陳水慶，沈建輝

（東南沿海鐵路福建有限責(zé)任公司 工程管理部，福建 福州 350013）

1 西部地區(qū)自然環(huán)境及對鐵路的影響

加快西部鐵路建設(shè)是國家“十四五”規(guī)劃和西部大開發(fā)重大戰(zhàn)略的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，在我國中長期鐵路規(guī)劃中，西部進藏鐵路就有5條，分別為青藏（已開通）、川藏、滇藏、新藏及西寧經(jīng)玉樹至西藏昌都鐵路［1］。我國西部地區(qū)地理特征為高原、盆地、山川、河谷，在西部山區(qū)修建鐵路面臨高寒高凍、高海拔、自然災(zāi)害頻發(fā)的不良地質(zhì)條件和惡劣氣候環(huán)境的挑戰(zhàn)。20世紀以來，我國西部地區(qū)共發(fā)生7級以上地震68次（其中7.5級以上24次，8級以上9次），小等級以下地震更是頻繁發(fā)生［2］。同時我國西部地區(qū)也是面積最大、范圍最廣的凍土區(qū)，占全國凍土面積的70%以上，部分地區(qū)還分布有季節(jié)性凍土，土質(zhì)隨季節(jié)變化而變化。

上述情況對鐵路的主要影響如下：一是西部地區(qū)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害特別是地震對鐵路建設(shè)和運輸安全的危害最大，近年來發(fā)生的幾次地震對西部鐵路破壞性較大，造成多條鐵路長時間中斷運營；二是西部地區(qū)凍土，特別是季節(jié)性凍土?xí)斐设F路工程建設(shè)難度和建設(shè)投資增大，必須對工程設(shè)計標準、施工工法、安全防護等提出更高要求，才能確保鐵路線路和沿線設(shè)施安全可靠；三是西部地區(qū)高寒高凍氣候環(huán)境且多數(shù)地區(qū)屬于無人區(qū)，對鐵路沿線的通信設(shè)備安全運行和維護管理帶來影響。

2 GSM-R系統(tǒng)設(shè)計方案概述

2.1 系統(tǒng)介紹

我國鐵路于2000年底正式確定將GSM-R系統(tǒng)作為鐵路專用無線通信系統(tǒng)，系統(tǒng)引進和運用經(jīng)歷了研究與探索、技術(shù)決策、技術(shù)試驗、標準制定、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與運營5個階段，目前我國鐵路GSM-R系統(tǒng)已開通運用里程達4萬km［3］。GSM-R系統(tǒng)包括核心網(wǎng)、基站子系統(tǒng)、業(yè)務(wù)與運營支撐子系統(tǒng)等，系統(tǒng)為鐵路運輸指揮提供語音通信、調(diào)度通信、列車控制數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)度命令和無線車次號校核信息傳送等業(yè)務(wù)［4］。

各新建鐵路設(shè)置的基站子系統(tǒng)〔基站控制器（BSC）+無線基站收發(fā)臺（BTS）〕接入所在鐵路局集團公司移動交換局（MSC），新建GSM-R基站子系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計按鐵路運營速度和列控等級劃分為2種方案：（1）線路列控系統(tǒng)為CTCS-2級及以下等級的GSM-R基站子系統(tǒng)采用單網(wǎng)無線覆蓋方案；（2）線路列控系統(tǒng)為CTCS-3級及以上等級的GSM-R基站子系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織覆蓋方案或雙網(wǎng)重疊覆蓋方案［5］。

2.2 系統(tǒng)沿線基站、直放站設(shè)計方案

在新建鐵路GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋規(guī)劃設(shè)計中，設(shè)計單位要根據(jù)線路所經(jīng)過地形特征和列控等級設(shè)計布局基站、直放站站址。在地形較平坦的平原或丘陵線路，沿線每隔3~5 km要設(shè)置區(qū)間基站。對于山區(qū)鐵路，由于線路多數(shù)是由橋隧組成，區(qū)間基站、直放站的站址布點密度較平原丘陵區(qū)域會更大。為確保隧道內(nèi)無線信號可靠覆蓋和切換，在隧道口均需設(shè)置基站或直放站站址。其中隧道內(nèi)的GSM-R無線信號覆蓋，通過就近基站采用近端機加遠端機加漏纜方式將無線信號延伸至隧道內(nèi)進行覆蓋。各基站通過通信傳輸網(wǎng)提供2M通道，按3~5個基站組成2M保護環(huán)接入BSC，各直放站遠端機按照無線小區(qū)切換規(guī)定數(shù)量通過光纖接入至近端機后接入就近基站。列控系統(tǒng)為CTCS-2級及以下等級線路的GSM-R基站子系統(tǒng)按單網(wǎng)2M保護環(huán)組網(wǎng)；列控系統(tǒng)為CTCS-3級及以上等級線路的GSM-R基站子系統(tǒng)按單數(shù)環(huán)和雙數(shù)環(huán)2個獨立基站保護環(huán)組網(wǎng)［5］。單網(wǎng)覆蓋和單網(wǎng)交織覆蓋組網(wǎng)架構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 單網(wǎng)覆蓋組網(wǎng)構(gòu)架

