王愛竟

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 概述

近年來，廣東省珠三角城市軌道交通飛速發(fā)展，陸續(xù)建成多條城際鐵路。莞惠城際鐵路采用了內徑僅7.7 m的小斷面盾構隧道，該隧道是國內首次采用的內徑最小的城際鐵路單線盾構隧道，其斷面如圖1所示。隧道軌面以上凈空高度設計值為6 450 mm。受盾構機開挖過程中上下浮動、左右偏移引起的施工誤差影響，盾構隧道在各個方向均有可能出現150 mm的偏差。這將進一步壓低軌面以上凈空，困難情況下凈空高度僅有6 300 mm，因此，接觸網安裝條件極其受限[1]。

圖1 內徑7.7 m單線盾構隧道斷面(單位：cm)

牽引供電系統(tǒng)采用27.5 kV交流供電制式，接觸網采用簡單彈性鏈型懸掛。內徑7.7 m單線盾構隧道內滿足最大行車速度160 km/h的動車組運行，接觸網懸掛安裝方案尚屬國內首次遇到。既有接觸網腕臂支撐裝置及懸掛方案無法全面滿足安裝需求，鑒于此，需結合隧道、線路等相關專業(yè)情況，針對各種工況條件研究制定安全可靠的接觸網懸掛方案，并研制新型腕臂支撐裝置，實現小斷面盾構隧道內160 km/h行車速度要求時的接觸網懸掛安裝。

2 單線隧道傳統(tǒng)接觸網懸掛方案

本世紀以來，盾構法隧道已經成為我國城市地鐵隧道的主要施工工法，地鐵盾構隧道內架空懸掛接觸網均采用剛性懸掛。盾構隧道早期在國鐵項目上應用的極少，隨著國內盾構技術的發(fā)展，近十年來在國鐵及城際鐵路中其應用才逐漸增多，因此工程設計階段接觸網安裝可借鑒工程經驗很少。20世紀90年代西康鐵路秦嶺特長隧道在國鐵上首次采用了單線盾構隧道，該隧道圓形斷面內徑為7.7 m，軌面以上凈空高度6.6 m，接觸網采用了水平懸掛安裝方式，列車行駛速度120 km/h。2007年開始施工的廣深港高鐵獅子洋雙洞單線盾構隧道內徑為9.8 m，軌面以上凈空高度8.16 m[2]，接觸網采用整體腕臂進行懸掛，動車運行速度250 km/h。其他類型單線隧道的接觸網懸掛方案也同時可借鑒，馬蹄形斷面等各類滿足隧限2A的單線隧道接觸網主要采用水平懸掛及弓形腕臂[3]。綜上，研究上述各種方案在內徑7.7 m盾構隧道內的適用性，見表1。

表1 單線隧道傳統(tǒng)接觸網懸掛方案

通過表1對各類傳統(tǒng)型懸掛方案主要技術特點以及對項目的適用性分析可以看出，以往常用的盾構隧道及其他各種類型單線隧道接觸網簡單鏈型懸掛方案均無法全面滿足項目的各項需求。

3 盾構隧道接觸網懸掛方案研究

3.1 總體思路

盾構隧道接觸網懸掛方案研究首先基于既有成功安裝運營的方案進行分析，優(yōu)先選用成熟可靠的產品及方案。經充分調研及研究，表1傳統(tǒng)懸掛方案無法滿足項目安裝要求。因此，需結合內徑7.7 m盾構隧道的特點，充分利用空間，研制新型腕臂支撐裝置及懸掛方案，實現接觸懸掛的可靠安裝，并能夠適應160 km/h的行車速度。研究的重點是新型腕臂結構型式的確定、腕臂與受電弓尺寸、接觸網張力及跨距等系統(tǒng)相關參數的匹配性研究、錨段關節(jié)及下錨安裝等。

腕臂支撐裝置作為接觸網系統(tǒng)的重要支持裝置，為列車的安全運營提供了重要保障，其工作性能直接影響接觸網系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[6-8]，研發(fā)時需考慮技術、施工、運營等相關因素的要求，如表2所示。

(1)以表2中所述需求因素為指導，以功能需求為出發(fā)點，從技術合理性、經濟性、美觀性綜合考慮，研制一種新型腕臂支撐裝置[9-10]。

(2)采用集約化設計理念，突破傳統(tǒng)腕臂結構形式和組合方式，改變傳統(tǒng)的螺栓連接方式為焊接方式，最大程度減少零部件數量和種類，既能減少安裝空間，又能實現新型腕臂的簡統(tǒng)化。

