楊 佳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

隨著我國(guó)中西部地區(qū)建設(shè)的飛速發(fā)展，大量山區(qū)電氣化鐵路如貴廣、云桂、川藏、滇藏、成蘭鐵路等已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)或?qū)㈥懤m(xù)建成。這些鐵路途徑高山深谷，人跡罕至，多次穿越地震斷裂帶，跨越大江大河。沿線接觸網(wǎng)工程將面臨高海拔、長(zhǎng)大坡道、特長(zhǎng)隧道(群)、大峽谷、高地震烈度、高地?zé)帷⒋鬁夭?、重覆冰以及?qiáng)日照等復(fù)雜艱險(xiǎn)的嚴(yán)酷環(huán)境，對(duì)于無(wú)備用的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、建設(shè)、應(yīng)急搶修和運(yùn)營(yíng)維護(hù)等工作來(lái)說(shuō)異常困難。

2 復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境

基于電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的服役特性，總結(jié)、分析復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)各種地形、地質(zhì)及氣候環(huán)境特征，可將影響山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境歸納為3大特征：復(fù)雜的地形地貌、頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害和極端的氣候環(huán)境[1]，統(tǒng)計(jì)后主要環(huán)境特征見(jiàn)表1。

3 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.1 高海拔

隨著海拔增加，大氣密度降低、紫外線增強(qiáng)，沿線以及隧道內(nèi)還伴隨著高濕度、高地?zé)岬拳h(huán)境，主要影響接觸網(wǎng)電氣性能，具體應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表2。

表1 復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)工程環(huán)境特征

表2 高海拔環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.2 長(zhǎng)大坡道

連續(xù)超長(zhǎng)大坡道主要影響接觸網(wǎng)電分相設(shè)置、懸掛參數(shù)及列車啟動(dòng)、制動(dòng)等，具體應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表3。

表3 長(zhǎng)大坡道環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.3 特長(zhǎng)隧道(群)

特長(zhǎng)隧道(群)數(shù)量較多時(shí)，列車頻繁進(jìn)出隧道、隧道施工工法及隧道內(nèi)(口)處微氣候環(huán)境等均影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具體應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表4。

3.4 大峽谷

山高谷深易導(dǎo)致峽谷風(fēng)盛行，復(fù)雜的地形地貌對(duì)風(fēng)速影響極大，峽谷風(fēng)的加速、越山風(fēng)的紊流及山體斜坡風(fēng)爬坡效應(yīng)比較明顯，風(fēng)向、風(fēng)速時(shí)空差異較大，相應(yīng)的峽谷風(fēng)荷載對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)影響較大，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

(1)峽谷風(fēng)荷載方面：考慮峽谷風(fēng)特征和風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)，合理選取風(fēng)荷載設(shè)計(jì)參數(shù)[6]；基于風(fēng)-橋-柱-網(wǎng)-弓動(dòng)態(tài)耦合作用，結(jié)合列車風(fēng)雨限速規(guī)則，考慮接觸網(wǎng)正常(列車運(yùn)行)和非正常(列車停運(yùn))工作狀態(tài)。

(2)供電饋線方面：優(yōu)化供電方案、所亭位置以及供電線路徑，盡量避開(kāi)復(fù)雜的峽谷地形；采取輸電大鐵塔方案，采取可靠性高、載流量大的導(dǎo)線，增大檔距、減少塔基。

表4 超長(zhǎng)隧道(群)環(huán)境下接觸網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.5 高地震烈度

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路沿線多發(fā)生錯(cuò)斷、震壞和地震次生災(zāi)害，地震動(dòng)峰值加速度甚至大于0.4g，接觸網(wǎng)工程應(yīng)充分考慮抗震以及減震、隔震設(shè)計(jì)，具體應(yīng)對(duì)措施主要如下。

