高速铁路接触网接口优化设计研究

吴亚飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化设计处,西安 710043)

高速铁路接触网接口优化设计研究

吴亚飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电气化设计处,西安 710043)

结合具体工程,就高速铁路接触网与线路选线、信号设备、轨道控制网、桥梁声屏障、挡风屏等接口问题,通过计算分析,对接口工程进行优化设计,以提高工程建设质量。

高速铁路;接触网;接口工程;优化设计

截止2013年底,高速铁路营业总里程突破1万km,预计到2020年,将达到1.6万km以上。高速铁路的建设,是一项技术新、情况复杂的多系统互相配合的系统工程,存在着大量的接口工程设计[1]。从线路方案研究至运营通车,接口工程伴随着工程建设的始末。接触网工程与站前工程中线路、桥梁、隧道、路基、站场、轨道控制网等专业存在接口设计;与站后工程中动车、信号、通信、综合维修、防灾、给排水、环保、房屋建筑等专业存在接口设计[2]。为了使各个系统能够紧密结合,达到整个系统运营安全、可靠的目的,必须处理好接口关系,在设计阶段需协调处理好接口设计。结合工程实际,通过接触网与线路选线、信号设备安装、轨道控制网布置、声屏障及挡风屏几个方面接口设计优化,为高速铁路接触网接口设计提供有价值的参考。

图1 城际铁路与大西客运专线相互位置(单位:cm)

图2 城际铁路与大西客运专线供电线相互位置示意(单位:cm)

1 接触网与线路选线

1.1 桥上接触网对线路影响

西安北客站是西安重要的综合交通枢纽。车站东端接入了郑西客运专线、西成客运专线、大西客运专线及设计中的西铜城际铁路,线路方案采用三线并行,城际铁路与大西客运专线并行段落较长,且线路采用桥梁方案。本着线路安全距离、节约集约用地及优化投资比例的原则,配合线路合理选择线路走向和线间距。

大西客运专线及城际铁路均采用AT供电方式,考虑线路并行区段较长,为减少对既有接触网运营干扰及运营安全,不考虑将AF线改至柱顶等改造方案,线间距控制因素为大西客运专线AF线与城际铁路AF线安全距离、大西客运专线AF线与城际铁路施工期间的架桥机安全距离均应满足相关要求,相互位置关系见图1。其中d1为大西客运专线AF线与架桥机的安全距离; d2为大西客运专线AF线与城际铁路AF线的安全距离;L为大西客运专线右线与城际铁路左线的距离。在最大风偏的情况下,架桥机边沿与牵引供电设备带电体之间的距离不小于2 000 mm,不同相或不同分段两导线之间的水平距离不小于2 400 mm[3]。

风荷载由公式(1)[4]计算,最大风偏计算公式见公式(2)[4]

公式(1)、(2)中,p为风荷载,kN;α为风速不均匀系数;K为风负载体型系数;v为设计计算风速, m/s;d为线索的直径,mm;l为跨距,m;T为线索张力,kN。

AF线采用JL/LB1A-315,跨距为50 m,AF最大张力为12 kN,AF线外径为20 mm,风速不均匀系数取0.85,风负载体型系数取1.1,风偏风速取30 m/s,计算得知,bmax为27 cm。

以导线舞动为最不利的条件,d1为227 cm,d2为294 cm。大西客运专线线梁宽12 m,城际铁路梁宽12.2 m,采用的TLJ900型架桥机横向宽18 m[5],结合图1,可知架桥机施工作业时L为1258 cm,考虑AF间安全距离,L为1 364 cm。取较大者,故城际铁路与大西客运专线线间距不小于1 364 cm。

1.2 桥下供电线对线路的影响

在城际铁路与大西客运专线并行区段,在桥下架设有供电线,线间距的选择取决于桥梁与供电线之间的距离,其相对位置见图2,d3为桥梁边沿距供电线在最大风偏时的距离,且不小于3 m[3],供电线肩架与梁面等高,架桥机对供电线的安全距离满足要求。与1.1节中相同,先计算出bmax。

供电线采用JL/LB1A-250,跨距为60 m,最大张力为12 kN,供电线外径为20 mm,风速不均匀系数取0.85,风负载体型系数取1.1,风偏风速取30 m/s,利用公式(1)、(2),计算得知,bmax为24 cm,则图2中d3为32.4 cm。

供电线支柱侧面限界为距大西客运专线左线15 m,结合图2,可以计算出,城际铁路右线与与大西客运专线左线之间的最小距离为2 403 cm。

2 接触网与信号设备

2.1 车站接触网与信号设备

高速铁路车站信号设备密集,咽喉区因道岔转辙机与接触网基础、设备易出现接口设计问题。以某客运专线车站为例,车站采用1/18道岔,其转辙机采用多机多点牵引转换方式,转辙机基础横向宽度1.5 m,纵向宽度为2 m,岔前两处转辙机基础边沿距离为1.6 m,岔后两处基础边沿距离为2.8 m。接触网支柱及拉线侧面限界为3.0 m,支柱基础纵向宽度范围为900～2 450 mm。由于岔前道岔柱距理论岔心为10～15 m,岔后道岔柱距理论岔心不小于25 m。接触网与信号协调配合,满足信号设备及接触网安装需求。优化设计后的接触网与信号设备相对位置见图3。