(3)整套接觸網懸掛裝置應采用成熟可靠的產品或技術、減少新零件的研發(fā)時間，確保工程進度。

(4)結合盾構隧道斷面特點、現場施工誤差、線路條件及接觸網性能需求等，同步制定盾構隧道內的接觸網系統(tǒng)懸掛方案。

3.2 主要技術參數的確定

結合160 km/h的行車速度及導線規(guī)格，接觸線及承利索的張力組合為15 kN+15 kN。軌道采用無砟軌道，懸掛點處接觸線距離軌面高度為5 300 mm。軌面以上凈空高度一般為6 450 mm，負誤差時最低凈空高度為6 300 mm，腕臂結構高度=6 300-5 300-300-A=700-A(考慮各種偏差及余量)，所以結構高度可定為600 mm。

導線張力及腕臂結構高度確定后，根據最短吊弦400 mm的要求計算跨距，最大跨距不宜超過35 m。結合隧道圓形斷面尺寸及綜合管線布置情況，根據環(huán)境及導線工作溫度、補償方式等相關因素計算確定墜砣行程，確定錨段長度。主要技術參數確定后，接下來研究確定具體的腕臂安裝方案。

3.3 腕臂安裝方案

3.3.1 反定位安裝

反定位安裝方式如圖2所示，腕臂裝置由平、斜腕臂及其之間的焊接板組成，結構形式緊湊，可適應較小的側面限界，吊柱安裝最小側面限界可至1 500 mm。定位器支座可裝于上腕臂，也可以將下腕臂伸長將定位器支柱安裝于下腕臂。腕臂的結構高度(懸掛點處承力索與接觸線的垂直距離)可在500～800 mm變化，上、下腕臂底座間距也可在350～600 mm范圍內調整，具體安裝方案可視凈空及線路條件確定。

圖2 腕臂反定位處安裝方案(單位：mm)

3.3.2 正定位安裝

為適應盾構斷面特性，對于正定位腕臂結構，為了同時便于定位器和腕臂底座的安裝，將2個腕臂均做成彎管形式，如圖3所示。正定位時，吊柱側面限界較反定位增加，一般側面限界需達到2.0 m以上。相對反定位安裝側面限界增加后可加大上下腕臂底座間距，使整個結構受力更合理，下腕臂底座間距也可在600～900 mm內調整。承力索座可裝于上腕臂也可以裝于下腕臂，結構高度可在500～800 mm變化。

圖3 腕臂正定位處安裝方案(單位：mm)

為保證受電弓極限位置時與腕臂的安全距離，并適應于各種外軌超高條件下的安裝，腕臂長度及彎管角度可靈活設計。同時，為保證腕臂結構強度及剛性，在平斜腕臂管間增加焊接鋼板，降低腕臂結構局部受力，減小腕臂結構撓度變形。

3.3.3 新型腕臂特點

新型腕臂結構僅采用2個腕臂管通過連接板焊接，結構形式極為簡潔，極大地節(jié)省了安裝空間，結構高度視凈空高度可為500～800 mm，困難情況下最小可至450 mm，這是傳統(tǒng)三角腕臂及整體腕臂均無法實現的。傳統(tǒng)的三角腕臂存在數量較多的螺栓連接件[11]，與其相比新型腕臂取消了定位管1根、支撐管2根、定位環(huán)3個、螺栓連接5處等多種連接零部件。

新型腕臂裝置基于簡約化設計理念，采用整體焊接結構，減少零件和緊固件數量的同時，提升了防松性能[12]。因此，新型腕臂安全可靠性更高、便于運營檢修，且節(jié)約了經濟成本。新型腕臂結構簡潔、強度及剛度滿足各項要求，尤其對低凈空隧道有較強的適用性。

3.4 接觸網懸掛方案主要設計原則

基于內徑7.7 m盾構隧道的具體特點，并結合線路、軌道等多方面因素，進一步研究確定了更為系統(tǒng)的接觸網懸掛方案，主要設計原則如下。

(1)中間柱安裝。盾構隧道內線路中心與隧道中心按照設計存在170 mm的偏距，在直線及外軌超高較小的情況下，有2種方案可供選擇：一是考慮將腕臂裝置均設于安裝空間較大的一側時采用正、反定位交替安裝方式；另外，也可全部采用正定位，相鄰吊柱換邊安裝。在外軌超高較大時，采用曲外正定位安裝方式。

(2)錨段關節(jié)。盾構隧道斷面在接觸網錨段關節(jié)、下錨等特殊工點處無法加高、加寬。接觸網錨段關節(jié)處采取了非工作支承力索在新型腕臂結構上不抬高安裝的方案。

(3)接觸懸掛下錨。下錨補償裝置采用棘輪更有利于充分利用空間；因轉換柱處非支承力索與工支承力索等高，采用錨段關節(jié)轉換柱處兩支懸掛均為開口安裝的方案，避免兩支承力索產生交叉互摩，接觸懸掛在線路的異側下錨。