(1)合理選取地震設(shè)計(jì)波形，考慮強(qiáng)震環(huán)境下“基礎(chǔ)+支柱+腕臂定位+導(dǎo)線+墜砣”共同耦合作用。

(2)滿足“大震不倒、中震可修、小震不壞”設(shè)防目標(biāo)，差異化設(shè)計(jì)接觸網(wǎng)服役功能需求。

(3)支柱宜選用抗震性能好、易于搶修的法蘭連接形輕型鋼管柱，支柱的自振周期應(yīng)避免與橋梁土建結(jié)構(gòu)等自振周期接近[7]。

(4)接觸網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)考慮抗震系數(shù)修正，包括鋼結(jié)構(gòu)件的承載力、地基抗震承載力以及錨栓有效錨固深度等[8]。

3.6 極寒、頻繁大溫差

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)特別是高海拔地區(qū)空氣稀薄，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，日照長(zhǎng)，形成日溫差大且頻繁，陰坡與陽(yáng)坡溫差大等特點(diǎn)。接觸網(wǎng)系統(tǒng)面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題主要包括極端溫度、頻繁大溫差環(huán)境下接觸懸掛參數(shù)設(shè)計(jì)，材料、零部件選型及加工工藝等，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

(1)懸掛參數(shù)方面：充分考慮溫度變化引起的線索長(zhǎng)度、弛度變化，應(yīng)適當(dāng)縮短跨(檔)距、錨段(耐張段)長(zhǎng)度，加大線索或裝備間距離；考慮晝夜溫差、天氣急劇變化引起的大溫差且溫度變化頻繁等特點(diǎn)，考慮接觸網(wǎng)系統(tǒng)的張力偏差以及補(bǔ)償裝置的工作行程、往返頻次等影響。

(2)材料及裝備方面：優(yōu)先選用鋁合金、銅合金及不銹鋼等有色金屬或耐候鋼[9]；合理選擇鋼結(jié)構(gòu)材質(zhì)等級(jí)，避免選用Q235A、Q235B.F[10]，優(yōu)選模鍛件；合理進(jìn)行熱處理，嚴(yán)格控制構(gòu)件金相和焊縫低溫等性能，提高產(chǎn)品質(zhì)量；考慮溫差大、溫度變化頻繁等特點(diǎn)，選取高可靠性、耐疲勞的接觸懸掛及補(bǔ)償裝置。

3.7 凍土

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路沿線伴有季節(jié)性凍土，不同深度的凍土直接影響接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)及接地設(shè)計(jì)，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

(1)支柱基礎(chǔ)：優(yōu)先采取與土建同步施工預(yù)留方案，降低后期基礎(chǔ)施工難度以及對(duì)路基防護(hù)的破壞程度；采用受凍脹及融沉影響小的機(jī)械鉆孔樁基礎(chǔ)，樁基穿透土壤凍結(jié)深度；采用高等級(jí)、防水、抗凍脹及耐寒混凝土，在基礎(chǔ)周圍涂抹防凍劑；基礎(chǔ)設(shè)計(jì)考慮凍脹切向力和融沉承載力，適當(dāng)加大基礎(chǔ)埋深，合理優(yōu)化基礎(chǔ)外形結(jié)構(gòu)[11]。

(2)接地方案：接地線采用韌性較好的柔軟絞線，避免設(shè)置在凍土層中避免在凍土解凍時(shí)斷裂、破壞；充分考慮凍土解凍前后引起的土壤電阻率的變化，準(zhǔn)確進(jìn)行接地電阻值的校核[12]。

3.8 重覆冰

覆冰對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的影響主要包括：接觸網(wǎng)系統(tǒng)本身結(jié)冰、融冰前后的自身影響；沿線接觸網(wǎng)附近物體結(jié)冰時(shí)、融冰后對(duì)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的外部影響，具體應(yīng)對(duì)措施見(jiàn)表5。

表5 重覆冰環(huán)境關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題及應(yīng)對(duì)措施

3.9 強(qiáng)雷電

隧道外接觸網(wǎng)多裸露在空曠地帶，高于周邊地形或位于高山峽谷地段，接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)主要面臨的問(wèn)題在于艱險(xiǎn)無(wú)人區(qū)雷電環(huán)境資料的獲取，以及復(fù)雜多變線路的差異化防雷等，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

