西安地铁通过地裂缝带处的供电设备安装问题研究

段立新

(中铁第一勘察设计院集团有限公司, 710043, 西安//教授级高级工程师)

西安市已查明的地裂缝有13条。地裂缝的基本活动方式除产生近南北向的拉张和微量的水平扭动外，还呈现以上盘下降、下盘相对上升的垂向高度变化的三维活动特征。西安首条地铁线2号线与12条地裂缝交叉，面对此难题，通过科研找出了各地裂缝带活动的规律，解决了隧道通过地裂缝带的结构处理问题。本文在结构沉降处理基础上，研

究供电设备安装适应结构变形的合理方案。

1 研究前置条件

(1) 车站选址范围不受地裂缝带分布密度限制，实际工程中变电所可随车站位置完全躲开地裂缝带,不能避让的供电设施主要是隧道内架空刚性接触网和中压环网电缆。

(2) 因供电设备均在土建结构基础上安装，地裂缝带供电设备安装方案研究应在土建设防段研究成果基础上开展。

(3) 地裂缝带土建结构可随时间推移主动适应沉降等变化，但轨道需在适应结构下沉后通过研制特殊道床上升而保持轨面标高始终不变，所以地裂缝变形前后要求供电设备相对于轨面位置不变化。

2 地裂缝带接触网主要设防方式

解决接触网如何适应地裂缝变化的最好方法，是将地裂缝区段接触网与其它区段的接触网在一定范围内相互隔离，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的变化，其它区段接触网维持正常。由于两种区段的接触网相互独立、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。因各地裂缝带相互独立，呈条形分布于地铁沿线；各条地裂缝结构设防宽度不同，且均未超过刚性接触网250 m的最长锚段长度。因此，各地裂缝段刚性接触网设置为不等长度独立小锚段穿越地裂缝。

刚性接触网悬挂支持结构主要有垂直悬挂方式和水平悬挂方式两种。垂直悬挂方式具有对隧道净空要求低、应用较多、水平及垂直方向调节均比较方便等特点。虽然其弹性不如水平悬挂方式，但综合来看，垂直悬挂方式更适应于地裂缝的活动特征，经济性较好。因此，地裂缝带接触网支持结构原则上确定采用垂直悬挂方式。

3 刚性接触网垂直悬挂支持结构选型

3.1 刚性接触网水平安装调整量

地裂缝带的水平拉张运动和扭动量一般为1～2 mm，最大不超过l0 mm[1]。由于刚性接触网拉出值(±250 mm可调)和汇流排顺线路方向伸缩量(最大为150 mm)远大于地裂缝水平各向10 mm调节量，因此通过调整垂直悬挂支持结构能满足地裂缝水平方向变形量要求。

3.2 刚性接触网垂直安装调整量

因地裂缝横向调整量很小，可按调整误差量考虑。在轨道标高不变时，仅考虑地裂缝的竖向垂直位移量，接触网应在表1所示土建结构处理基础上设置防护方案。

表1 西安地铁2号线与地裂缝交汇点处地裂缝最大垂直位移量Amax及结构处理高度

针对地裂缝地段的垂直位移运动，要求地裂缝设防段的接触网在垂直方向上具有一定的可调整功能。在100年安全运行期内，针对不同地裂缝，接触网在垂直方向上的调节范围应不小于该地裂缝的最大垂直位移量Amax，最终按照土建结构处理高度控制调整量。

3.3 可调吊柱安装方案

各地裂缝带隧道结构处理预留百年最大垂直位移量范围为400～600 mm，而刚性接触网垂直悬挂方式中一般吊柱的垂直调整量不超过300 mm，因此一般吊柱不满足要求，需要选用高限吊柱进行研究。

为满足接触网安装需求，文献[4]设计了一种在地裂缝设防段内满足刚性接触网悬挂的高限可调式吊柱，地裂缝设防段刚性接触网悬挂采用高净空、可固定调节的安装方式。如图1所示[4]。垂直悬吊底座在立柱上较大范围内上、下移动以粗略调整导高，六角头螺栓可对导高做细微调整，使得刚性接触网的接触线悬挂高度完全满足接触网平面设计的高度要求。

