，其余附屬設施提供接地引下通道即可。因此，區(qū)間防雷部分主要考慮凸出疏散平臺的金屬欄桿及橋梁疏散平臺表面；對于高架區(qū)間的輕軌車輛而言，可以看做是一個法拉第籠，可以保護車內(nèi)乘客的安全，沒有雷擊風險。本項目中整體澆筑的大跨區(qū)段、車站出入斷線道岔區(qū)橋墩和梁體較少，考慮到巴方土建施工預留的難度及施工水平，該部分在選擇區(qū)間防雷接地引下時有效避開，其余標準橋墩和U型梁體均選擇作為高架區(qū)間防雷接地引下通道。

圖2 典型高架區(qū)間防雷接地系統(tǒng)示意圖

3.2 接閃器

本項目高架區(qū)間采用雙U梁方案，疏散平臺設置在外側(cè)，疏散平臺外側(cè)設有1.2m 高的金屬欄桿，利用金屬欄桿作為接閃器，金屬欄桿在區(qū)間伸縮縫或有斷開的位置采用熱鍍鋅扁鋼連接以保證電氣連通；因高架區(qū)間U梁表面預埋了雜散電流端子，為防止雜散電流通過防雷引下線導入大地從而對橋墩內(nèi)鋼筋造成腐蝕，對土建提出金屬欄桿底部固定件與U梁平臺采用絕緣處理的要求。每隔30m 分別用熱鍍鋅扁鋼將作為接閃器的金屬欄桿與U梁預埋接地端子可靠連接，以保障因接閃帶過長易引起高電位反擊的問題。

3.3 防雷引下線

U梁防雷引下棒預埋。本項目中區(qū)間雜散電流通過軌道道床和U梁表面內(nèi)鋼筋電氣通路回收至車站軌電位設備，為防止軌道雜散電流沿防雷引下通路導入大地，造成對橋墩基礎(chǔ)鋼筋的腐蝕，防雷接地引下線需與U梁表面內(nèi)鋼筋完全絕緣?？紤]到U梁為巴方土建整體預制，且架梁時無法保證按順序進行，因此每片U梁端頭均預埋防雷引下棒，具體埋設方案為在每片U梁內(nèi)靠近端頭30cm（避開梁面吊裝孔）位置處分別預埋2處不同長度規(guī)格的防雷引下棒，一處預埋于弱電電纜槽內(nèi)，一處預埋于U梁內(nèi)側(cè)斜坡位置，分別用于弱電接地和強電接地；防雷引下棒采用不銹鋼材質(zhì)，并在外層套一根硬質(zhì)PVC管，以保證與U梁內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋絕緣；防雷引下棒兩端預留螺母和螺絲，以便于后期防雷引下時采用電纜或鍍鋅扁鋼連接。

圖3 U梁防雷引下棒預埋（左側(cè)為雜散電流端子）

圖4 U梁與蓋梁防雷引下線電纜軟連接

引下線連接電纜。全線除大跨度的位置梁體采用整體澆筑外，其余部分U梁均采用預制，U梁與蓋梁之間通過橋梁支座固定，無法實現(xiàn)U梁內(nèi)預埋接地棒與蓋梁頂部預留防雷引下線端子直接連接，本項目中采用易于現(xiàn)場施工的軟電纜連接方案，從而實現(xiàn)了U梁內(nèi)預留接地引下端子與橋墩內(nèi)用于防雷引下鋼筋之間的電氣連通。

墩臺引下線。本項目中蓋梁亦采用預制方案，預制時在蓋梁中心位置預留28個圓孔，作為橋墩內(nèi)預埋的用于固定蓋梁的鋼筋組（28根），選擇該鋼筋組內(nèi)的其中4根作為防雷引下線；由于固定蓋梁的鋼筋組是埋在橋墩中心位置，與橋墩一周的鋼筋之間無電氣連通條件，與巴方土建配合階段提出固定蓋梁鋼筋組內(nèi)與橋墩周邊內(nèi)用于防雷引下的兩根直徑不小于16mm 鋼筋進行可靠焊接，從而確保橋墩內(nèi)防雷引下線的貫通性。