圖2 單網(wǎng)交織覆蓋組網(wǎng)構(gòu)架

2.3 山區(qū)鐵路GSM-R常規(guī)設(shè)計方案

山區(qū)鐵路GSM-R系統(tǒng)常規(guī)設(shè)計方案在全線各隧道口必然有基站或直放站站址設(shè)置，并配套鐵塔、房屋、電源接入相應(yīng)配套系統(tǒng)布局設(shè)計。布局在隧道口的基站或直放站作用是：一是利用天線對隧道口外線路進行無線信號覆蓋，二是利用設(shè)置在隧道口的直放站接隧道內(nèi)的無線漏纜，通過漏纜對隧道內(nèi)進行無線信號延伸覆蓋。

3 優(yōu)化設(shè)計方案

按照常規(guī)山區(qū)鐵路GSM-R系統(tǒng)設(shè)計方案，線路沿線基站、直放站站址多數(shù)設(shè)計在隧道口附近區(qū)域。由于西部山區(qū)存在頻發(fā)地質(zhì)災(zāi)害（主要是地震）和季節(jié)性凍土的影響，對隧道口基站與直放站站址房屋、鐵塔等設(shè)施會構(gòu)成不可預(yù)測的安全危害。通過以下優(yōu)化設(shè)計方案可進一步減少區(qū)間基站、直放站站址設(shè)置數(shù)量并保障通信設(shè)備設(shè)施更加安全可靠，同時還可減少建設(shè)投資和鐵路運維部門的維護工程量和維護成本。

（1）優(yōu)化方案1：在全線兩隧道口空間距離較短的區(qū)域（不大于1 500 m），常規(guī)設(shè)計方案采用基站或直放站加鐵塔附掛天線的無線覆蓋方案，在此優(yōu)化為采用隧道漏纜延伸覆蓋方案，取消設(shè)置在隧道口的基站或直放站站址房屋、鐵塔等配套建筑設(shè)施。根據(jù)1個直放站輸出無線信號功率所能承載漏纜長度衰耗要滿足無線信號發(fā)射指標要求，從而確定兩隧道口距離不大于1 500 m。該優(yōu)化方案不僅可大量減少站址場坪、道路的征地（房屋場坪用地約2 000~3 500 m2，不含通站道路）及對自然環(huán)境和地貌的破壞，同時還大大減少了房建、鐵塔、電力、場坪接地網(wǎng)等配套工程建造費、維護工作量及成本。

（2）優(yōu)化方案2：在全線兩隧道口空間距離較長的區(qū)域（大于1 500 m），常規(guī)設(shè)計在隧道口附近區(qū)域修建基站或直放站站址房屋方案，在此優(yōu)化為取消隧道口站址設(shè)備房屋建設(shè)，將基站或直放站設(shè)備設(shè)置在隧道內(nèi)（距隧道口30 m左右），開設(shè)獨立設(shè)備洞室安裝基站或直放站設(shè)備，并對該設(shè)備洞室進行優(yōu)化設(shè)計，只將天線桿塔設(shè)置在隧道口明洞側(cè)與線路標高一致位置，由于與線路標高一致，可有效降低GSM-R通信桿塔高度。該優(yōu)化方案可減少房屋建筑、場坪征地和施工、大型鐵塔和基礎(chǔ)、場坪接地網(wǎng)等工程的建造費用，更重要的是，設(shè)備安裝在隧道內(nèi)獨立設(shè)備洞室不僅可以保持恒溫，還可有效避開因地質(zhì)災(zāi)害、高寒高凍氣候環(huán)境對房屋及通信設(shè)備設(shè)施帶來的危害。

（3）優(yōu)化方案3：對于在平原區(qū)域需獨立設(shè)置的基站站址房屋，取消常規(guī)設(shè)計在房屋兩側(cè)的2個電纜井（長120 cm×寬100 cm×深80 cm）［6］，改為在基站房屋一側(cè)增加1間電纜間（長150 cm×寬350 cm，高度與基站設(shè)備間一致），即在常規(guī)設(shè)計的基站房屋設(shè)計中加長再隔出1間電纜間，電纜間在基站房屋施工設(shè)計中同步設(shè)計、同步施工。采用電纜間可有效解決電纜井積水冰凍對井內(nèi)光電纜絕緣節(jié)接頭凍害，可提高光電纜運用安全，還可縮小場坪用地面積。

