王溢斐

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300000）

1 研究背景

城市軌道交通接觸網(wǎng)安裝，傳統(tǒng)上多采用化學(xué)錨栓在隧道結(jié)構(gòu)上鉆孔安裝，這種方式在施工中可能碰到結(jié)構(gòu)鋼筋而損傷隧道結(jié)構(gòu)。深圳地鐵9號線是國內(nèi)首條在盾構(gòu)區(qū)間采用全環(huán)預(yù)埋槽道技術(shù)的地鐵項目，目前越來越多的城市在新建地鐵項目上開始采用這項技術(shù)。預(yù)埋槽道的優(yōu)點為：減少機電安裝對土建結(jié)構(gòu)的破壞，提高土建結(jié)構(gòu)的耐久性，縮短機電安裝的工期[1-3]。

從目前國內(nèi)地鐵工程預(yù)埋槽道的情況來看，內(nèi)徑小于5 500 mm的盾構(gòu)隧道一般在每環(huán)管片上均預(yù)埋全環(huán)單槽道，各機電專業(yè)均利用預(yù)埋的全環(huán)單槽道進(jìn)行安裝，接觸網(wǎng)剛性懸掛安裝如圖1所示。

圖1 深圳9號線單槽道懸掛接觸網(wǎng)Figure 1 Single channel suspension OCS in Shenzhen Line 9

上海地鐵盾構(gòu)隧道內(nèi)徑為5 900 m，盾構(gòu)隧道采用通縫管片，在軌道上方封頂塊局部為接觸網(wǎng)預(yù)埋了雙槽道。隨著軌道交通的迅速發(fā)展，很多地區(qū)的地鐵工程盾構(gòu)隧道開始采用內(nèi)徑5 900 mm的錯縫管片，如杭紹線、紹興1號線、廈門地鐵等。由于盾構(gòu)機推進(jìn)過程中管片旋轉(zhuǎn)錯縫拼裝，使隧道頂部局部為接觸網(wǎng)預(yù)埋雙槽道的施工難度變大，如果全環(huán)預(yù)埋雙槽道則投資成本較高，所以高凈空盾構(gòu)隧道當(dāng)采用錯縫拼裝管片時，是否有必要單獨為接觸網(wǎng)專業(yè)預(yù)埋雙槽道，就需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計算分析。

2 高凈空剛性懸掛接觸網(wǎng)安裝方案

2.1 方案1：預(yù)埋雙槽道安裝

上海地鐵9號線三期東延伸、上海地鐵13號線二期的盾構(gòu)隧道采用通縫管片，軌道上方封頂塊預(yù)埋雙槽道(見圖2)。該方案美觀性好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，槽道抗彎性好，后期運營檢修方便。

圖2 預(yù)埋雙槽道的懸掛方式Figure 2 Suspension method on Double channel

當(dāng)盾構(gòu)隧道采用錯縫旋轉(zhuǎn)拼裝方案時，如采用全環(huán)預(yù)埋雙槽道，則投資較高。若能優(yōu)化管片施工工藝，每隔7環(huán)(管片寬度1.2 m時)在隧道頂部為接觸網(wǎng)局部預(yù)埋雙槽道，則能有效降低槽道投資。

2.2 方案2：利用相鄰槽道支架安裝

利用相鄰兩個管片的單槽道安裝(見圖3)[4]，跨距能夠調(diào)節(jié)，與錨段關(guān)節(jié)處安裝方式一致，利用兩排單槽道，穩(wěn)定性好，抗彎能力強。但該方案美觀性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全線大范圍跨管片安裝，若管片錯移、沉降變形，會造成接觸網(wǎng)吊架結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，使接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在較大的安全隱患，運營監(jiān)測成本較大，后期運營檢修不太方便。因此，不建議全線大范圍采用這種安裝形式。

