高速铁路接触网工程高精确度施工技术探讨

王哲浩

(铁道部建设管理司,北京 100844)

高速铁路工程具有“高安全性、高可靠性、高精确度、高平顺性、高稳定性”要求,高速铁路与普速铁路接触网工程施工要求的最大区别就是高精确度,要实现高速铁路接触网工程施工的高精确度,就必须抓住控制要点,把握关键环节,以精密的测量技术、科学的工序流程、专业的施工队伍等实现高速接触网的高平顺性及高稳定性。

1 高速铁路接触网工程施工的控制要点

高速铁路接触网工程施工的主要控制要点包括：从施工测量到联调联试前的全过程施工安装及调整都必须精确测量、准确定位,确保全线接触悬挂具有持久的高平顺性。充分利用精密测量控制网(简称精测网)是实现高速铁路接触网工程施工高精确度的重要手段,同时桥梁施工、轨道铺设、接触网支柱安装等环节也是确保接触网高精确度的重要环节。

1.1 精测网与接触网施工的关系

高速铁路接触网工程施工需迫切解决的主要问题之一就是如何用系统工程的思想、方法和经验,研究优化施工组织设计方案和施工工艺、工法,在轨道未达到竣工状态、甚至轨道未铺设的情况下就开始接触网基础施工、腕臂安装和悬挂调整,并避免发生以往普速铁路接触网随轨道几何参数变化而大量反复调整的问题。高速铁路有关设计、施工标准中明确规定：应建立勘测设计、工程施工和运营维护“三网合一”的精密测量控制网。勘测设计阶段应建立基础平面控制网(CPⅠ)、线路控制网(CPⅡ)；线下工程施工完成后,应建立轨道控制网(CPⅢ)。精测网为站前工程施工、竣工验收和运营维护提供了坐标基准,也为接触网施工高精度创造了前提条件。

1.2 在高速铁路接触网工程中应用精测网

精密测量是建设高质量高速铁路最重要、最基本的条件之一[1～3]。接触线高度、拉出值等几何参数是以轨道几何参数为基准的,因此新建高速铁路接触网工程从支柱基础定位测量、腕臂测量计算安装、吊弦测量计算安装、接触线检测精调等均应以线路轨道横、纵断面设计图为依据,接触网和线路轨道专业测量都应采用统一的坐标——精测网,并作为双方施工和运营期间共同遵守的依据。

我国高速铁路桥梁及隧道地段的轨道控制网(CPⅢ)基桩通常设置在桥梁防撞墙和隧道电缆槽的线路侧面,与接触网支柱和隧道吊柱不在同一线路横断面上；路基地段的轨道控制网(CPⅢ)基桩在接触网支柱基础浇筑的同时,由设计院勘测人员设置在接触网支柱基础或轨道专业特设的混凝土基础上。

通过相关专业提供的高速铁路精测网基桩参数及其对应的线路参数、曲线桩位置坐标值及曲线参数值,可以计算确定接触网支柱侧面限界、支柱基础面相对于轨面的高差、外轨超高等,并作为接触网施工和验收土建专业预留的接触网基础工程质量的依据。根据线路控制网(CPⅡ)数据,可确定接触网车站、区间分段测量起点,可测量隧道内接触网的预留槽道、后植锚栓、下锚断面位置,可检查路基、桥梁上接触网支柱及拉线基础位置是否符合设计要求；根据轨道控制网(CPⅢ)数据,可测量核定接触网支柱及基础距离垂直线路中心线偏差及上部孔位准确性、隧道内吊柱及锚栓的施工偏差和测量并计算吊弦长度；在接触网调整尤其是精调中,根据CPⅢ精测网数据和线路拟合参数,可进一步分析判定轨道与接触网耦合是否符合相关标准要求。

1.3 高速铁路接触网工程主要施工流程

接触网与土建工程施工组织应按系统工程统筹安排。新建高速铁路路基地段接触网主要施工流程为：(路基底层施工)→接触网支柱定位测量→接触网基础浇筑(和轨道控制基桩设置)→支柱安装整正→附加导线架设→(路基表层施工)→(轨道铺设调整)→支柱及轨道线路参数测量→腕臂计算和预配→腕臂安装→承力索和接触线架设→承力索高度测量→吊弦计算和预制→吊弦和定位装置安装→接触网静态检测和调整→接触网动态检测和调整[2]。