该设计满足地裂缝设防段隧道整体下沉时的高度调节量，可避免刚性接触网遭到破坏，保证接触网设备及行车安全。

图1 可调吊柱安装方案示意图

3.4 关键部件理论分析

图1中安装于靠近隧道顶部的可调整吊柱选材为工字型钢，其承担了整个刚性接触网垂直悬挂调整的主要任务，是刚性接触网地裂缝带的关键部件，必须进行重点研究。

用SOLID建立可调整吊柱有限元实体模型进行仿真分析，如图2～4[2]所示。材料选用Q235A，密度为7 800 kg/m3,拉伸破坏应力为399.8 MPa。

图2 可调吊柱模型图

图3 可调吊柱网格划分加载示意图

仿真结果表明，零件应力最大为88.32 MPa，小于Q235A材料的许用应力160 MPa，零件满足使用要求。后来的工厂试验也验证了这一结果。

4 地裂缝带环网电缆敷设

4.1 环网电缆竖向调节方案

地裂缝的活动引起隧道结构沉降，造成敷设在结构断面上的电缆高度发生变化，电缆支架受力不均，电缆走向及支架变形较大。因此，需采取措施避免或降低地裂缝活动对电缆敷设的影响。

电缆敷设时，应按照地裂缝带变形量计算，预留足够的电缆长度，电缆支架按托臂可调式进行设计。电缆支架在隧道内的敷设位置如图5所示。

图4 分析结果示意图

图5 地铁电缆支架敷设位置限界图

在地裂缝设防范围内，采用托臂可调式电缆支架。该支架本体采用角钢，托臂为可移动式，用螺栓紧固在支架上。支架每隔10 cm预留一个螺栓孔和支撑板，用于托臂的固定和支撑。电缆支架的高度根据地裂缝的最大垂直位移而定。因地裂缝设防段隧道净空较大，环网电缆一般敷设在隧道壁其它管线的上方(上方有足够的空间加大电缆支架托臂高度)。按不同的地裂缝竖向位移变化，考虑采用1.6 m、1.7 m、1.8 m三种高度的电缆支架(假设电缆支架原需高度为1.2 m)。地裂缝带电缆支架(与正常区段对照)安装如图6所示。

4.2 环网电缆水平方向调节

由于地裂缝带的水平拉张运动和扭动量最大不超过10 mm，经分析，环网电缆的波浪状敷设以及托架安放电缆的自由度完全满足10 mm调节裕量，所以原电缆支架敷设方案及可调支架方案均能适应地裂缝带水平方向结构变形。

电缆支架托臂考虑采用350～400 mm宽度，与原电缆支架的宽度相同，因此不会影响其它管线和限界。

图6 地裂缝带和正常区段电缆支架安装对照图

4.3 运营维护

对西安地铁2号线所穿越地裂缝进行长期监测，及时获得其变形量和时间段，当竖向位移达到10 cm时，进行支架托臂的调节。利用环网电缆采用的“S”形敷设所预留裕量适应电缆支架的位移变化。

5 结语

本文阐述了地裂缝带供电设备中有关刚性接触网和环网电缆的工程处理措施及方案研究过程，主要结论如下:

(1) 变电所设备随车站可以避让地裂缝带而不予考虑;

(2) 地裂缝水平各方向变化位移比较小,刚性接触网及环网电缆顺线路及垂直线路方向均可以完成调节,无需特殊处理;

(3) 地裂缝竖向位移及土建结构相应变化比较大,刚性接触网及环网电缆必须对关键部件进行特殊设计及研究才能适应;

(4) 运行中地裂缝带土建结构可随地裂缝沉降而轨面标高不变,应根据测量的结构沉降尺寸调整刚性接触网吊柱和环网电缆支架高度适应变形。

本研究成果解决了地裂缝带供电设备设计、施工及运营维护难题，并已应用于西安地铁2号线。

该线自建成开通以来至今运行正常。因地裂缝是随时间推移呈渐进式变化的，随着时间的延长观测数据也在不断积累，建议根据新观测地裂缝带活动数据研究相应变化规律及土建结构方案，并进一步研究接触网和环网电缆方案的变化。