在此重點論述優(yōu)化方案1和方案2的具體優(yōu)化設(shè)計。

3.1 優(yōu)化方案1

西部山區(qū)鐵路基本由橋隧、隧路相連組成，兩隧道口之間距離空間有長有短，當2個隧道口之間距離不大于1 500 m時，建議采用隧道內(nèi)漏纜延伸覆蓋至對面隧道口方案，而不采用鐵塔加天線的方式覆蓋（見圖3）。采用漏纜延伸覆蓋，需在橋梁或路基段設(shè)置漏纜輔助桿才能滿足漏纜吊掛要求，根據(jù)鐵路電氣化接觸網(wǎng)桿運用類型和鐵路技術(shù)管理規(guī)程要求，在橋梁和路基上設(shè)置漏纜輔助桿的方式也有所不同。

圖3 西部山區(qū)鐵路GSM-R系統(tǒng)無線覆蓋優(yōu)化方案1

3.1.1 橋梁上吊掛通信漏纜輔助桿設(shè)置方案

在橋梁上吊掛通信漏纜，需結(jié)合橋梁、電力、通信3個專業(yè)設(shè)計規(guī)范要求綜合考慮，設(shè)計階段各專業(yè)之間要相互對接，避免實施后出現(xiàn)相互干擾和基礎(chǔ)位置錯誤等問題。同時通信漏纜輔助桿的設(shè)置和利用接觸網(wǎng)支柱附掛漏纜應(yīng)滿足鐵路相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范要求，根據(jù)橋梁上電氣化專業(yè)接觸網(wǎng)支柱設(shè)置和運用方式不同，主要有2種吊掛方式：

（1）方式1：橋梁上接觸網(wǎng)支柱未安裝隔離開關(guān)或下錨的吊掛區(qū)段（見圖4）。根據(jù)《關(guān)于明確接觸網(wǎng)支柱附掛非供電線路設(shè)施有關(guān)問題的通知》（鐵總運〔2015〕152號）和《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定，沒有安裝隔離開關(guān)的接觸網(wǎng)支柱同意附掛通信纜線設(shè)施，但需要報批［7］。因此通信專業(yè)可利用接觸網(wǎng)支柱附掛通信漏纜，但由于接觸網(wǎng)支柱的間距是50 m，而漏纜支撐桿間距規(guī)范要求是小于30 m，因此要在兩接觸網(wǎng)支柱之間增加1根輔助支撐桿才可確保漏纜吊掛安全，為避免漏纜與接觸網(wǎng)回流安全保護線相碰，接觸網(wǎng)支柱和漏纜輔助桿上需設(shè)置1個外側(cè)橫向固定支撐卡箍（大于0.6 m）支撐吊掛漏纜。為便于基礎(chǔ)設(shè)計和實施統(tǒng)一標準，漏纜輔助桿應(yīng)采用與接觸網(wǎng)支柱同型號的支柱（高度為5 m）。

圖4 橋梁上漏纜吊掛方案1

（2）方式2：橋梁上接觸網(wǎng)支柱安裝隔離開關(guān)或下錨的吊掛區(qū)段（見圖5）。根據(jù)鐵總運〔2015〕152號文規(guī)定，安裝隔離開關(guān)和下錨的接觸網(wǎng)支柱禁止附掛通信、有線電視等非供電線路［7］。通信漏纜無法利用接觸網(wǎng)支柱附掛，必須在橋梁上單獨設(shè)立支撐桿。按照通信漏纜吊掛安全距離規(guī)范不大于30 m的標準，需在2個隧道口之間的橋梁上按30 m間距連續(xù)設(shè)置漏纜支撐桿（需注意不得與接觸網(wǎng)支柱位置沖突）。根據(jù)GSM-R系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，每根漏纜支撐桿在距軌面4.5~4.8 m高度設(shè)橫向外側(cè)支撐卡箍（大于0.6 m），確保吊掛的通信漏纜與接觸網(wǎng)支柱及保護線距離滿足電力規(guī)范要求。