(1)收集沿線雷暴日、地閃密度等相關(guān)資料，有效開(kāi)展差異化防雷設(shè)計(jì)。

(2)結(jié)合“V”形峽谷等特殊地形地貌，科學(xué)進(jìn)行接觸網(wǎng)防雷設(shè)計(jì)[16]。

(3)優(yōu)化隧道群間接觸導(dǎo)線、回流導(dǎo)線、架空地線、避雷線以及供電線等多種導(dǎo)線合架時(shí)布置方案。

3.10 施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)電氣化鐵路沿線氣候環(huán)境極其惡劣，氧氣稀薄、生活和交通極其不便，接觸網(wǎng)施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)困難，面臨極其嚴(yán)峻的考驗(yàn)，應(yīng)充分考慮施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的方便、快捷和可靠性，具體應(yīng)對(duì)措施如下。

3.10.1 施工方面

(1)系統(tǒng)化：結(jié)合沿線地理環(huán)境、生產(chǎn)生活設(shè)施，科學(xué)合理編制施工組織方案，研究各種復(fù)雜、惡劣工況下的施工方案及工法工藝。

(2)一體化：基礎(chǔ)優(yōu)先采取與土建同步預(yù)留施工；采用精細(xì)化的預(yù)配工藝，進(jìn)行工廠化預(yù)裝、集成，減少現(xiàn)場(chǎng)二次組裝或返工。

(3)輕型化：支柱等構(gòu)件宜考慮輕型、便于運(yùn)輸；裝備宜考慮質(zhì)量輕、易于搬運(yùn)和安裝。

(4)機(jī)械化、智能化、信息化[17]：采用機(jī)械鉆孔或打樁基礎(chǔ)；采用GIS、BIM等信息化手段[18]；采用數(shù)字化、智能化的接觸網(wǎng)測(cè)量、打孔、裝配以及放線等先進(jìn)裝備。

3.10.2 運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面

(1)結(jié)合高海拔、無(wú)人區(qū)等特點(diǎn)，合理規(guī)劃搶修、運(yùn)營(yíng)、檢測(cè)、維修等運(yùn)營(yíng)維護(hù)體系，提高應(yīng)急搶修救援策略。

(2)結(jié)合地形地貌、站區(qū)分布、生活條件等，合理設(shè)置運(yùn)營(yíng)維護(hù)機(jī)構(gòu)和車輛、設(shè)備。

(3)結(jié)合高海拔低溫、低壓、缺氧、交通極不便、長(zhǎng)大坡道以及隧道等惡劣條件，配備制氧、醫(yī)療等生活設(shè)施[19]，配置快捷、智能化的高性能作業(yè)車輛、工機(jī)具。

(4)設(shè)置6C、PHM及監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)等接觸網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)工程面臨著多項(xiàng)技術(shù)難題，基于接觸網(wǎng)服役性能，通過(guò)總結(jié)和分析其面臨的關(guān)鍵技術(shù)及薄弱點(diǎn)，研究并提出應(yīng)對(duì)措施，為復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和技術(shù)保障。同時(shí)，為了全面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)可適應(yīng)性、高可靠性、長(zhǎng)耐久性、少維修或免維護(hù)的目標(biāo)，下一步還亟待開(kāi)展系列研究工作，至少包括以下3個(gè)方面。

(1)加強(qiáng)對(duì)復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境的勘測(cè)調(diào)查和收集整理，逐步建立和完善接觸網(wǎng)服役環(huán)境數(shù)據(jù)；充分研究影響接觸網(wǎng)服役的環(huán)境對(duì)象，掌握風(fēng)、雨、冰、雪等特性及影響機(jī)理，準(zhǔn)確量化指標(biāo)，合理確定設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)邊界條件。

(2)基于土建結(jié)構(gòu)全方位研究接觸網(wǎng)在各種環(huán)境作用下或多環(huán)境共同作用下的工作機(jī)理和服役特性，系統(tǒng)化、差異化開(kāi)展設(shè)計(jì)。

(3)深入研究機(jī)械化、智能化、信息化施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)，建立防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急恢復(fù)體制，構(gòu)建適用于復(fù)雜艱險(xiǎn)環(huán)境下的接觸網(wǎng)成套技術(shù)體系，全方位保障復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)電氣化鐵路的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。