铁路电气化改造工程接触网支柱和基础结构选型设计

温希华，徐前卫，巩川宝

（1.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2.同济大学交通运输工程学院，上海 201804；3.中铁二十一局集团有限公司，兰州 700070）

1 引言

为进一步实现中国铁路跨越式发展，全面提高铁路电气化发展水平，在大量新建电气化铁路的同时，对既有运营铁路进行合理的电气化改造也成了迫在眉睫的任务。电气化铁路的正常运行需要接触网提供持续动力，因此，接触网施工是电气化改造工程中的重要一环。电气化列车往往运行速度快，引起接触网的波动大，导致支柱基础承受较大的瞬间荷载【1】。其不仅直接承受上部结构荷载，而且还要将荷载进一步向下部地基转移分布。因此，为确保营业线铁路电气化改造的顺利实施，正确和合理地选择接触网支柱和基础型式，对于保障支柱与路基的整体稳定性，并进而稳定弓网关系，减小接触网振动等而言至关重要。

本文结合芜湖南—广德铁路电气化改造工程，开展适于机械化施工的接触网支柱及基础型式选取的研究。这不仅可为铁路电气化改造工程提供技术支撑，而且对提高机械化施工程度、缩短工期以及降低工程造价等均具有指导意义【2】。

2 工程概况

芜湖南—广德铁路电气化改造项目位于安徽省中东部，经由芜湖、宣城2 市，全长146.3km。全段包括芜湖南站等9 个车站及芜湖至芜湖南等10 个区间，其中，接触网直埋基坑开挖及混凝土支柱组立4 469 处，拉线基坑开挖及制作1 030处；钢柱基础开挖、浇制1 389 处。

3 营业线铁路接触网支柱选型

3.1 接触网支柱型式及技术特点

3.1.1 接触网支柱型式

国外电气化铁路的接触网支柱结构型式多样，且各不相同，主要包括预应力混凝土环形支柱、圆形钢管支柱（如日本）、H 型钢柱（如韩国、法国）和槽钢组合型钢柱（如西班牙、德国）【3】。

我国电气化铁路接触网支柱类型有很多，主要有横腹杆式预应力混凝土支柱、预应力混凝土环形支柱、H 型钢柱、槽钢组合型钢柱以及环形截面钢管柱等。

3.1.2 接触网支柱技术特点分析

根据国内外现状及相关工程经验，铁路电气化改造中可能应用的接触网支柱技术特点如下【4~6】：

1）横腹杆式预应力混凝土支柱。具有“高强、低价、防腐蚀、无维修”等性能，可大幅度降低工程造价。

2）预应力混凝土环形支柱。具有“使用无方向性、强度高、质量稳定”等特点，在电气化铁路中有较多使用。

3）H 型钢柱。具有“制造简单、连接零件类型多、造价高、使用有方向性”等特点，可直接选用型钢。

4）钢管支柱。具有“适用范围广、承载能力高、外形易统一、连接零件类型少”等特点，在国外电气化铁路有采用。

5）薄壁离心钢管混凝土支柱。具有“使用无方向性、承载能力高、适用范围广”等特点，但重量较大，在电气化铁道上尚缺乏运营经验。

3.2 营业线铁路接触网支柱选型

对于营业线铁路改造工程，考虑到薄壁离心钢管混凝土支柱使用重量较大且内部缺陷不易检测，从方便机械化施工的角度出发，适合的接触网支柱型式有预应力混凝土支柱、H型钢支柱以及钢管支柱等。

4 营业线铁路接触网基础选型

4.1 基础型式及技术特点

4.1.1 接触网基础型式

德国、法国、日本等国接触网支柱的配套基础型式相对较少，主要有无台阶侧向承载式基础（矩形断面，如日本、法国和英国）和桩基础（小径钢管桩、钻孔灌注桩，如德国和西班牙）【7】。支柱基础均采用机械施工，基坑钻孔成形或直接打桩。

我国接触网支柱基础型式主要包括：直埋式基础、明挖扩大式基础、无台阶侧向承载式基础、预制混凝土管桩式基础、钻孔浇筑桩式基础等【8~12】，但基础型式大多不适合机械化施工，且依赖人工开挖基坑。

4.1.2 接触网基础技术特点分析

综合国内外的应用情况来看，可用于铁路电气化改造的不同类型接触网基础形式的技术特点如下：

1）直埋式基础。施工简便，工期短，质量易控制，施工完毕后可立即负荷使用，尤为适于既有线铁路改造，但其承受载荷相对较小。

2）明挖扩大式基础。需人工开挖基坑和回填，耗费大量人力资源，且工期长；由于挖深较大，坑壁边坡易失稳；后期对基坑进行原状土回填夯实，容易扰动路基，基础自身稳定性亦有影响。

3）无台阶侧向承载式基础。断面多为矩形，人工开挖基坑，目前国内尚无专门的机械施工设备。

4）打入式钢桩基础。在德国应用较多，但施工容易对路基产生较大扰动。

5）预制混凝土管桩式基础。施工时对周围土层产生一定的扰动，而且施工设备较为庞大，不便于移动。

6）钻孔浇筑桩，采用了钻孔机械施工，具有噪声低、振动小、施工方便、工作效率高等优点。

4.2 营业线铁路接触网基础选型

考虑到营业线路基不允许有较大的施工扰动，故首先排除不适宜的打入式钢桩基础及预制混凝土管桩基础；其次，无台阶侧向承载式基础的断面一般为矩形，目前国内尚无专门的机械施工设备，多由人工开挖，故该基础型式也予以排除；再者，明挖扩大式基础虽然具有较大的容量，但基础平面形状多为矩形断面，也无专门的机械开挖设备，加之此类基础基坑开挖较大，对运营路基产生扰动大，底部扩阶深入道床底部严重影响路基、道床整体稳定性，同样予以排除。因此，从方便机械化角度出发，适合营业线铁路电气化改造的接触网基础型式主要有直埋式基础、机械钻孔桩基础（钻孔灌注桩、干作业螺旋钻孔桩）。

5 芜广线接触网支柱基础选型设计

5.1 芜广线接触网支柱基础选型

由于独立式基础和钻孔浇筑基础在基坑开挖完成后，还需要绑扎钢筋、支模板和浇筑混凝土，不仅耗时长，而且工序烦琐，故该基础型式不适合机械化作业。相对而言，直埋式基础可采取机械开挖基坑，插入立柱后再直接回填土，不仅耗时短，而且无需特定的养护时间，便可直接进行后触网续接的安装作业。横腹式预应力混凝土直埋基础如图1所示。

图1 横幅式预应力混凝土支柱直埋式基础

5.2 接触网基础设计原则

接触网基础的作用是用来稳定支柱，使其不产生倾覆、歪斜以及下沉。对于营业线铁路而言，直接埋设式整体支柱往往是将支柱底部埋设在地下，埋置深度一般为3m，地下埋设部分兼起基础的效能，其四周回填土逐层夯实。基础的稳定条件为：

式中，Mj、MH为极限荷载和工作荷载；Pj、PH为极限抗倾覆力矩和工作抗倾覆力矩；K0为抗倾覆安全稳定系数，取1.5。

6 结语

本文结合芜湖南—广德线铁路电气化改造工程，通过对国内外接触网支柱和基础结构型式及其施工技术现状的调研分析，有针对性地开展了既有铁路电气化改造工程接触网支柱及其基础的合理结构型式选取及设计的研究，最终为采用新技术水准的设计和高质量标准的工程提供物质条件，也为最终促进铁路线路设计等级的提高而服务。