圖3 利用相鄰槽道支架的安裝方式Figure 3 Use of adjacent channel and bracket installation method

2.3 方案3：利用相鄰槽道加斜撐

利用相鄰兩個管片的單槽道安裝[5-6]，吊柱順線路方向設(shè)斜撐(見圖4)，改善剛性懸掛吊柱受力，槽道、T螺栓受彎矩影響較小。但該方案美觀性差，結(jié)構(gòu)受壓性差，全線大范圍跨管片安裝，若管片錯移、沉降變形，則接觸網(wǎng)系統(tǒng)存在較大的安全隱患，運營監(jiān)測成本較大。因此，不建議全線大范圍采用這種安裝形式。

圖4 利用相鄰槽道加斜撐的安裝方式Figure 4 Use of adjacent channels and diagonal bracing installation

方案2、3均利用兩個相鄰盾構(gòu)管片的單槽道作穩(wěn)定支持結(jié)構(gòu)，但均需要跨管片安裝，所以接觸網(wǎng)安全隱患較大，不宜全線大范圍采用這兩種安裝方式。

結(jié)合目前國鐵、地鐵高凈空隧道內(nèi)預(yù)埋槽道的應(yīng)用情況，從系統(tǒng)安全穩(wěn)定的角度考慮，高凈空盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)的安裝，建議采用在同一管片上預(yù)埋雙槽道的懸掛方案，即方案1。

3 剛性懸掛接觸網(wǎng)的受力分析

剛性懸掛接觸網(wǎng)的懸掛定位裝置，一般由匯流排定位線夾、絕緣子、懸吊槽鋼等零件構(gòu)成。匯流排通過定位線夾，與隧道頂部槽鋼等裝置固定連接。在設(shè)計安裝時，考慮到匯流排在長時間運行過程中會出現(xiàn)輕微位移，所以定位線夾與匯流排之間留有一定間隙，允許匯流排在線夾槽內(nèi)滑動，以適應(yīng)其因溫度變化而引起的順線路方向的位移變化。

但是，隧道內(nèi)環(huán)境比較潮濕，空氣中水分多，使定位線夾與匯流排零部件氧化嚴(yán)重，零件表面氧化銹蝕會增大摩擦系數(shù)，容易引起匯流排線夾卡滯[7]，如圖5所示。

圖5 剛性接觸網(wǎng)匯流排線夾卡滯Figure 5 Case of rigid catenary stuck on site

匯流排線夾一旦發(fā)生卡滯，當(dāng)匯流排熱脹冷縮時，會使接觸網(wǎng)懸掛裝置承受順線路方向的較大剪力。當(dāng)溫度變化時，匯流排因溫度變化所引起的變化量[7-8]如下：

式中，ΔL為匯流排隨溫度變化的伸縮量，L為計算懸掛點至中錨的距離，Δt為溫度變化量，a為匯流排的線膨脹系數(shù)。

剛性懸掛接觸網(wǎng)對槽道、T螺栓的作用力，主要體現(xiàn)在由順線路方向剪力所引起的彎矩造成的影響。當(dāng)匯流排線夾出現(xiàn)卡滯等不利情況時，匯流排熱脹冷縮會產(chǎn)生較大的剪力，在高凈空時，單槽道懸掛接觸網(wǎng)產(chǎn)生的彎矩較大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

接觸網(wǎng)無備用，安全等級要求高，預(yù)埋槽道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性直接影響到接觸網(wǎng)懸掛系統(tǒng)的穩(wěn)定性。接觸網(wǎng)是帶電體，如果順線路方向剪力造成的彎矩過大，將會導(dǎo)致接觸網(wǎng)吊架變形或者跌落而使行車中斷，威脅人身安全，造成嚴(yán)重后果。因此，安全性是接觸網(wǎng)設(shè)計所考慮的最重要的因素之一。

