地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道方案研究

吳旭東

（北京地鐵供電分公司，北京 100000）

0 引言

地鐵是指城市中修建的軌道交通，其具有運量大、耗能低等優點，不僅可以滿足民眾的出行需求，還能緩解地面交通壓力。但是受技術、成本等因素影響，地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道安裝時極易出現彎曲、扭曲等一系列問題，會降低地鐵運行的安全性。對此，地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道施工時，應從多種角度出發，選擇最優安裝方案，并做好剛性懸掛接觸網受力分析、預埋槽道受力數值計算方式等工作，保障預埋槽道施工質量達到設計要求，從而進一步提升接觸網供電的安全性、可靠性。

1 預埋槽道技術概述

預埋槽道技術是指在隧道壁內預埋槽道的安裝技術，一般用于地鐵隧道接觸網施工，不僅可以減少機電安裝對土建結構造成的破壞，還能提高土建結構的耐久性。另外，預埋槽道施工技術的應用，還可以降低接觸網施工難度、縮短機電安裝時間，為后續施工提供便利[1]。

2 地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道安裝方案

全面了解國內地鐵工程接觸網預埋槽道情況，并據此制訂地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道安裝方案，從而更好地滿足地鐵運行需求?，F階段國內地鐵工程中，在內徑＜5500mm 的盾構隧道中預埋槽道時，一般需要在每個環管片上預埋全環單槽道；在內徑≥5500mm 的地鐵盾構隧道中預埋槽鋼時，主要采用通縫管片（大部分情況下），僅需在軌道上方封頂位置預埋雙槽道。對此，制訂地鐵高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道安裝方案時，可以參考上述工程經驗。實際安裝預埋雙槽道時，如果發現通縫管片無法滿足盾構機運行需求，必須將通縫管片更改為錯縫管片，并按照要求旋轉錯縫拼裝。

在某地鐵工程中，通過綜合考慮多種因素，最終制訂三種安裝方案，分別為利用相鄰槽道預埋槽道支架安裝方案（方案一）、預埋雙槽道安裝方案（方案二）、利用相鄰槽道加斜撐安裝方案（方案三）。

2.1 利用相鄰槽道預埋槽道支架安裝方案

該方案是指利用相鄰槽道安裝支架，在此基礎上預埋槽道。具體施工過程中，為充分發揮相鄰管片（兩個）的優勢，應嚴格按照要求預埋單槽道（見圖1），以保障槽道預埋施工質量達到設計要求。此外，該方案可充分利用兩排單槽道的優勢，安裝完成的槽道抗彎能力更強、穩定性更好，可以根據需求調節單槽道跨距（單槽道安裝方式與錨段關節安裝方式相同），以便有效提升接觸網供電的穩定性。然而，采用這一安裝方案預埋的槽道結構較為復雜、美觀性較差且需要全線大范圍跨管片安裝，導致投入成本較高。另外，預埋槽道投入使用之后，一旦管道出現沉降、錯位等問題，接觸網吊架結構的穩定性也會受到影響，不僅會降低接觸網系統運行的安全性、穩定性，甚至會對地鐵正常運行造成不利影響，故不建議采用這一安裝方案。

圖1 利用相鄰槽道預埋槽道支架安裝方案示例圖

2.2 預埋雙槽道安裝方案

該方案采用通縫管片，要求在軌道上方封頂位置預埋雙槽道（見圖2）。與方案一相比，預埋雙槽道結構的穩定性更高、抗彎性更好，更符合地鐵工程施工要求。此外，預埋雙槽鋼結構的美觀性更好，結構相對簡單，可以有效降低后期運營、檢修工作的難度[2]。

圖2 預埋雙槽道示例圖

然而，如果將該方案中的通縫管片改為錯縫管片，按照錯縫旋轉拼裝方式施工，則需要將預埋雙槽道更改為全環預埋雙槽道，不僅會提升預埋槽道施工難度，還會提升槽道預埋施工成本。因此，在必須使用錯縫管片預埋槽道的情況下，可以結合擬建場地的實際情況調整上述施工方案，即在優化管片施工工藝的基礎上，間隔（7 環）預埋雙槽道。相較于原預埋槽道安裝方案，優化后的安裝方案不僅可以降低槽道預埋施工難度，還能節約槽道投資，能夠更好地滿足地鐵工程施工要求。

