西安地铁地裂缝带接触网技术研究

唐晓岚

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

由于自然和人为等因素的作用和影响,自20世纪70年代后期以来,西安市区先后出现了13条地裂缝带,自北向南依次编为f0～f12,同时还有明显活动的次级地裂缝f6′、f9′。其中有10条地裂缝与西安地铁2号线相交,有5条地裂缝与西安地铁1号线相交8次,8条共15次穿越西安地铁3号线,其活动时间之长和规模之大,尚属罕见。

地裂缝是西安地铁独特的地质现象,因其不定期活动,将导致地裂缝处结构下沉,这是西安地铁建设的技术难点问题,也是国内外地铁建设史上极为罕见的技术难题,在国内外城市轨道交通工程中,目前还没有可借鉴的资料。为满足西安地铁2号线2011年9月开通运营的要求,如何尽快解决架空刚性接触网安全可靠、经济合理地通过地裂缝带,以及架空刚性接触网在地裂缝活动过程中的安装及调整,对于保证工程建设是非常迫切的。

为此，结合地裂缝处结构及轨道的研究处理措施,对地裂缝地段架空刚性接触网技术方案进行了深入的分析和研究。

2 地裂缝分布及结构、轨道处理措施

根据铁道第一勘察设计院、长安大学等单位针对西安地铁2号线所做的《西安市轨道交通2号线穿过地裂缝带的结构措施专题研究》结论,地裂缝的基本活动方式是上盘下降、下盘相对上升,同时还产生近南北向的拉张和微量的扭动共3方面的活动特征。因此地裂缝的活动一般具有三维变形特征：即垂直位移、水平引张位移和水平扭动位移。而地裂缝水平引张位移、扭动总量很小,可以忽略不计。

地裂缝地段的结构措施应保证百年安全运行,必须准确估算各地裂缝在未来百年的最大垂直位移量,在此基础上确定地裂缝地段设计垂直位移量,各地裂缝百年预估垂直位移极限值如表1所示。

表1 各地裂缝百年预估垂直位移极限值 mm

注：Amax为地铁使用期内各条地裂缝与地铁2号线交汇点的最大垂直位移量估算值。

西安地铁2号线经过地裂缝地段隧道结构主要采用浅埋暗挖法施工的扩大马蹄形衬砌断面,针对不同地裂缝结构预留高度为400～600 mm,地裂缝结构设防段长度分别为75～200 m。具体针对西安地铁2号线工程在不同地裂缝区段的结构预留高度及设防段长度见表2。

结合西安地铁2号线沿线各条地裂缝未来最大垂直位移量和地裂缝带的设防长度等资料,提出结构处理措施如下。

(1)地铁2号线经过地裂缝地段隧道结构主要采用浅埋暗挖法施工,结构断面的类型主要为扩大高度的马蹄形断面和极少部分矩形断面。

(2)对地裂缝的运动变化只考虑垂直地面向下运动一种方式,在其他方向的运动变化均可忽略不计。

(3)隧道向下运动的结构处理按照不少于100年地裂缝下沉量预留高度。

2号线地裂缝分布及结构断面处理情况见表2。

表2 2号线地裂缝分布及结构断面处理情况

根据《西安市地铁2号线地裂缝地段轨道综合技术研究》结论,地裂缝设防处轨道采用可调式框架板整体道床,框架板下所设厚50 mm的调高垫板及厚100 mm的调高垫块可与扣件调高量组合设置,从而实现从1～500 mm之间的连续调高,根据地裂缝的变形量,通过扣件铁垫板下加设调高垫板实现调整,从而保证轨面高程不变。

综上所述,西安地裂缝的主要活动方式是垂直错动,它具有随时间累积的特征,因此地裂缝带接触网应主动适应变形,在土建结构基础上设防,在轨道高程不变的情况下,仅只考虑地裂缝的竖向垂直位移量,横向调整量很小仅考虑调整误差量。因此，在确定架空刚性接触网通过地裂缝带的技术方案时,首先应结合各条地裂缝结构处理措施、结构断面类型、结构设防段长度及结构断面预留高度进行分析研究。

3 地裂缝带接触网主要技术方案

3.1 地裂缝带接触网设置原则

通过以上对地裂缝的分布情况和地裂缝活动规律、地裂缝带结构、轨道专业的各种处理措施详细分析后,认为在地裂缝设防段架设架空刚性接触网,需要处理好地裂缝设防段与正常隧道断面区段的衔接过渡问题，以及设防段接触网的特殊结构形式、零部件结构问题等,并确定了以下设计原则。

(1)根据f0～f12各条地裂缝的不同活动规律、结构的设防长度,设置与之相适应的刚性接触网独立的小锚段,利用刚性锚段关节将正常区段接触网与地裂缝设防段接触网从机械上安全隔离。

(2)为了适应地裂缝设防段结构垂直方向的变化,采用沿垂直方向可调整吊柱结构,以满足地裂缝设防段隧道整体下沉变化后将接触网导高向上调整的需要。

(3)根据地裂缝设防段结构断面预留高度,接触网悬挂支持结构在设计时考虑一定的调整量。

3.2 地裂缝设防段接触网锚段长度方案

地裂缝设防段接触网随着地裂缝的3种活动方式同样存在着相同的运动,如果直接与非设防段接触网采用直接连接的方式,在地裂缝剧烈活动时或者未及时调整设防段接触网安装时,容易造成对正常段接触网的损伤及破坏,扩大接触网事故范围。根据地裂缝地段接触网设置原则,为了防止以上问题的发生,将地裂缝设防段与正常段的接触网相对独立,使得地裂缝设防段接触网可以随着地裂缝的各种活动自由地适应地裂缝活动变化。由于两段接触网相互独立、互不影响,因此避免了在地裂缝剧烈活动时,接触网内部结构应力突变而造成结构破坏。

