赖馨
(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都610031)
摘 要：电气化铁路由于其牵引功率大、节能环保、能大幅提高运输能力和速度，比传统的内燃牵引在技术、经济、环保方面具有明显优越性，因此，对既有内燃牵引铁路实施电气化改造是今后铁路发展的趋势。然而在对既有内燃牵引铁路的改造中，不可避免的会遇到低净空隧道接触网的架设问题。在进行接触网设计时，由于受低净空限制，制约了架空接触网正常悬挂模式，引起接触网悬挂标准的下降。既有广通至大理铁路由于既有隧道年久失修，拱顶塌陷、偏斜等病害，造成了隧道断面不统一，接触网设计中需分别对每个隧道断面进行研究。文章通过对既有广通至大理铁路低净空隧道下的接触网悬挂方式的方案论证、比选，为今后解决低净空隧道内接触网悬挂问题提供了新的思路。
关键词：接触网;低净空隧道;绝缘距离;刚性悬挂;柔性悬挂
既有广大铁路为单线内燃牵引，线路标准低，客车平均运行速度仅42.5 km/h。2009年对既有广大铁路广通至楚雄段进行电气化改造，主要为满足既有线昆明—广通—楚雄间开行城际列车的需要，电气化改造后，客车设计运行速度达80 km/h。
既有广大铁路广通至楚雄段共有7座隧道，总长3.3 km，占线路全长10.31%，全部为单线隧道。隧道建筑限界为“隧限－1A”，未预留电气化条件，属于低净空隧道。目前该铁路采用内燃牵引，可开行超级超限货物列车。电气化改造后，既有隧道在原设计平、纵线形的基础上，衬砌净空不能满足开行超级超限货物列车的要求。在西南既有铁路电气化改造工程中，常遇到这类隧道，通常的解决方法:一是对隧道进行改造，拆除并新建衬砌，使之满足接触网悬挂对隧道净空的要求，但造价高，工程量大，工期长;二是降低接触线悬挂高度，但同时也降低了线路的运输能力，不能通行超级超限货物列车。以上解决方案均存在弊端，严重制约着铁路系统的发展。因此，需从接触网悬挂方式入手，解决既有低净空隧道内接触网的悬挂问题。
2.1 设计原则
(1)接触线悬挂高度确定
隧道内接触线悬挂高度可由式(1)确定:
式中:Hjx——接触线悬挂高度;
Y——最大货物允许装载高度，开行超级超限货物列车时取5 300 mm;
D——25 kV带电体距机车车辆或装载货物间隙，取正常值350 mm。修正后，该值取385 mm;
δ1——施工误差及抬落道;
f——接触线弛度，取15 mm。
按照不考虑施工误差及抬落道设计，将各值代入式(1)，即得接触线悬挂高度Hjx=5 700 mm。
(2)受电弓动态包络线，按照V≤120 km/h时，上下晃动量100 mm、左右摆动量200 mm。
(3)带电体对地绝缘间隙及受电弓震动至极限位置的间隙值，按照设计规范确定为 300 mm和200 mm，考虑海拔高度，修正后分别为330 mm和220 mm。(海拔高度按照1 880 m高度修正)，既有隧道断面如图1所示。
图1 既有广大铁路广通至楚雄段隧道断面(mm)
2.2 输入数据分析
2.2.1 现状调查
既有广大铁路自建成后未经过大规模改造，既有隧道因隧道拱顶塌陷、偏斜等病害，造成隧道断面不统一，不能采用统一的悬挂方式。
(1)对隧道断面数据进行统计、分析
根据隧道专业提供的7座隧道断面，并结合现场调查隧道断面数据(共计154处，每隔25 m取一点)进行统计、分析，得到隧道净空高度主要分布情况，如图2所示。
图2 隧道净空高度主要分布图
(2)绘制典型隧道拱顶的拟合曲线
根据各点数据，绘制出典型隧道拱顶的拟合曲线，模拟各隧道拱顶情况，如图3、图4所示。
图3 黄家菁隧道拱顶的拟合曲线
图4 范家湾隧道拱顶的拟合曲线
2.2.2 适用于一般断面的接触网悬挂方案
分析绘制出的隧道净空高度主要分布图和隧道拱顶拟合曲线，隧道净空高度主要分布于6 350 mm至6 550 mm区间，结合邻近线路大丽线的实际运营情况，针对不同的断面形式，采取以弓形腕臂悬挂为主，其他悬挂方式为辅的解决方案。
低净空隧道内接触网悬挂可采用架空刚性悬挂和柔性悬挂。架空刚性悬挂方式已在兰武铁路的乌鞘岭隧道采用，柔性悬挂根据悬挂方式(简单悬挂或链形悬挂)主要有“人”字形悬挂、吊索“V”形悬挂或水平悬挂、弓形腕臂、弓形支撑等方式。结合本铁路隧道的具体情况，重点研究架空刚性悬挂、弓形腕臂、弓形支撑。
3.1 柔性悬挂
简单链形悬挂采用弓形腕臂结构，较之传统的接触网悬挂形式，大大缩小了承力索和接触线在悬挂点处的结构尺寸，结构简单轻便，非常适用于在低净空的隧道中采用。参考大丽铁路实际运营情况，隧道内采用弓形腕臂结构，净空需满足6 650 mm才能开行超级超限货物列车。结合本铁路隧道情况，范家湾隧道最低净空仅6 205 mm，若采用弓形腕臂结构无法满足开行超级超限货物列车的要求。
在对国内外各种低净空隧道的接触网安装方式进行研究和对比后，有了一种新的思路——弓形支架，它比弓形腕臂结构更轻巧，结构高度即上部所需隧道上部净空高度仅为350 mm。弓形支架，由弓形臂、金属底座、绝缘子、线夹组成。弓形臂的一端与底座连接，底座固定在隧道壁上，弓形臂的另一端与绝缘子一端连接，绝缘子的另一端与线夹连接。同时，弓形支架的活动框架可沿垂直框架在上120 mm～下80 mm的范围内移动，从而进一步调整接触线的安装高度。通过固定板、水平连接板、垂直框架三者不同孔位的组合连接来保证轴销垂直，使活动部分转动灵活。根据隧道净空变化，不同孔位的组合可使底座宽度在250～330 mm之间调整，以满足装置安装后，各部位均不侵限的要求。图5为弓形支架的结构示意图，图6为弓形支架在范家湾隧道K 21+320处的安装图。
图5 弓形支架结构示意图
图6 弓形支架安装图(mm)
弓形支架的绝缘子是主要受力元件，要承受绝缘子本身和悬挂在其上的接触导线的重量，以及电力机车通过时受电弓对导线的作用力。同时芯棒又作为绝缘子，要求具有良好的电气性能。因此，需要选用增强玻璃纤维树脂棒作为芯棒，硅橡胶作为伞裙材料，以达到优良的电气绝缘性能及较强的绝缘子抗弯强度。弓形支架悬挂方式在鹰厦铁路、石怀铁路中已经采用，目前运营情况良好。该安装方式能最大限度地利用隧道净空，节省隧道改造投资，受流稳定，弹性均匀，主要零部件已经全部实现国产化。然而，采用弓形支架悬挂方式，隧道净空必须满足6 350 mm的要求。全线低于6 350 mm的隧道断面分别处于黄家菁隧道和范家湾隧道内，共12段，总长度约420 m。因此，采用弓形支架方式，2座隧道需进行局部挑顶。
