不同供电制式对轨道交通线路隧道断面的影响

孙 莉

(深圳市城市交通规划设计研究中心有限公司，518034，深圳∥工程师)

某机场联络线是连接境内、外两大国际机场，并同时提供过境功能的大运量快速轨道交通系统。该线列车最高速度拟选用140 km/h。全线长约51 km，其中境内段约25 km，境外段约26 km;共设车站4座，车站站间距较大;全线约有42 km线路拟采用地下形式。

对于供电制式的选择，境外很多城市已经建成的、最高速度在140 km/h左右的快速轨道交通系统，如香港机场快线及西铁线和东铁线、法国巴黎机场铁路、日本东京市郊铁路、德国法兰克福机场铁路和伊朗德黑兰郊区铁路等，有采用DC 1 500 V直流制式的，也有采用AC 25 kV交流制式的。两种供电制式各有优缺点。

一般来讲，DC 1 500 V直流供电制式由于供电电压低，使牵引变电所数量较多、供电系统投资较高;而AC 25 kV的供电电压高，使牵引变电所数量较少、供电系统投资较少，但由于增加了车辆变压器及整流器，使车辆价格、车辆重量及牵引能耗也相应增加，特别是由于供电电压的升高而引起绝缘距离的增加，使隧道断面增大，从而导致土建投资较高。本文将具体讨论采用不同供电制式对轨道线路隧道断面的影响程度，希望在量级上对两种供电制式的土建工程投资差别做出判断。

1 隧道断面形状的确定

1.1 相关案例

由于机场联络线最高速度为140 km/h，国内目前在建或已建成的地铁线路就无可参考。香港机场线最高速度135 km/h与本线接近，有一定的参考价值。香港机场快线车辆高度比3 800 mm(大陆标准高度)稍低，其接触网线最低高度为3 950 mm，比大陆普通80 km/h速度地铁的最低高度4 040 mm稍低;香港机场快线圆形隧道直径在为5.1～5.5 m，根据施工图可见，其圆形隧道标准断面的直径为5.4 m。香港西铁线虽然隧道较长，但由于隧道设计考虑了远期货物列车的通过能力，其圆形隧道直径为7.6 m，无直接参考价值。通过寻找国内外类似的工程资料，发现各方面都类似于机场联络线情况的工程资料较少，故需要针对机场联络线工程的情况，对车辆高度、速度进行假设后，再对隧道断面的大小进行研究。

1.2 对隧道断面形状的假设

在研究隧道断面大小时，由于地质条件不同而导致施工方法的不同，有盾构圆形隧道断面、矿山法马蹄形隧道断面、明挖矩形隧道断面等。为了方便工程对比，本文假设两种供电制式下全线都采用圆形隧道断面。虽然这与实际情况有所差别，但考虑到对比涉及的因素太多，不可能面面俱到，只能去难就简。通过本文对单种隧道断面形状的研究来确定两种供电制式下的隧道断面大小，以达到从总体上对工程投资差别的认识。

该机场联络线假设采用双洞圆形隧道形式，双洞之间设有连接通道。隧道断面的大小取决于多项因素，包括:车辆限界、疏散和维修通道的宽度及所在地点的高度、架空接触网的安装高度和所需净空高度等。某机场联络线假设的典型直线隧道断面如图1所示。

图1 某机场联络线假设的典型直线隧道断面

2 接触网的形式和安装特点

2.1 架空刚性接触网

接触网的架空刚性悬挂方式在城市郊区铁路和地铁、轻轨系统已得到了广泛的应用。这主要得益于它与架空接触网其他悬挂方式相比具有突出的优势。就不同电压制式的供电系统来说，目前世界上采用刚性悬挂接触网的轨道交通大致上有直流1 500 V/750 V和交流25 kV等几种制式。本文则主要从普遍采用的DC 1 500 V供电系统和AC 25 kV供电系统两种制式，初步研究架空刚性接触网在地铁盾构圆形隧道中安装所需的空间，进而分析两种电压制式下，刚性接触网对圆形隧道建筑限界的影响。