图3 接触网与信号设备相对位置

接触网接地干线与信号系统接地干线在接地网上引接点间距宜大于5 m。若支柱上安装避雷器,避雷器接地点与信号系统在接地网上引接点间距宜大于15 m[6]。接触网与信号设备毗邻处,接触网支柱分支引接线与贯通地线不连,通过PW线接地。避雷器接地应单独设接地极,并与信号设备在综合接地线引接点的间距大于15 m。

2.2 区间接触网与信号设备

高速铁路采用列车控制系统(CTCS),区间一般无通过信号机;若普速车上线,则区间需采用地面信号机。桥梁和隧道区段一般采用矮柱信号机,区间路基区段采用高柱信号,且信号机地面以上高度为6 800 mm[7]。区间路基接触网支柱高度为7 600 mm,正馈线悬挂高度为6 800 mm,保护线悬挂高度为5 200 mm。接触网设备与信号机位置关系见图4。

由图4可以看出,信号机在接触网跨中时,AF线最大风偏时易出现不满足上述要求的情况。

图4 接触网设备与信号机位置关系(单位:mm)

AF线最大风偏计算方法与第1.1节中相同,相关参数取值相同的情况下,得知bmax为27 cm。由于信号机外缘部分距接触网带电体的距离不小于2 000 mm[8],信号机高度不变,则图4中AF线肩架有效长度L最小为2 270 mm才能满足要求。同时为减少AF线风力作用下的摆动,可将AF线悬挂改为“V”悬挂或增加水平固定支撑。

工程实践中,经行车校验,在不影响行车能力的情况下,可适当降低信号机高度[7],使正馈线在风力作用下的摆动范围距信号机外缘不小于2 000 mm。

3 接触网与轨道控制网

轨道控制网(CPⅢ),主要为轨道铺设和运营维护提供控制基准,控制点的高度一般距轨面0.3 m。路基地段控制点一般设置在接触网支柱基础上或独立的混凝土立柱上[9]。接触网补偿坠砣随温度进行上下运动,CPⅢ控制点在坠砣下方时可能会影响坠砣工作。以某高速铁路为例,确定坠砣在最高温度时距基础面的高度,坠砣距基础面的高度由接触线、承力索与温度变化有关,其安装曲线见公式(3)[4]

式中,bmin为坠砣底部至基础面之间的垂直距离,取200 mm;n为补偿装置变比,取3;L为中心锚结至补偿装置之间的距离;θ为新线延伸率;α为线胀系数,取17×10-61/K;tmax为最高温度,取80℃;tx为安装时温度。

经计算,最高温度时承力索张力补偿坠砣底面距基础面500 mm,最高温度时接触线张力补偿坠砣底面距基础面200 mm。因接触网基础纵向宽度为900 mm,在安装补偿装置的接触网支柱上,下锚坠砣侧的接触网支柱基础不应设置CPⅢ控制点。

此外,CPⅢ控制点不能影响隔离开关机构箱检修,隔离开关操作机构箱宽为400 mm,箱体底部距基础面500 mm,故在安装隔离开关操作机构的支柱侧,不应设置CPⅢ控制点。

为避免施工时发生上述冲突,接触网施工图中应将上述易发生干扰的接触网位置提供给轨道CPⅢ控制点设计专业,使接触网基础及CPⅢ控制点与土建工程同步施工。工程实践中,CPⅢ控制点也可采取利用支柱预留孔,用螺母固定CPⅢ控制点方式避免相互干扰。

4 接触网与声屏障

4.1 产生的原因

时速250、350 km高速铁路分别采用宽度为12、12.2 m的简支箱梁[10-11]。直线区段,接触网下锚补偿坠砣(含抱箍)在静止状态下距H型钢柱田野侧翼板80 mm;经核算,12 m宽箱梁上声屏障插板距接触网H型钢柱田野侧翼板仅65 mm;导致声屏障影响下锚补偿坠砣的自由升降。当H型钢柱上安装电动隔离开关时(开关居中安装,操作机构箱宽度为400 mm),与声屏障也存在干扰问题。

4.2 解决方案

结合声屏障的结构,合理选择接触网支柱高度。但要解决声屏障插板干扰坠砣的问题,则需接触网与声屏障相互避让,协调解决。主要分为2种类型。

类型一:中间柱。声屏障吸声板应避开接触网支柱法兰盘所处的立体范围,吸声板安装时,板材的厚度可根据现场情况适当减少,以避免与接触网支柱螺栓、柱加劲板、底板等发生干扰。