圖5 橋梁上漏纜吊掛方案2

3.1.2 路基上吊掛通信漏纜輔助桿設(shè)置方案

路基段由于無線漏纜支撐桿基礎(chǔ)設(shè)置在地面上，桿基礎(chǔ)設(shè)置的地形位置較充足且基礎(chǔ)施工制作也較容易，為減少對供電專業(yè)設(shè)施影響，無需利用接觸網(wǎng)桿附掛漏纜，支撐桿按間隔30 m設(shè)置，支撐桿基礎(chǔ)設(shè)置可在接觸網(wǎng)桿基礎(chǔ)的水平線位置全部統(tǒng)一向外側(cè)移位大于0.6 m，確保支撐桿與接觸網(wǎng)回流線的安全距離（見圖6）。

圖6 路基段漏纜吊掛方案

3.2 優(yōu)化方案2

全線兩隧道口空間距離較長的區(qū)域（大于1 500 m），優(yōu)化方案將原設(shè)置在隧道口的基站或直放站設(shè)備安裝至隧道內(nèi)的獨立設(shè)備洞室，不僅可減少房屋、接地網(wǎng)、場坪征地和施工、通站道路等配套工程建造費，還可確保通信設(shè)備更加安全。

（1）設(shè)備洞室設(shè)計優(yōu)化。在距離隧道口30 m左右的隧道內(nèi)新開1個通信設(shè)備洞室，與常規(guī)設(shè)備洞室在設(shè)計布局上有所改變（常規(guī)設(shè)計的隧道內(nèi)設(shè)備洞室是面向線路敞開式設(shè)備洞室，洞室門防護門必須具備防爆、抗壓、防火性能［8］）。優(yōu)化后的通信設(shè)備洞室“藏”在隧道二襯壁內(nèi)，設(shè)備洞室門不是面對鐵路線路側(cè)，而是采用引入橫洞（橫洞較小，滿足設(shè)備搬運即可），從外側(cè)引入橫洞進入后直角拐彎再進入設(shè)備洞室，在引入洞室內(nèi)口設(shè)置阻隔門檻，防止異物侵入線路。由于設(shè)備洞室的防護門不是面向線路側(cè)，無需配置昂貴的高等級防護門，也避免了防護門脫落侵入線路的安全問題。由于設(shè)備洞室是“藏”在隧道內(nèi)壁的橫洞室，安裝空調(diào)是安全可靠的（采用室內(nèi)外機一體機空調(diào)）。隧道設(shè)備洞室布局優(yōu)化方案見圖7。

圖7 隧道設(shè)備洞室布局優(yōu)化方案

（2）隧道口天線桿塔配置設(shè)計優(yōu)化。采用優(yōu)化方案后，基站或直放站設(shè)備已移到隧道內(nèi)設(shè)備洞室，隧道口外只需在明洞側(cè)設(shè)置單桿塔附掛GSM-R天線，天線通過射頻電纜引入洞室內(nèi)的基站或直放站連接即可。由于高速鐵路線路彎曲半徑較大，線路基本是平直的，兩隧道口之間空間基本是開闊區(qū)域，只要在隧道口明洞邊設(shè)置9~12 m單桿塔附掛天線就可以滿足無線信號覆蓋（隧道口標高與線路標高基本一致）。由于單桿塔基礎(chǔ)不大，隧道明洞邊位置足夠滿足天線桿塔基礎(chǔ)設(shè)置條件。采用該布局方案不僅減少了高大鐵塔及基礎(chǔ)的建造費用，還減少了使用高大鐵塔的安全風(fēng)險。

3.3 優(yōu)化方案的創(chuàng)新性

以上針對西部山區(qū)鐵路GSM-R系統(tǒng)組網(wǎng)及配套工程優(yōu)化設(shè)計，是在確保鐵路無線通信運用標準和安全不降低，并可減少鐵路建設(shè)投資和維護工作量，同時也能減少對地質(zhì)地貌破壞的一種創(chuàng)新優(yōu)化。其中取消隧道口基站、直放站站址房屋設(shè)置，在隧道內(nèi)開辟獨立設(shè)備洞室（優(yōu)化的設(shè)備洞室）安裝設(shè)備是目前在建和已開通運營鐵路沒有先例的；當兩隧道口距離較短，采用漏纜直接延伸吊掛覆蓋無線信號方案雖然目前有部分線路采用，但都是在2個隧道口距離不超過200 m的區(qū)域采用漏纜吊掛延伸覆蓋，并未在1 500 m距離范圍內(nèi)多隧道群普遍采用。同時隧道內(nèi)優(yōu)化的通信設(shè)備洞室較常規(guī)設(shè)備洞室防護門設(shè)置更簡單更安全。