4 高凈空預(yù)埋槽道的受力計算

以杭紹線為例，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5 900 mm，軌面至隧道頂凈空 4 950 mm，接觸網(wǎng)懸掛點距軌面高度4 100 mm；預(yù)埋槽道槽鋼本體厚度20 mm，寬度30 m；錨桿外徑不小于10 mm，錨桿長度不小于60 mm；配套T型螺栓直徑為12 mm。

采用ANSYS軟件分析，模型采用體單元建模[9-10]，考慮了螺栓與槽道間的摩擦以及螺栓的預(yù)緊力。

4.1 高凈空單槽道懸掛方式的受力計算

剛性懸掛接觸網(wǎng)每個懸掛點的垂直荷載為5 kN，作用于匯流排定位線夾處順線路方向的剪切荷載為3 kN，垂直線路方向的剪切荷載為1 kN，建立單槽道剛性懸掛模型如圖6所示。

圖6 單槽道剛性懸掛模型Figure 6 A single channel rigid suspension model

經(jīng)過有限元仿真計算的槽道應(yīng)力如圖7所示，最大應(yīng)力為1 393 MPa，最大應(yīng)力集中出現(xiàn)在槽道牙口范圍，超過厚度的2/3，該單槽懸掛結(jié)構(gòu)受力不安全。

圖7 槽道應(yīng)力分布(剪力3 kN)Figure 7 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

考慮到剛性懸掛針式絕緣子彎曲破壞荷載為9 kN，因此計算槽道極限受力時作用在匯流排線夾處順線路方向的最大水平剪切荷載按9 kN考慮，槽道應(yīng)力分布如圖8所示，最大應(yīng)力為2 263 MPa，較大應(yīng)力集中出現(xiàn)在槽道牙口與T型螺栓連接處，超過1 000 MPa的應(yīng)力基本貫穿在整個槽道。錨桿應(yīng)力分布如圖9所示，錨桿最大應(yīng)力 1 407 MPa，集中在錨桿根部，錨桿受力不安全。

圖8 槽道應(yīng)力分布(剪力9 kN)Figure 8 Channel stress distribution diagram (Shear force 9 kN)

圖9 錨桿應(yīng)力分布(剪力9 kN)Figure 9 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

通過正常荷載及最不利荷載條件下的有限元受力計算可以看出，高凈空單槽道懸掛安裝接觸網(wǎng)，受力不滿足安全要求，存在安全隱患。

4.2 高凈空雙槽道懸掛方式的受力計算

雙槽道間距為 300 mm，剛性懸掛接觸網(wǎng)每個懸掛點的垂直荷載為5 kN，作用于匯流排定位線夾處順線路方向的剪切荷載為3 kN，垂直線路方向的剪切荷載為1 kN。建立雙槽道剛性懸掛模型，如圖10所示。

圖10 雙槽道剛性懸掛模型Figure 10 The double-channel rigid suspension model

通過有限元仿真計算槽道應(yīng)力，如圖11所示。最大應(yīng)力范圍很小，不超過一個單元的范圍；而大部分區(qū)域的應(yīng)力基本在200 MPa以下，槽道整體受力安全。

圖11 槽道應(yīng)力分布(剪力3 kN)Figure 11 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

錨桿應(yīng)力分布如圖12所示，錨桿的應(yīng)力主要集中在150～200 MPa范圍，錨桿整體受力安全。

圖12 錨桿應(yīng)力分布(剪力3 kN)Figure 12 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 3 kN)

當(dāng)作用在匯流排線夾處順線路方向的最大水平剪切荷載按9 kN考慮時，槽道應(yīng)力分布如圖13所示。槽道整體的應(yīng)力為231～465 MPa，應(yīng)力大部分集中在槽道上部范圍，總體來看槽道在最大荷載下受力安全。

圖13 槽道應(yīng)力分布(剪力9 kN)Figure 13 Channel stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

錨桿應(yīng)力分布如圖 14所示，大部分沒有超過200 MPa。最大應(yīng)力為472 MPa，但超過屈服應(yīng)力的范圍很小，整體可以忽略?？傮w來看，錨桿在最大荷載下受力安全。