2.3 利用相鄰槽道加斜撐安裝方案

該方案是指利用相鄰管片（兩片）安裝單槽道，并順著線路的方向，在吊柱上設置斜撐，以有效改善剛性懸掛吊柱的受力情況，最大程度上降低彎矩對T 螺栓、槽道造成的影響。然而，該方案會使槽道的美觀性、結構受壓性等受到較大影響。并且，該方案主要適用于全線大范圍管片安裝，一旦管片出現沉降變形、錯移等問題，接觸網系統的安全性會受到較大影響。另外，相較于其他方案，該方案的運行監測成本較高，故地鐵工程施工期間不建議采用該方案。

綜上所述，方案一、方案三均利用兩個相鄰的盾構管片支撐單槽道，不僅需要跨管片安裝，還會增加地鐵工程的投資成本。因此，在地鐵工程施工期間，不建議采用上述兩種方案。

3 地鐵高凈空盾構隧道剛性懸掛接觸網受力情況分析

首先，接觸網懸掛定位裝置。剛性懸掛接觸網定位裝置主要由懸吊槽鋼、匯流排定位線夾、絕緣子等零件組成，匯流排施工時，主要通過定位線夾與隧道頂部槽鋼等裝置連接。因此，設計預埋槽道安裝方案時，應綜合考慮匯流排的運行情況（長時間運行狀況下，匯流排極易出現輕微位移現象），必須在匯流排與定位線夾之間預留間隙，使匯流排在線夾槽內移動，以更好地適應周圍環境變化，最大程度上降低匯流排位移變化對剛性懸掛接觸網正常運行造成的影響。

其次，隧道內環境。隧道內部空氣水分較多、環境較為潮濕，匯流排與定位線夾零部件極易出現氧化情況，零件表面氧化銹蝕得越嚴重匯流排與定位線夾的摩擦系數越大，當摩擦系數達到限值后，匯流排線夾極易出現卡滯情況。

再次，匯流排線夾運行情況。一旦匯流排線夾出現卡滯情況，受周圍環境溫度變化影響（熱脹冷縮），接觸網懸掛裝置承受的剪力會隨之增大（順著線路方向的剪力）。溫度變化情況下匯流排會出現一定變化，即匯流排隨溫度變化產生一定的伸縮量，該伸縮量=懸掛點至中錨的距離×溫度變化量×匯流排線膨脹系數。

最后，剛性懸掛接觸網對T 螺栓、槽道的作用力。包括順著線路方向的剪力（會引起彎矩）、匯流排熱脹冷縮情況下的剪力（匯流排線夾出現卡滯情況時）、單槽道懸掛接觸網產生的彎矩（高凈空時）。

考慮到接觸網本身為帶電體，順線路方向剪力超過限值的情況下，會出現彎矩過大現象，此時接觸網吊架極易出現跌落、變形問題，進而使地鐵出現行車中斷情況。因此，設計地鐵高凈空盾構隧道接觸網時，應優先考慮其安全性。

4 地鐵高凈空盾構隧道預埋槽道的受力數值計算

該地鐵工程采用ANSYS 軟件建立高凈空單槽道懸掛模型、高凈空雙槽道懸掛模型，并據此計算地鐵高凈空盾構隧道預埋槽道的受力數值，包括螺栓預緊力、槽道與螺栓間的摩擦力等。高凈空盾構隧道的內徑為5900mm、隧道頂部凈空為4950mm、預埋槽道槽鋼本體的寬度為30m、厚度為20mm，接觸面懸掛點距軌面高度為4100mm，錨桿長度≥60mm、外徑≥10mm、配套T 型螺栓的直徑為12mm。

4.1 單槽道懸掛方式的受力數值計算

根據項目信息建立單槽道剛性懸掛模型（見圖3）。剛性懸掛接觸網垂直線路方向剪切荷載為1kN、每個懸掛點的垂直荷載為5kN、匯流排定位線夾位置的剪切荷載（順著線路方向）為3kN。