4 仿真計算

近年來在計算機編程方面，由于有限元法具有通用性特點，它已經成為解決各種問題的強有力和靈活通用的工具[13]。本文采用有限元分析方法和軟件進行仿真計算，通過建立新型腕臂的有限元模型，對其進行靜力分析，求出最大工作載荷情況下的位移和應力，并根據結果進行分析。以結構高度600 mm的腕臂結構為例進行分析，按照TB/T 2075《電氣化鐵路接觸網零部件技術條件》的相關要求對模型加載。承力索座處水平荷載3.5 kN，垂直荷載4.0 kN，定位器底座處水平荷載4.0 kN。另外，按照最大工作荷載的1.5倍對模型加載，校驗腕臂的應力水平[14]。

4.1 腕臂受力強度分析

通過對新型腕臂結構進行受力強度分析，研究確定腕臂系統(tǒng)受力集中部位，在結構設計及加工過程中重點進行加強及工藝控制。

正定位腕臂支撐裝置計算模型如圖4所示，通過對腕臂進行結構力學分析可見，腕臂結構應力集中部位處于腕臂與豎向鋼板連接點附近。其最大應力值為103.6 MPa，位于承力索所在下部腕臂管座附近的懸臂處。由于為鋼腕臂結構，其許用應力為210 MPa，該處最大應力小于材料容許應力，強度滿足設計要求[15]。

圖4 正定位腕臂應力云圖

反定位腕臂支撐裝置計算模型如圖5所示，反定位腕臂應力集中部位主要也是位于平斜腕臂與豎向鋼板連接點附近。其最大應力值為122.35 MPa，同時可以看出最大應力點的位置處于承力索座所在的上部腕臂管懸臂處。最大應力小于材料許用應力，通過分析可判斷該型式的腕臂結構強度也滿足設計要求。

圖5 反定位腕臂應力云圖

4.2 腕臂撓度變形分析

結構的撓度變形是衡量結構整體剛度的重要指標，根據TB/T 2075的要求，腕臂支撐裝置在施加的最大工作荷載下，各部分撓度≯0.7L%(L為腕臂支撐裝置部件受力支點間的最大長度)。

圖6和圖7分別為新型腕臂結構在施加荷載后的撓度分布情況。正定位腕臂最大變形位于下方腕臂的端部，該處最大位移為3.3 mm，小于撓度限值15.6 mm；反定位腕臂最大變形位于上方腕臂的端部，該處最大位移為4.0 mm，小于撓度限制18.2 mm。腕臂系統(tǒng)中的平腕臂和斜腕臂位移遠小于標準值，完全符合要求。

圖6 正定位腕臂撓度云圖

圖7 反定位腕臂撓度云圖

通過腕臂有限元仿真計算分析可見，新型腕臂在力學性能、撓度變形等方面均可滿足相關規(guī)程規(guī)范及工程應用要求。除了上述理論仿真計算，還在產品檢驗監(jiān)督中心接觸網零部件檢驗站根據TB/T 2073規(guī)定的檢驗規(guī)則和方法對腕臂進行了整體靜力學試驗，試驗結果同樣滿足TB/T 2075關于腕臂支撐裝置性能的有關要求。

5 結語

通過對內徑7.7 m小斷面盾構隧道接觸網懸掛方案的研究，實現了接觸網在盾構隧道內各種線路曲線半徑、各種外軌超高以及各種施工誤差情況下的安裝，解決了傳統(tǒng)懸掛方案適用速度目標值有限或無法安裝的問題，為內徑7.7 m的小斷面盾構隧道在城際鐵路中首次應用提供了技術前提和保障。

研制的新型腕臂支撐裝置形式極為簡潔，降低了對隧道凈空高度的要求，對各種輪廓和凈空高度的隧道適用性強。整套腕臂的零件及緊固件數量都較少，更加便于預配安裝，并且減少了運營工作維護量，如圖8所示。

圖8 盾構隧道接觸網腕臂支撐裝置安裝

小斷面盾構隧道接觸網懸掛方案已在珠三角莞惠城際鐵路首個內徑7.7 m盾構隧道中成功應用。除了盾構隧道，工程中的低凈空矩形明挖隧道、馬蹄形暗挖隧道均用了新型腕臂接觸網懸掛系統(tǒng)，進而實現了全線各種類型低凈空隧道的接觸網簡統(tǒng)化安裝。運營至今，現場反饋接觸網系統(tǒng)在160 km/h行車速度下受流狀態(tài)穩(wěn)定，維護工作量小，運營狀態(tài)良好。