结合各地裂缝结构设防长度,地裂缝设防段接触网锚段长度设置有以下2个方案。

方案一：采用正常段刚性接触网锚段长度250 m。

方案二：采用针对地裂缝带结构设防长度的不同,刚性接触网设置不同锚段长度独立小锚段,该锚段与两边相邻的锚段通过锚段关节实现非设防段与设防段之间过渡连接,在锚段关节内通过设置的软铜绞线实现两者之间的电气连接,详见图1。

图1 接触网独立小锚段跨越地裂缝设防段布置方案(单位：m)

根据表2中可知,各地裂缝设防段结构总长度为75～200 m,若采用方案一,对于地裂缝设防段结构总长度较小的地裂缝,接触网锚段中有大部分悬挂点需设在正常段上,存在当地裂缝剧烈活动时或者未及时调整设防段接触网安装时,造成对正常段接触网的损伤及破坏,扩大接触网事故范围。

采用方案二可以缩小地裂缝活动后对架空刚性接触网的影响范围及运营维护调整工作量,独立小锚段的具体长度根据隧道结构的具体设防长度,同时需考虑刚性接触网布置技术要求及地裂缝活动时对正常锚段产生的影响最小等因素,最终确定的独立小锚段长度的计算一般按如下公式计算

式中LWS——地裂缝带接触网独立小锚段长度,m;

LJS——地裂缝带隧道结构设防长度,m。

两方案优缺点比较见表3。

表3 方案优缺点比较

经以上分析比选,地裂缝设防段接触网锚段长度最终采用方案二,接触网独立小锚段跨越地裂缝设防段的方案如图1所示,各地裂缝设防段刚性接触网锚段长度见表4。

3.3 地裂缝设防段刚性接触网结构方案

目前地铁地下段接触网悬挂形式一般采用架空刚性悬挂,架空刚性悬挂从结构安装形式上主要分2类,一类是在国内地铁如广州地铁，上海地铁，成都地铁，西安地铁1、2号线等采用的垂直悬挂方式,还有一类是瑞士FurrerFrey公司使用的水平腕臂方式。结合各地裂缝结构预留高度,对以下2个方案进行分析比选。

表4 地裂缝设防段刚性接触网锚段长度

方案一：可调吊柱垂直悬挂方式

该安装方式为隧道安装净空>4 800 mm时采用,而地裂缝设防段隧道净空均为高净空,可调吊柱垂直悬挂方式如图2所示。

图2 可调吊柱垂直悬挂方式

方案二：水平腕臂方式

该安装方式根据隧道断面安装净空的不同,采用隧道断面高度相匹配的吊柱,水平腕臂安装方式如图3所示。

图3 水平腕臂方式

两方案优缺点比较见表5。

表5 方案优缺点比较

对于地裂缝区段,为了维护管理的方便简单以及接触网安装的整体美观协调,在确保地裂缝设防段特殊要求的前提下,对跨越地裂缝设防段的小锚段内的刚性接触网应尽量采用与正常段结构类型相似的安装方式。根据对地裂缝设防处隧道断面的归纳整理,地裂缝设防段在地铁运行初期的隧道断面接触网安装净空均为大于4 800 mm的断面类型,同时如表2所示,地裂缝处结构断面预留最大高度为600 mm,方案一能更好的适应地裂缝活动后净空的变化。方案一采用上、下可调整安装高度的可调吊柱,可调吊柱的调整范围为0～600 mm,以满足地裂缝设防段隧道整体下沉变化后将接触网导高向上调整的需要。

综上所述,地裂缝设防段刚性接触网结构方案采用方案一,该方案继承了传统垂直悬挂刚性接触网的所有优点功能,克服了调整范围小不能满足地裂缝设防段调整需求的缺点,在功能上完全满足地裂缝带接触网调整量的需求。可调吊柱在调整前后对照安装示意如图4、图5所示。

图4 初期阶段接触网安装示意

图5 考虑地裂缝变形后接触网安装示意

4 运营、维护管理的方便性

由于架空刚性挂接触网在地裂缝设防段设置独立小锚段,与相邻锚段通过锚段关节采用电缆连接,该方案锚段长度短,影响范围小,从而避免由于地裂缝沉降引起对正常区段悬挂点的影响,大大减小了运营维护中因地裂缝变形而引起的接触网大面积调整的工作量。

同时在地裂缝设防段接触网结构采用可调吊柱安装形式,可调吊柱底座在吊柱上较大范围内上、下移动粗略调整导高,通过“T”形螺栓对导高做细微调整以满足导高变化时调整需要,灵活地处理了地裂缝处接触网因地裂缝变形量引起所需调整的相关项目。

总之,本设计方案适应地裂缝带活动规律及现状,满足结构垂直位移百年沉降量,同时具有活动元件少,且支持结构简单、可调吊柱具有水平和垂直双向调节的功能,零部件较少、各零部件连接牢靠、数据变化小的优点,满足因地裂缝处结构变化而引起的刚性悬挂拉出值和导高的调节,因此，无论是日常维护、事故抢修、更换接触导线等,本方案的维护工作量要少得多,其维护成本也相应较低,且运行方便灵活,维护简单且范围小,为可行的处理方案。

5 结语

本研究成果已在西安地铁2号线成功应用,西安地铁2号线已于2010年9月开通运营,从现场施工安装情况及运营现场测试数据来看,研究成果符合工程实际情况,施工安装方便、调整灵活,同时运营维护工作量小,减少了运营维护费用。

实践证明,研究成果有效地解决了西安地铁工程刚性接触网系统关键技术及接触网跨越地裂缝带设计、施工和运营的难题,同时,也为西安地铁后续工程及今后类似工程设计提供借鉴。

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