为确保路基的稳定,接触网基础应在路基级配碎石铺设前完成。高速铁路路基底层施工完成后,专业测量人员应以线路控制网(CPⅡ)为基点设置线路中线,用全站仪进行接触网支柱基础定位测量,用水准仪控制基础面高程。当接触网基础由接触网专业施工时,整个工程项目及其各标段的施工组织设计必须对接触网基础的定位测量及基础坑开挖进行合理安排。工作中,路基与接触网专业施工双方应相互协调配合,避免路基与接触网专业施工的相互干扰。例如,京津城际铁路路基专业将线路中线等向接触网专业“交桩”,接触网工程的专业测量人员利用精测网为路基专业点测出需要的位置和数据,避免了二次测量所产生的偏差,提高了施工测量精确度。

2 高速铁路接触网工程施工偏差控制

施工偏差控制是高速铁路接触网施工的关键环节,高速铁路接触网施工精度要求高、施工允许偏差小。接触网施工精度越高、施工偏差越小,则接触网平顺性越高、受电弓受流质量越好、受电弓和接触网寿命越长,越能满足高速铁路安全可靠和高稳定性的要求。

2.1 控制接触网施工偏差的方法

已开通的多个高速铁路接触网工程检测结果分析表明：在施工测量、数据计算、预配加工、现场安装和质量检测等环节均会产生偏差,产生偏差的原因有人员、机具、材料、方法、环境等因素,每个环节的偏差都是由这些方面的偏差叠加而成。

人员方面的控制。由于施工人员的技术水平、身体条件(如视力)、心理活动(如责任心)各异,所以同一道施工工序会有不同的质量结果。控制施工人员作业质量的有效措施是“施工人员专业化”,即根据高速铁路接触网施工特点,分别组成测量组、计算组、予配组、基础施工组、安装架线组、设备安装组、调试检测组等专业化作业组,且组内人员及其工作分工相对固定。专业化作业人员经过长期的反复实践,熟能生巧,操作技能可以不断提高,为高速铁路接触网施工作业高精度和更小的作业误差离散性奠定基础。

机具方面的控制。没有先进的施工机具和检测器具,技术水平再高的作业人员也极其困难、甚至不能满足设计文件和标准规范要求的施工允许偏差。例如,用接触线静态参数光学测量仪取代普通的测量杆后,施工测量偏差范围可以明显缩小。对同一对象采用不同类型规格或虽然类型规格相同但不是同一台仪器进行测量时,很可能发生一台仪器的测量结果存在正偏差,而另一台仪器的测量结果却存在负偏差,因此对同一单位或单项工程,其测量器具也应相对固定。

材料方面的控制。施工安装材料都有其生产制造公差,因此必须考虑其影响。例如,在编制腕臂计算软件程序、进行腕臂计算时都要考虑绝缘子等材料的生产制造公差,腕臂预配时将其影响消除掉,避免累计施工偏差。

施工方法的控制。施工方法即施工工艺、工法,包括施工工序流程和施工计算软件。例如,为避免附加悬挂架设后引起支柱倾斜值变化,造成已调整的接触悬挂位置改变,应在附加悬挂架设后再测量(用于腕臂和吊弦计算的)支柱有关参数,这点在曲线地段和接触网设计张力较大时尤其要注意。

环境的控制。作业周围环境对施工偏差也有不利影响。例如,因为超声波在空气中的传播速度与环境温度成一定函数关系,所以接触网施工中使用的超声波式测量仪器从室内存放环境到室外测量现场,至少要有10 min以上适应现场环境温度的过程,否则测量偏差可能超标。

2.2 消减接触网施工偏差叠加的方法

消减高速铁路接触网施工偏差叠加的方法之一是避免量值传递的叠加偏差。例如,数据集合A是若干个施工测量值(如,支柱的侧面限界及其斜率等等),数据B(如,腕臂下底座连接孔中心至斜腕臂上定位环的距离)和数据C(如,下底座连接孔中心至斜腕臂上套管绞环的距离)均是由数据集合A得出的计算值,那么计算B时就不应以数据C作为计算元素。

方法之二是除控制人、机、料、法、环等5个方面施工偏差外,还需在接触网施工测量、数据计算、预配加工、现场安装和质量检测等5个环节控制施工偏差,并尽可能在后一环节消减前一环节的施工偏差。例如,高精度的支柱参数测量可消减支柱安装偏差对腕臂计算产生的不利影响。

