隧道内承力索旋转腕臂偏移量的分析与计算

郭奉迎

0 引言

安装旋转腕臂时需根据安装时的环境气温和“承力索旋转腕臂安装曲线”确定其偏移量。根据《铁路电力牵引供电隧道内接触网设计规范（TB10075-2000）》规定：“隧道内接触网设计气温应依据隧道长度及该锚段在隧道内的长度确定。当2/3锚段长度及以上位于长度大于2 000 m的隧道内时，设计气温可按比隧道外接触网设计气温最低值高5℃，最高值低10℃取值；其余情况可以与隧道外接触网设计气温取为一致。隧道内接触网的最高计算温度宜为所取最高设计气温的 1.5倍。”按该规定计算得出的安装曲线，在隧道净空较富裕、隧道内锚段长度又较合理的情况下是可行的。但对于一些特殊情况，按规定方式计算出的结果与实际情况可能存在一些差别。本文就几种特殊情况进行分析与计算。

1 隧道内部特殊情况与工程案例

1.1 隧道内部特殊情况

（1）隧道净空较紧张或特定地理条件下的隧道。

（2）当对隧道进行缺陷（衬砌厚度不足、衬砌背后脱空等）整治，需占用相当一部分净空（如达万线采用加套衬方式进行缺陷整治）。

（3）隧道内预留的下锚位置使锚段过长。

由于隧道内气温的变化并不是线性的，距离隧道口近的悬挂点温度变化范围大些，反之则小些。因此，准确计算与评估隧道空间内因承力索伸缩造成的旋转腕臂的偏移量，精准确定腕臂偏移范围，确定预留净空在顺线路方向的宽度，为准确设计承力索悬挂高度以及腕臂等接触网部件与拱璧之间的绝缘距离提供可靠的理论数据是很有必要的。

1.2 工程案例

达万线分水寺隧道全长4 745.47 m，按预留下锚位置，进入隧道的第一锚段长度为2 058 m，中心锚结左侧长度为1 000 m，其中隧道外有218 m，隧道内有782 m；右侧长度为1 058 m，全在隧道内。隧道内大部分区段需进行缺陷整治，整治措施是在隧道拱部加套衬层，套衬层厚度根据缺陷程度确定为200或300 mm，因此造成接触网的安装空间大大压缩。经多方案（如水平悬挂、刚性悬挂等）技术经济比选，决定采用“弓形腕臂”悬挂承力索、定位绝缘子定位接触线的方案，安装示意图略。

2 承力索伸缩引起的腕臂偏移量计算

2.1 计算条件

根据达万线电气化改造工程中接触网初步设计规定，气象条件如下：

（1）隧道外。最高温度为40℃；最低温度为-5℃；最高计算温度为40×1.5 = 60℃；腕臂和定位器无偏移时的温度为27.5℃。

（2）长大隧道内（隧道长度在2 000 m及以上）。根据隧道外气温确定，最高温度为30℃；最低温度为 0℃；最高计算温度为 30×1.5=45℃；腕臂和定位器无偏移温度为22.5℃。

（3）由于隧道内气温的变化并不是线性的，根据“通化（2009）1008”《隧道内全补偿简单链形悬挂安装图》，隧道内温度变化曲线如图1所示。

图1 隧道口至隧道内7 500 m处温度变化曲线图

该曲线是在兰（州）武（威）铁路乌鞘岭隧道内接触网设计中经对隧道内气温的实测资料，并结合国内外长大隧道内运营经验和有关参考文献，由中外专家共同确定的。

2.2 特殊控制点的偏移量计算

2.2.1 隧道内第一锚段的右侧半锚段偏移量

由于隧道口第一锚段的中心锚结远离隧道口780 m以上，右侧半锚段全部位于隧道内，温度变化范围较小，其偏移量按《铁路电力牵引供电隧道内接触网设计规范（TB10075-2000）》进行计算，其结果是偏于保守的，在此不作过多讨论。

2.2.2 隧道内第一锚段的左侧半锚段偏移量

由于隧道口第一锚段中心锚结左侧半锚段的环境差别较大，隧道外有218 m，隧道内有782 m，总长度为1 000 m。从隧道外到隧道内782 m范围内，温度的变化量是不同的，是一个非线性的变化过程，如果只考虑某一种情况，计算是不精确的，有可能给工程安全带来潜在的不安全因素。

（1）按常规方式计算隧道进口处1#悬挂点的偏移量。该悬挂点距中心锚结780 m，按常规方式计算，即

式中，b为旋转腕臂偏移量；L为悬挂点至中心锚结距离，取值为780 m；线胀系数α取值为17×10-6（1/℃）；Δt为实际温度与腕臂无偏移时温度之差，按隧道内计算条件，即最高计算温度=（+40-10）×1.5=45℃，最低计算温度=-5+5=0℃；腕臂无偏移温度=45/2=22.5℃（计算时取为 23℃）；θ =0.000 6（考虑新线蠕变是较短期过程，在悬挂调整时已基本达到正常状态，故在计算中暂不考虑该影响）。

将上述条件代入式（1），计算结果如表1所示。

表1 隧道入口处1#悬挂点处腕臂偏移量与温度变化的对应关系表

（2）利用温度变化曲线计算1#悬挂点处承力索最大伸缩量。将中心锚结至1#悬挂点（共780 m）分成若干小段，并将“隧道内气温变化曲线”在CAD中放大，然后查温度变化曲线得到各小段的最高和最低设计温度（平均值），以各小段的温度变化范围计算出该小段承力索最大伸缩量，将各小段的伸缩量累计到1#悬挂点处，得到该点的最大伸缩量，见表2。

（3）确定定位器无偏移温度。根据表 2，右侧半锚段各小段的“定位器无偏移温度”计算值见表3。

从表3可知，右侧半锚段各小段的定位器无偏移温度接近 25℃，故可将定位器无偏移温度设定为25℃。此时，1#悬挂点在最高温度时腕臂偏移量数值见表4。

表2 隧道口至中心锚结处各小段范围内承力索伸缩量及累计伸缩量数值表

表3 定位器无偏移温度计算值表

表4 1#悬挂点在最高气温时腕臂偏移量数值表

3 结论

综上所述，可得出以下结论：

（1）根据表4计算值绘制成安装曲线后可知，在长大隧道内，靠近隧道口区段，由于气温变化与距隧道口的距离呈非线性变化关系。因此，在同一大气温度情况下，各悬挂点的旋转偏移量与距离中心锚结长度的关系，并不是按常规计算方法得到的线性关系，而是非线性关系。

（2）根据计算得到的最大偏移量，确定在隧道缺陷整治（加套衬）区段安装弓形腕臂处，对净空给予适当预留，其范围确定为顺线路方向左右各800 mm是合理的。

即，800 - 305 = 495 mm＞300 mm（空气绝缘距离），考虑新线初伸长和施工误差，应留有适当的余地（其中“305 mm”见表1）。

（3）从表 3可以看到，各计算段最高计算温度与最低计算温度的平均值都接近 25℃。因此，可将达万线长大隧道内（2 000 m及以上）定位器无偏移温度确定为25℃。

[1]中华人民共和国铁道部.铁路技术管理规程.北京：中国铁道出版社，2007.

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[3]刘长利，田志军，宫衍圣.隧道内接触网槽道式基础的预埋设计[J].电气化铁道，2006z：33-37.

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