刚性悬挂接触网主要有铝合金汇流排、接触导线、绝缘元件和悬挂装置等组成(如图2)。其中铝合金汇流排既作为固定接触线的嵌体，同时又作为导电截面的一部分。这种悬挂方式根据线路通过能力及电流量的大小，又有单接触线式和双接触线式两种。根据铝合金汇流排截面的不同又分为T型与Π型两种。假设两种供电制式的接触网都采用“Π”型刚性悬挂形式。

图2 接触网Π型刚性悬挂结构示意图

2.1.1 “Π”型刚性悬挂的特点

“Π”型刚性悬挂汇流排的当量截面积为1 200 mm2，相当于接触网架空柔性悬挂方式的8根150 mm2硬铜绞线。其下嵌入传统柔性悬挂接触导线后，即等同于柔性悬挂方式的承力索、接触导线和架空馈电线的作用。因而刚性悬挂的结构形式相对于传统的柔性悬挂接触网来讲结构更为简单、紧凑。

刚性悬挂接触网处于无张力自然悬挂状态。它依靠铝合金汇流排的刚性来保持接触导线的位置恒定，不需要像柔性悬挂设置重力下锚张力装置，使悬挂结构变得更加简单，节约了有限的隧道空间，也节约了投资成本。

由于刚性悬挂接触网不存在张力作用问题，完全消除了突发的断线事故之忧。同时，因刚性悬挂结构简单，系统的安全性、稳定性及可维护性等均较柔性悬挂要好。故刚性悬挂接触网提高了运营的安全、可靠性，同时也使维护变得更容易。

2.1.2 “Π”型刚性悬挂的形式

架空刚性接触网在悬挂支持结构的形式上有多种实现方式，就“Π”型汇流排而言，隧道内主要有垂直式悬挂形式、水平腕臂悬挂形式和玻璃纤维绝缘棒式的悬挂形式等。垂直式悬挂形式的结构简单紧凑、安装空间小，尤其适用于净空较低的圆形隧道;水平腕臂悬挂形式具有调节灵活方便的优点，主要用在矩形地下车站、隧道外的敞开区段和高架车站等处;玻璃纤维绝缘棒式的悬挂形式采用加强玻璃纤维树脂材料的绝缘棒，其结构轻巧，适用于低净空隧道内。

2.2 影响接触网安装空间的因素

确定刚性悬挂的安装空间主要基于以下因素。

1)地铁车辆限界:参考国内普通的车速80 km/h地铁的直流电动车辆，其车辆高度为3 800 mm(以轨面起算，下同);交流电动车辆暂等同直流电动车辆考虑。

2)受电弓工作范围及动态包络线:参考深圳地铁已建成的线路工程，碳滑板宽度为800 mm;受电弓弓头全宽为1 550 mm，受电弓落弓后高度为3 873 mm。

3)接触导线的最低悬挂高度:直流1 500 V制式的接触导线在隧道内的最低悬挂高度为4 040 mm;交流25 kV制式需重新按计算确定。

4)空气绝缘间隙要求:两种电压制式下，对空气绝缘间隙的要求是不同的，应根据IEC913—1988《电力牵引架空线》和TB10009—98《铁路电力牵引供电设计规范》的规定办理。

5)绝缘等级的要求:两种电压制式下，接触网绝缘子在隧道内的泄露距离不同。DC 1500 V要求绝缘子的泄露距离不小于250 mm;AC 25 kV要求绝缘子的泄露距离不小于1 200 mm。

6)不同悬挂结构形式的安装要求:不同悬挂结构形式在安装尺寸上的要求不一。对两种电压制式的刚性接触网则主要是汇流排的类型和绝缘子的安装尺寸不同。

7)施工误差:主要是刚性悬挂的调整安装误差和线路(主要是轨道高度)、土建的施工误差等。

2.3 确定接触网安装的范围

垂直式悬挂在深圳地铁已建成的速度为80 km/h的线路工程中得到广泛应用，在国内其他城市中亦有在速度120 km/h线路上的使用案例。根据机场联络线速度为140 km/h及以上的要求，垂直式刚性悬挂结构需作进一步试验研究。以下则着重对其在圆形盾构隧道的安装空间进行粗略的分析。