4 優(yōu)化方案與常規(guī)方案對比

4.1 建造費用

（1）優(yōu)化方案1。該方案不僅可減少大量的通信站址場坪征地與施工、房屋建筑、高鐵塔及電力引入與接地網(wǎng)的建造費用，而且還可減少對自然環(huán)境和地質(zhì)地貌的破壞。特別是西部山區(qū)鐵路隧道口的地形陡峭不平，加上不良的地質(zhì)條件，房屋場坪、鐵塔基礎(chǔ)的施工難度和建造費用較大。根據(jù)高鐵設(shè)計概算分析，1個基站站址房屋（含圍墻、場坪硬化、電纜井等配套）建造費用約30萬元，鐵塔及基礎(chǔ)的建造費約25萬元（中等塔），電力引入及場坪接地網(wǎng)約15萬元。場坪征地面積2 000~3 500 m2，場坪征地及施工費約30萬元（地形復(fù)雜的費用更高），在隧道口建造1個基站總費用約100萬元（不含設(shè)備費），如果是直放站（設(shè)備和用地面積適當減少）建造費用會有所減少。采用漏纜延伸覆蓋優(yōu)化方案，工程建造只有漏纜、漏纜支撐桿及基礎(chǔ)建造費，漏纜（含吊具）約10萬元/km，支撐桿（含基礎(chǔ)）約1.2萬元/座，兩隧道口間距按1 000 m測算（有的只有幾百米），需增加漏纜輔助支撐桿10座，漏纜延伸按1 000 m計算，建造費用合計約22萬元，比獨立建造1個基站減少費用約78萬元［9］。以上費用是多條新建鐵路線路設(shè)計概算的平均值。

（2）優(yōu)化方案2。該方案比原來在隧道口設(shè)置獨立場坪和房屋的建造費用也會減少。根據(jù)隧道專業(yè)概算，常規(guī)的隧道內(nèi)通信設(shè)備洞室建造費用約15萬元（含防護門），優(yōu)化設(shè)計后在隧道內(nèi)開設(shè)獨立設(shè)備洞室，通信基站設(shè)備洞室建造費用不會超過15萬元（防護門費用將減少）。根據(jù)方案1測算，如果在隧道口設(shè)置站址場坪和房屋需建造費（不含通信設(shè)備及鐵塔）約75萬元。在隧道內(nèi)設(shè)置設(shè)備通信設(shè)備洞室，建造費用將減少約60萬元［9］。

（3）優(yōu)化方案3。該方案可有效避免電纜井積水冰凍對光電纜絕緣節(jié)接頭盒形成危害。同時可縮小站址場坪用地面積，減少場坪征地及施工建設(shè)費用。

4.2 設(shè)備運用安全可靠性

（1）優(yōu)化方案1：采用漏纜延伸無線信號覆蓋比采用天線覆蓋更穩(wěn)定，漏纜與鐵路線路平行且與動車組距離較近，動車組接收無線信號更為均衡穩(wěn)定。同時漏纜屬于無源設(shè)備，構(gòu)造簡單、故障率不高，可減少維管單位的維護工作量。

（2）優(yōu)化方案2：將常規(guī)設(shè)計安裝在隧道口房屋內(nèi)通信設(shè)備調(diào)整到隧道內(nèi)設(shè)備洞室，可以保持通信電子設(shè)備恒溫，同時還可避免因隧道口區(qū)域不良地質(zhì)災(zāi)害對房屋及設(shè)備設(shè)施安全造成危害。另外，設(shè)備洞室“藏”在隧道內(nèi)，整個隧道二襯和無砟軌道板就是天然的防雷屏蔽網(wǎng)和接地網(wǎng)，可有效減少通信系統(tǒng)遭受雷擊破壞。

（3）優(yōu)化方案3：取消平原區(qū)域基站常規(guī)設(shè)置2個電纜井改為電纜間，可有效避免電纜井積水冰凍對光電纜絕緣節(jié)及接頭形成危害，確保通信系統(tǒng)運用更加安全。

5 結(jié)束語

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，我國鐵路系統(tǒng)已在研究、規(guī)劃和試驗5G-R無線通信系統(tǒng)，但5G-R與GSM-R在鐵路線上的物理布局架構(gòu)和功能運用方面不會有大的改變，僅在技術(shù)標準和無線帶寬容量及站址分布數(shù)量上有所變化（5G-R需加密基站）［10］。針對我國西部地區(qū)特殊地質(zhì)和氣候環(huán)境，各專業(yè)結(jié)合我國已建成高速鐵路的實踐經(jīng)驗，通過不斷總結(jié)、優(yōu)化與創(chuàng)新，不僅能保證鐵路各專業(yè)功能運用標準不降低，并可減少建設(shè)投資和維護成本，實現(xiàn)鐵路建設(shè)更節(jié)能、更環(huán)保。