3.4 接地極

分別選擇橋墩承臺和樁基內(nèi)的2根直徑不小于16mm的主鋼筋作為自然接地體，兩者之間可靠焊接，并與橋墩內(nèi)用于防雷引下的2根直徑不小于16mm的主鋼筋可靠焊接，從而確保高架區(qū)間防雷接地系統(tǒng)的電氣連通性和有效性。要求每個橋墩的接地電阻值不大于10歐姆，并在橋墩基礎(chǔ)距地面標高0.5m 處設接地電阻監(jiān)測點。

4 高架區(qū)間防雷接地計算

4.1 防雷保護范圍計算

將高架區(qū)間用作接閃器的疏散平臺金屬護欄等效為通長的兩根等高接閃線，采用滾球法計算防雷保護范圍。根據(jù)《防雷接地設計規(guī)范》（GB50027-2010）附錄D.0.5和D.0.6相關(guān)計算公式進行計算。計算選擇參數(shù)：接閃線高度h=16.2m，第二類防雷標準滾球半徑hr=16.2m，被保護物的高度hx=15m，接閃線間距D=12m。

圖5 承臺和樁基接地鋼筋焊接

疏散平臺表面兩根接閃線外側(cè)保護范圍按照單根接閃線計算方法進行計算，接閃線在hx高度xx'平面的保護寬度bx計算結(jié)果為：由結(jié)算結(jié)果可知，每側(cè)U梁疏散平臺利用金屬護欄作為接閃器，U梁靠近外側(cè)部分處在接閃器保護范圍之內(nèi)。

疏散平臺表面兩根接閃線之間的保護范圍最低點的高度計算結(jié)果為：

由結(jié)算結(jié)果可知，兩根接閃線之間保護范圍最低點為0.8米，利用疏散平臺金屬護欄作為接閃器可以保護U梁表面0.8m 高度之內(nèi)的設施。

4.2 接地電阻計算

4.2.1 土壤電阻率的折算

計算雷電保護接地裝置所采用的土壤電阻率按照公式ρ=ρ0×φ 計算，式中ρ0為實際測試的土壤電阻率；φ為土壤干燥時的季節(jié)系數(shù)。根據(jù)巴方地質(zhì)提供的土壤電阻率資料，全線橋墩承臺埋深2.5m的實測土壤電阻在25～35Ω·m 之間，計算時ρ0=30(Ω·m)按取值。測試土壤電阻率時土壤比較潮濕，季節(jié)系數(shù)按照表《工業(yè)與民用配電手冊》（第四版）表14.6-15的較大值考慮，即φ=1.1，折算后計算用土壤電阻率為：ρ=30×1.1=33(Ω·m)。

4.2.2 接地電阻值計算

根據(jù)《工業(yè)與民用配電手冊》（第四版）表14.6-2所示，不考慮多層土壤電阻率的影響，用簡易估算法對高架區(qū)間利用橋墩承臺和樁基內(nèi)結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地體時的接地電阻進行計算。

式中V為橋墩承臺和樁基基礎(chǔ)所包圍的體積總和，其中樁基深度按照30m 考慮，每個橋墩承臺對應6根樁基基礎(chǔ)。

4.3 接地電阻測試結(jié)果

工程實施完成后在預留接地電阻測試點對用作防雷接地的高架區(qū)間橋墩進行了接地電阻測試，選擇不同高架區(qū)間部分測試結(jié)果見表1。表中結(jié)果表明，實測接地電阻值小于通過簡易估算法得出的計算結(jié)果，主要原因在于多層土壤電阻率和混凝土基礎(chǔ)所包圍體積的影響，估算結(jié)果可作為一個設計參考依據(jù)。實測結(jié)果表明，利用橋墩承臺和樁基內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋作為自然接地極，接地電阻值遠遠小于設計所要求的10歐姆，具有良好的接地效果。

5 結(jié)語

巴基斯坦拉合爾橙線軌道交通項目全線橋梁長度約21.979km，占全線長度80.8%；線路走向主要沿著市政主干道，沿線路兩側(cè)比橋梁高的建筑不是太多，部分區(qū)段穿越空曠地帶，有些區(qū)間兩側(cè)還有地方電力公司的架空線路，易受雷擊，同時橋梁表面附屬設施眾多。因此，為了保證高架區(qū)間機電設備正常工作、橋梁附屬設施及區(qū)間維修人員的安全，設置安全可靠的防雷接地系統(tǒng)是非常有必要的。

表1 接地電阻測試表