1)垂直式悬挂装置的安装范围如图3所示。

图3 垂直式悬挂装置的安装范围

2)两种电压制式下接触导线最低悬挂高度的确定。考虑到车辆高度、车辆动态包络线高度(提升裕量)、受电弓落弓高度、接触导线到车辆包络线的空气绝缘距离、汇流排在跨中的弛度、汇流排的施工误差、轨道的施工误差等多种因素的影响，DC 1 500 V电压制式下接触导线距轨面的最低悬挂高度一般为4 040 mm，DC 1 500 V接触导线到车辆包络线的空气距离为150 mm，AC 25 kV接触导线到车辆包络线的空气距离为300 mm。所以，AC 25 kV电压制式下接触导线距轨面的最低悬挂高度取4 040+300－150=4 190 mm。

3)两种电压制式下刚性接触网安装高度的确定见表1。

表1 两种电压制式下Π型刚性接触网的安装尺寸 mm

3 两种供电制式下隧道开挖量对比

通过上述的粗略分析和计算可知，DC 1 500 V供电制式下垂直式刚性悬挂，需要的圆形隧道最小直径约为5 400 mm;AC 25 kV供电制式下垂直式刚性悬挂，需要的隧道最小直径约为5 900～6 050 mm。即在交流供电制式下的绝缘子采用350 mm的安装长度时，其隧道直径比直流供电制式下直径约大500 mm;在交流供电制式下绝缘子采用500 mm的安装长度时，其隧道直径比直流供电制式下直径约大650 mm。

DC 1 500 V制式下隧道的内直径为5 400 mm，盾构壁厚和开挖余量暂按300 mm计，则开挖总直径为5 400 mm+2×300 mm=6 000 mm。

AC 25 kV制式下隧道的内直径最小为5 900 mm，盾构壁厚和开挖余量暂按300 mm计，则开挖总直径为5 900 mm+2×300 mm=6 500 mm;AC 25 kV制式下隧道的内直径最大为6 050 mm，盾构壁厚和开挖余量暂按300 mm计，则开挖总直径为6 050 mm+2×300 mm=6 650 mm。

在车站范围内，无论采用何种供电制式，若采用明挖形式，则可认为开挖量相同。同样，在明挖隧道区段，也认为开挖量相同。

全线4座车站平均长度假设为250 m，总长度则为1 km，故全线有41 km线路拟采用地下隧道形式，共计单洞隧道总长度为82 km。两种供电制式下隧道开挖量见表2所示。

表2 两种供电制式下的隧道开挖量

由表2可知，AC 25 kV供电制式比DC 1 500 V供电制式的隧道土方开挖量增加40～53万m3。

4 结语

通过以上分析可知，对于最高速度为140 km/h的机场联络线，在采用架空刚性悬挂接触网的前提下，AC 25 kV供电制式与DC 1 500 V供电制式相比，隧道土方开挖量约增加40～53万m3。

因机场联络线有21 km位于境外，境外的土建造价相当于境内的2～3倍，所以采用交流制式与直流制式相比的土建造价差别将进一步扩大。因此，在不考虑其它因素单从本文所定的隧道尺寸来看，牵引供电制式采用DC 1 500 V可节省土建投资。

据相关资料，国内已运营的最高车速120 km/h的广州地铁3号线采用5.4 m直径的常规隧道，在车速接近最高速度时，乘客有压力变化感觉;与本机场联络线最高车速相近的香港机场线采用的是5.1～5.5 m直径的隧道，但隧道长度较短，乘客没有明显感觉。限于专业的原因，本文未能考虑列车活塞风对隧道断面的影响，在实际应用中，两种供电制式下的隧道断面的具体尺寸尚需结合空气动力学效应等影响隧道断面的因素作进一步的探讨。

［1］ 宗传苓，覃矞，孙莉，等.港深机场轨道联络线前期研究［R］.深圳:深圳城市交通规划研究中心，2009.

［2］ 于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统［M］.四川:西南交通大学出版社，2008.

［3］ 郑瞳炽，张明锐.城市轨道交通牵引供电系统［M］.北京:中国铁道出版社，2006.