圖14 錨桿應(yīng)力分布(剪力9 kN)Figure 14 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

在正常荷載及最不利荷載條件下，通過有限元受力計算可以看出，采用高凈空雙槽道懸掛安裝接觸網(wǎng)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，受力能夠滿足安全要求。

由此可見，高凈空盾構(gòu)隧道單槽道懸掛剛性接觸網(wǎng)受力不安全，存在安全隱患；雙槽道懸掛剛性接觸網(wǎng)除滿足正常受力之外，也能滿足最大荷載下的受力，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可靠性高。

5 預(yù)埋雙槽道的工程應(yīng)用案例

杭紹線設(shè)計速度100 km/h，地下段盾構(gòu)隧道內(nèi)徑5 900 mm，接觸網(wǎng)采用剛性懸掛，為保證接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，供電安全可靠，經(jīng)過研究杭紹線剛性懸掛接觸網(wǎng)安裝采用預(yù)埋雙槽道。

杭紹線盾構(gòu)隧道采取錯縫旋轉(zhuǎn)拼裝，若采用雙槽道全環(huán)預(yù)埋，投資較高。槽道按140元/m考慮時，杭紹線全線盾構(gòu)管片約1.4萬環(huán)，每環(huán)槽道18 m，盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)懸掛點約2 000處，接觸網(wǎng)懸掛點處采用全環(huán)預(yù)埋雙槽道，需要增加投資約為504萬元。

若能夠優(yōu)化管片施工工藝，每隔 7環(huán)(管片寬度1.2 m時)，在隧道頂部為接觸網(wǎng)局部預(yù)埋雙槽道，則投資較低。經(jīng)測算，局部預(yù)埋雙槽道增加投資約為36萬元。

經(jīng)過細(xì)部設(shè)計，杭紹線每隔7環(huán)預(yù)埋雙槽道(每環(huán)管片1.2 m)，雙槽道間距為300 mm，直線段接觸網(wǎng)在隧道頂部所需預(yù)埋槽道范圍為13°(角度中心點為隧道圓心點，左右各6.5°)，曲線段接觸網(wǎng)在隧道頂部所需預(yù)埋槽道范圍為 18°(角度中心點為隧道圓心點，左右各9°)。根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)需求，隧道結(jié)構(gòu)專業(yè)對預(yù)埋槽道做了優(yōu)化設(shè)計，采用建筑信息模型(BIM)、管片二維碼等新技術(shù)優(yōu)化管片排版，解決了杭紹線盾構(gòu)管片錯縫旋轉(zhuǎn)拼裝精準(zhǔn)預(yù)埋槽道的問題，既保證了高凈空盾構(gòu)隧道接觸網(wǎng)安裝結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，又節(jié)約了工程投資。

6 結(jié)語

本研究通過對地鐵高凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)3種接觸網(wǎng)槽道安裝方案的綜合比選分析，并對單槽道、雙槽道懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元受力計算，得到以下結(jié)論：

1) 高凈空單槽道懸掛接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，存在安全隱患。

2) 從安全的角度考慮，建議高凈空盾構(gòu)隧道采用雙槽道懸掛接觸網(wǎng)，且應(yīng)該安裝在同一管片上。

3) 高凈空盾構(gòu)管片采用通縫安裝時，可直接在軌面以上的封頂塊預(yù)埋雙槽道。高凈空盾構(gòu)管片采用錯縫旋轉(zhuǎn)拼裝時，建議優(yōu)化管片施工工藝，利用BIM技術(shù)提前優(yōu)化排版，每隔一定跨距在隧道頂部局部預(yù)埋雙槽道，可有效降低槽道的投資。

本研究在杭紹線工程中得到了應(yīng)用，可為后續(xù)地鐵工程高凈空盾構(gòu)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道設(shè)計方案提供一定的借鑒和參考。