3.2 刚性悬挂
刚性悬挂系统广泛应用于地铁等长大隧道内的接触网。对于空间上有困难的情况，采用刚性接触网是最适合的解决方案，可大大减小空间，节省建设投资。整个系统零部件少，维护、维修成本低，具有显著的经济和社会效益。随着技术的发展，刚性架空接触网在适应列车的运行速度方面取得了很大的进步，并从20世纪80年代起逐渐得到广泛的应用。在瑞士和英国，规定刚性架空接触网列车最高运营速度为120 km/h，在我国有成功运营的刚性悬挂的最高运营速度一般不超过80 km/h，能满足本铁路的设计速度。
架空刚性悬挂由支持结构1根“П”形铝合金汇流排+1根接触线组成，支持结构一般采用垂直悬挂结构(或水平悬挂结构)，最大优点是要求净空低。同时刚性接触悬挂的铝合金汇流排具有较大的载流截面(相当于铜截面1 300 mm2)，替代了柔性悬挂承力索，使结构较柔性网紧凑，更能充分利用有限隧道空间。刚性悬挂采用无张力架设，架空刚性悬挂的悬挂点间距一般为6～10 m，锚段长度一般不大于250 m。
本铁路隧道净空最低处出现在范家湾隧道K 21+ 440处，海拔高度1 800 m，图7为该隧道断面处刚性悬挂安装图。
图7 刚性悬挂安装图(mm)
刚性悬挂较之弓形支架，安装空间更小，所需隧道上部净空高度为300 mm，极端情况仅230 mm。采用刚性悬挂的安装方式不需对隧道进行挑顶，对土建工程的影响极小。
3.3 方案的确定
上述2种悬挂方案均成熟、可靠，在干线铁路和城市轨道交通工程中均有采用，均能满足本铁路的运营要求。
表1从工程经济性上对2种悬挂方案进行比较。
表1 接触网悬挂方案工程经济性比较表
通过2种方案比较，单就隧道内接触网工程投资而言，刚性悬挂一次性投资高，约为弓形支架的3.8倍。然而，弓形支架需要较大的安装空间，土建工程费用有所增加。
结合本项目实际情况，由于弓形支架方案一次性投资小，设备成熟稳定，最终选择了弓形支架的悬挂方案。不过由于受净空限制，接触网悬挂高度和结构高度都必须精确。
该项目电气化改造完成后，已成功运行2年多时间，目前情况良好。该项目将电气化改造对既有隧道造成的影响降低到最小程度，同时解决了低净空隧道内接触网悬挂问题，为今后解决同类问题提供了新的思路。
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Research on Scheme Design and Selection of Catenary Suspension in Lower Clearance Tunnel on Existing Guangtong-Dali Railway
LAI Xin
(China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chendu 610031，China)
Abstract：The electric railway has got obvious superiority in technology，economy and environmental protection due to its large tractive power，energy conservation and environment protection and improved transportation capacity and speed.Therefore，it is the tendency to transform the existing diesel traction railway to electrified railway.However，during the transformation，the issues on erection of catenary in lower clearance tunnel shall be inevitably encountered.In the design of OCS system，restriction to the normal overhead catenary suspension mode due to lower clearance leads to the decline of the catenary suspension standard.On the existing Guangtong-Dali railway，the damages such as vaults subsidence，deflection，etc.because of the tunnel in disrepair for long years make the tunnel sections variable.So research on each tunnel section should be carried out separately.The demonstration，comparison and selection of the suspension modes of catenaries in lower clearance tunnel on the existing Guangtong-Dali railway provide a new thought for solving the similar problems in the future.
Key words：OCS;lower clearance tunnel;insulation distance;rigid suspension;flexible suspension
中图分类号：U225.2
文献标志码：B
文章编号：1674—8247(2015)03—0090—04
收稿日期：2014-08-21
作者简介：赖馨(1984-)，女，工程师。