方法之三是严格控制计算偏差。计算偏差控制是高速铁路接触网工程施工的关键和难点。接触网的受力是一个复杂多变的空间力系,且接触网各子系统之间相互影响。为实现测量和计算高精度,腕臂计算软件的数学模型应考虑下列因素,并可以通过大量的实测得到这些因素的经验数据。

(1)支柱受力变形。支柱承载后会产生变形(挠度),高速铁路比普通铁路的接触悬挂张力明显加大,应在支柱承受接触悬挂和附加导线的全部荷载后测量支柱参数。

(2)腕臂装配材料受力变形。除绝缘子外,腕臂装配其他材料为金属件。腕臂装配材料受力后将产生弹性和塑性变形,且这些零配件之间的间隙大小会改变。

为实现测量和计算高精度,吊弦长度计算数学模型则应考虑下列因素。

(1)曲线地段吊弦长度变化量。悬挂点和跨中接触线与铁道线路中心的水平位置存在一个中矢值的差值,此值又因铁路外轨超高的存在使接触线距轨面连线中心的高度产生一个差值。

(2)铁道线路竖曲线引起的吊弦长度变化量。

(3)接触线设计有预留弛度、集中荷载(如绝缘子)时的吊弦长度变化量。

(4)承力索位置变化。悬挂点处的承力索水平及垂直位置应在支柱承受接触悬挂和附加导线的全部荷载后测量,以消减承力索受力后位置变化和腕臂安装施工的偏差影响。

2.3 加强专业接口管理

要实现高速铁路接触网工程高精确度,在做好上述工作的同时,要做好工程测量、桥梁施工、轨道铺设等环节的接口管理工作,并应加强施工质量管理和各环节的工程质量过程控制,确保接触网支柱及基础安装满足有关标准要求。

(1)加强施工测量工作。桥梁施工时应对CPⅠ、CPⅡ控制点等进行全面复测,桥位中线控制点和线路水准基点应在桥梁施工测量前进行贯通联测,同时,在施工期间加强CPⅠ、CPⅡ及线路水准基点控制网复测维护工作。桥梁墩台施工完毕、梁体架设以前,应对全线墩台的纵、横向中心线、支承垫石顶高程等进行贯通复测,确保桥梁中线位置准确,避免因施工测量或施工放样误差造成接触网支柱及基础与线路中线净距不符合标准要求。

(2)严格桥梁施工过程控制。墩台基础中心允许偏差、墩台前后和左右边缘距设计中心线允许偏差应符合桥梁施工标准要求；支座的支撑垫石及锚栓预留孔应加强复测工作,确保梁体横向偏差控制精度要求；梁体(含现浇梁)制造时严格控制桥上接触网支柱基础距离梁体中心线距离,并满足设计要求；在浇筑接触网支柱基础之前应进行复测,接触网支柱基础严禁出现负偏差。对于预制架设箱梁,架设过程中更应严格控制其横向偏差。

(3)确保轨道板及接触网支柱施工精度要求。轨道板铺设前应根据CPⅢ精测网,对轨道板位置、桥上接触网支柱基础预留位置进行复测,确保轨道板、接触网支柱基础与线路中心的距离符合设计要求。在安装接触网支柱之前,应利用CPⅢ精测网对接触网支柱距线路中心距离进行全面测量,确保接触网支柱基础位置满足设计要求。

3 结语

通过自主创新、集成创新和引进消化吸收再创新,我国高速铁路接触网施工技术和管理水平有了长足进步。通过对高速铁路接触网像机械钟表那样精心设计、精确施工和精细保养,严格控制其施工偏差,我国高速铁路接触网在世界上首次实现满足双列重联动车组双弓取流、350 km/h运营速度的商业运行。同时,我国普速铁路接触网工程施工也应充分应用精测网,严格控制施工偏差,实现接触网工程的高精确度,满足弓网良好受流质量和列车安全运行要求。

[1]TB10621—2009,高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]TB10758—2010,高速铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[3]铁建设[2010]241号,高速铁路电力牵引供电工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[4]张彦水.武广铁路客运专线350 km时速接触网施工关键技术探讨[J].铁道标准设计，2010(1)：184-186.

[5]王小明，李冬立.武广铁路客运专线站后预留接口施工质量通病及防治方法[J].铁道标准设计，2010(1).