类型二:下锚柱及开关。为顺线路方向,考虑预留接触网坠砣限制架及坠砣空间及检修空间,下锚方向距声屏障最近H型钢立柱钢板最外边缘不小于1500 mm,非下锚方向支柱边缘距声屏障H型柱边缘不小于500 mm。垂直线路方向,声屏障结构位置不侵入接触网下锚柱法兰盘范围,不小于150 mm。由于安装隔离开关的支柱上设有操作机构箱,可参照下锚柱处的方案进行处理。处理方案效果见图5。

图5 接触网下锚补偿处声屏障处理方案

5 接触网与挡风屏

兰新铁路第二双线新疆段风区中有125座桥梁,对箱梁与T梁分别采用单侧4 m、双侧4 m及双侧7 m高3种形式的桥梁挡风屏。[12]。桥梁上部结构采用13 m简支槽形梁,在槽形梁上设置了挡风屏,由挡风立柱及挡风板组成。以双侧设4 m挡风屏为例,挡风立柱采用H型钢柱,纵向2 m一处,挡风板高4 m,挡风墙内侧距线路中心3.305 m,挡风立柱内侧距线路中心3.520 m,挡风屏距线路中心3.455 m。虽挡风屏与声屏障结构类似,但由于挡风屏作为防风设施,受风摆动幅度大,所以本文4.2节处理方案不适用于挡风屏。

根据参考文献[13],利用ANSYS有限元模型计算中间柱、转换柱、下锚柱的风荷载及适应性,选用H型钢柱才能满足基础构造要求。接触网中间柱侧面限界为3 015 mm,支柱外侧距挡风屏内侧225 mm;转换柱及下锚柱侧面限界为3 170 mm[13],支柱外侧距防风屏内侧190 mm。

根据挡风屏结构及挡风立柱里程,结合大风区接触网支柱跨距,可将中间柱、转换柱设于挡风立柱内侧。下锚柱补偿处,由于选用外径为360 mm的铁坠砣及传统的坠砣固定方式,在风力作用下坠砣会与挡风屏碰撞,特别是曲线内侧处。将坠砣由圆形调整为方形,且宽度不大于340 mm,采用导向轮与坠砣限制杆坠砣滑动方式固定坠砣,控制了坠砣在大风作用下的摆动。

6 结语

高速铁路接口设计是工程设计、建设中的重要内容。通过分析接触网与线路、信号、轨道、环保及桥梁工程在设计时存在的问题,优化了与上述工程接口,提高了工程建设质量。随着BIM(建筑信息模型, Building Information Modeling)技术在我国工程建设行业的发展,由于其具有可视化、纠错性、信息共享等优点,通过协同设计,建立三维几何模型,更好地指导高速铁路接触网与相关工程的接口设计。

[1] 潘英.浅析客运专线电气化系统接口技术[C]∥客运专线技术研讨会论文集.北京,2006:15.

[2] 中华人民共和国铁道部.TB 10621—2009高速铁路设计规范(试行)[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[3] 中华人民共和国铁道部.TB 10009—2005铁路电力牵引供电设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[4] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都:西南交通大学出版社,2003.

[5] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2010]125号铁路桥梁施工机械配置指导意见[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[6] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]39号铁路防雷、电磁兼容及接地工程技术暂行规定[S].北京:中国铁道出版社,2007.

[7] 潘长玉.高速铁路AT供电方式下的信号机构安全距离分析[J].铁道标准设计,2014,58(4):120-122.

[8] 中华人民共和国铁道部.TB 10007—2006铁路信号设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2006.

[9] 中华人民共和国铁道部.TB 10601—2009高速铁路工程测量规范[S].北京:中国铁道出版社,2010.

[10]铁道部经济规划研究院.通桥(2008)2322A-Ⅱ无砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)跨度:31.5 m(直、曲线)[S].北京:铁道部经济规划研究院,2010.

[11]铁道部经济规划研究院.通桥(2006)2221-V时速250 km客运专线有砟轨道后张法预应力混凝土简支箱梁(双线)跨度:31.1 m (直曲线、现浇)[S].北京:铁道部经济规划研究院,2006.

[12]拉有玉,李永乐,等.兰新铁路第二双线防风技术及工程设计[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2010(4):106-107.

[13]刘改红.兰新铁路第二双线大风区接触网支柱选型[J].甘肃科技纵横,2011(3):154-156.

Study on Optimized Design of High-Speed Railway OCS's Interface

WU Ya-fei
(China Railway the First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

With reference to engineering practices,the interface engineering is optimized through calculation and analysis to improve the construction quality in terms of such issues as OCS,routeselection,signal equipments,CPIII control point,bridge sound-barrier,groove beams windscreen,

High-speed railway;OCS;Interface engineering;Optimized design

U238;U225

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.12.028

1004-2954(2014)12-0116-04

2014-03-20;

2014-06-19

吴亚飞(1982—),男,工程师,2005年毕业于西南交通大学,工学学士,E-mail:13991255163@163.com。