圖3 單槽道剛性懸掛模型

第一，槽道受力。采用有限元仿真方法計算高凈空單槽道懸掛方式下的槽道應力，最大應力集中在槽道牙口位置，應力值為1393MPa。此時，牙口位置的應力超過槽道承受能力的2/3，由此可以判斷單槽懸掛結構受力不安全。

第二，錨桿應力。剛性懸掛針式絕緣子彎曲破壞荷載為9kN，實際計算槽道極限受力時，應按照9kN計算匯流排線夾處的最大水平剪切荷載（順線路方向），此時槽道最大應力可以達到2236MPa，應力最大的位置為T 型螺栓及槽道牙口的連接處。貫穿槽道的應力超過1000MPa、錨桿最大應力為1407MPa，應力最大的位置為錨桿根部，因此可以判斷錨桿處于不安全狀態。

4.2 雙槽道懸掛方式的受力數值計算

該鐵路工程雙槽道間距為300mm，隧道剛性懸掛接觸網懸掛點（每個）垂直荷載為5kN，垂直線路方向的剪切荷載為1kN、匯流排定位線夾位置的剪切荷載（順線路方向）為3kN，運用ANSYS 軟件，根據上述數據建立高凈空雙槽道懸掛模型（見圖4）。

圖4 高凈空雙槽道懸掛模型

第一，槽道受力。采用有限元仿真法進行槽道應力計算工作，重點了解槽道的應力范圍及槽道整體受力情況。在高凈空雙槽道懸掛方式下，槽道的最大應力范圍較?。ㄔ谝粋€單元范圍內），大部分區域應力均在200MPa 之內，槽道整體受力始終處于安全狀態。作用于匯流排線位置的最大水平剪力荷載（順線路方向）為9kN 時，槽道整體應力在231～465MPa 之間，應力主要集中在槽道上部位置。由此可以判斷最大荷載下，槽道受力處于安全狀態。

第二，錨桿應力。高凈空雙槽道懸掛模式下，錨桿應力的分布范圍如圖5 所示，錨桿應力值在150～200MPa 之間，此時，錨桿整體受力低于限值，可以判斷錨桿整體受力處于安全狀態。具體分析錨桿的應力分布情況，發現錨桿大部分位置的應力均在200MPa 之內，最大應力為472MPa，只有很小一部分位置應力超過屈服應力（可以忽略不計）。由此可以判斷最大荷載下，錨桿受力處于安全狀態。

圖5 錨桿的應力分布情況（剪力3kN）

綜上所述，最不利荷載及正常荷載下，高凈空雙槽道懸掛安裝接觸網時，槽道結構處于穩定狀態，整體受力能夠完全滿足地鐵安全運行要求。

4.3 計算結果分析

地鐵高凈空盾構隧道單槽道懸掛方式下，剛性接觸網受力處于不安全狀態，極易引發安全事故。高凈空盾構隧道雙槽道懸掛方式下，剛性接觸網符合正常受力及最大荷載受力要求，槽道結構始終處于穩定狀態。由此可見，相較于單槽道，雙槽道懸掛模式下剛性接觸網供電更穩定、更安全。

5 預埋雙槽道工程應用案例

該地鐵工程地下段盾構隧道內徑為5900mm、設計速度為100km/h，接觸網為剛性懸掛方式，采用優化后的預埋雙槽道安裝方案。首先，每隔7 環（管片寬度1.2m 時）在隧道頂部對接觸網局部預埋雙槽道，以降低投資。其次，根據接觸網運行需求，采用建筑信息模型、管片二維碼等方式，優化預埋槽道管片排布，有效解決了管片錯縫旋轉拼裝精度問題，不僅提升了高凈空盾構隧道接觸網安裝結構的穩定性，還節約了工程投資。

6 結語

該工程在高凈空盾構隧道接觸網預埋槽道方案制訂環節，嚴格按照要求完成了三種接觸網預埋槽道安裝方案比較、隧道剛性懸掛接觸網受力情況分析、預埋槽道受力數值計算等一系列工作，最終選出了安全性、穩定性最佳的預埋雙槽道方案，可為同類工程提供參考。