杨清太

（中国铁建电气化局集团有限公司，北京 100043）

1 引言

电气化铁路接触网通常分为刚性悬挂和柔性悬挂。我国国铁接触网通常采用的是柔性悬挂的方式，而在地铁施工中则多采用刚性悬挂的方式[1]。刚性接触网是一种工程造价高、安全可靠、无或少维修的供电方式，在国内外地铁领域中的应用已较为成熟。刚性悬挂接触网以其明显的优势在城市地铁建设中呈现出广阔的应用前景[2]。在国铁施工中主要采用柔性悬挂，但在既有线新建电气化铁路中，由于既有隧道净空高度的影响，隧道改造很难，往往不能满足柔性悬挂安装的要求，因此在隧道内则采用刚性悬挂的方式，这样在刚性悬挂和柔性悬挂过渡区段就形成了一个刚柔过渡区域。武九线新建电气化铁路施工过程中，由于既有陈家冲隧道的净空高度过低，在隧道中设计了刚性悬挂的悬挂方式。

2 存在问题

武九铁路新建电气化接触网工程中，陈家冲隧道因净空高度较低而采用刚性悬挂方式，其余区段均为柔性悬挂方式。在相关技术专家的指导下，隧道内刚性悬挂的接触线高度、拉出值、坡度等均满足设计要求和相关技术标准；刚柔过渡区段采用贯通式，即采用刚性逐渐减小的切槽式汇流排实现刚柔过渡，并符合验收标准。

全线施工完毕后，在接触网冷滑试验中发现：刚柔过渡区段的弓网关系较为恶劣，没有实现设计要求的平滑过渡。通过冷滑的数据可以看出：当受电弓由刚性接触网滑向柔性接触网时，会出现短暂的离线现象；而当受电弓由柔性接触网滑向刚性接触网时，会有较大硬点的冲击[3]。

3 安装及理论分析

针对冷滑中出现的问题，技术人员对刚柔过渡区段进行反复检查，包括贯通式汇流排的方向、接触线高度、坡度以及柔性区段的接触线高度、坡度等，均未发现技术参数超标的现象。为了更好地说明问题，证明弓网关系恶劣并非施工原因造成的，本文首先简单介绍刚性悬挂及施工安装。

3.1 刚性悬挂的组成

接触网刚性悬挂方式主要由铝合金汇流排、接触线、绝缘子、悬挂装置和底座及预埋锚栓组成，如图1 所示。

图1 武九刚性悬挂现场安装图

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，因此，刚性悬挂没有柔性悬挂中的承力索、吊弦等部件，进而就没有结构高度的概念，为低净空隧道提供了悬挂接触线的空间。武九铁路使用的铝合金汇流排为π 形结构，既便于安装又能使嵌入的接触线更加稳定，更利于运行安全。

3.2 施工安装

3.2.1 锚栓打孔预埋

按照设计图纸和隧道里程表，对隧道进行了测量定位、钻孔吹洗和预埋螺栓之后，开始对吊柱底座进行安装。锚栓打孔预埋流程主要分为：测量阶段（桩点放样）→施工阶段（定位打孔预埋）→验收阶段（拉拔试验）。打孔预埋化学锚栓以及拉拔试验的具体操作步骤为：打孔→清孔→注胶→预埋锚栓→拉拔试验。

3.2.2刚性悬挂的安装

在锚栓预埋拉拔实验后进行吊柱及支持结构安装，然后，再对刚性悬挂组成件进行安装。

其施工顺序为：汇流排安装→中心锚节安装→接触线架设与卡嵌→膨胀关节安装等。整个汇流排由若干节12 m 长的汇流排连接而成，每300～500 m 为1 个锚段，设1 个膨胀接头和1 个中锚，以适应温度变化。每8 m 设1 个定位装置，悬挂汇流排，并确定导高、拉出值及左右摆动幅度。刚性悬挂施工中的重点是汇流排的安装及刚柔过渡。汇流排长12 m，高11 cm，两端各有4 对连接孔，其中，隧道口各有1 根加强汇流排和1 根刚柔过渡件。整个隧道内的汇流排分为若干个锚段，每个锚段可同时安装。一般从隧道口刚柔过渡件开始安装，再依次向内安装。在安装前先用铁丝成八字形将第二个悬臂固定。刚柔过渡件外端距第一个定位4.3 m，并用铁线加以固定。对接两汇流排时，连接夹板预先套入前一汇流排内，但不要拧紧可活动，后一块汇流排向前推移对接。在做中间接头时，应用卡尺和2 块夹板将两汇流排夹平齐后再拧紧固定。汇流排夹200 mm 内不得有接头。当全部汇流排安装完成后，根据膨胀接头安装曲线表，调整膨胀单元间汇流排间隙，并在汇流排终端打加强螺栓孔。刚性悬挂接触网系统是将传统弹性悬挂接触网导线钳入铝制汇流排上，使受电弓在无弹性的导线运行取流。

从以上叙述中可知：汇流排卡嵌着接触导线，受电弓与导线直接接触，向电力机车输送电能。刚性悬挂处的承力索在隧道口下锚，接触线一直贯通到隧道内。这样，在隧道外和隧道内就会形成1 个刚柔衔接的区域。

3.3 刚柔过渡分析

目前，刚柔过渡方式有贯通式刚柔过渡和关节式刚柔过渡，贯通式刚柔过渡采用柔性接触线与刚性逐渐递减的切槽式汇流排来过渡；关节式刚柔过渡采用柔性接触线与刚性汇流排平行架设形成锚段关节来完成过渡。武九线采用的是贯通式刚柔过渡，从运行角度来看，贯通式在安全系数上、在最高速度限制上都要优于关节式。

前面对刚性悬挂做了简单了解，对上述冷滑中出现的弓网关系恶劣情况，通过分析，大致可以从2 个方面进行考虑。

3.3.1 弹性均匀度

刚性悬挂接触网与柔性悬挂接触网由于本身结构上的不同，弹性系数也不尽相同。

1）柔性悬挂接触网的弹性计算

柔性悬挂接触网某点的弹性计算与跨距长度、承导线的设计张力以及该点到定位点的距离有关。其中，跨中的弹性最大，定位点最小。下面以公式进行计算说明：

式中，R 为柔性悬挂接触网某点的弹性，mm/N；x 为计算点到悬挂点的距离，m；L 为跨距，m；Tc为承力索张力，kN；Tj为接触线张力，kN。

以武九线相关参数为例，跨距L 取50 m，承力索张力Tc为15 kN，接触线张力Tj为10 kN，那么，跨中的弹性值：

2）刚性悬挂接触网的弹性计算

刚性悬挂接触网由于其自身的特点：在悬挂点处采用的是汇流排刚性悬挂固定。这样，可以近似认为，在70 kN 的受电弓抬升力作用下，刚性悬挂几乎没有抬升量，其数值可以近似认为是0。

通过以上计算可知：柔性悬挂接触网的弹性在跨中是0.5 mm/N，而刚性悬挂接触网的弹性近似为0。受电弓在从柔性接触网过渡到刚性接触网的瞬间，由于其弹性的突然变化，在刚柔过渡区域必然会产生硬点，因此，在刚柔过渡区域安装更加优良的过渡汇流排，更加匹配刚柔过渡区段的弹性变化率是解决弓网关系恶劣的一项措施。

但是，通过实际测算，刚柔过渡区段的过渡汇流排并不能很好地解决刚柔过渡问题，这是结构上的问题，并非可以简单解决的问题。对此，需要从其他方面入手考虑。

3.3.2 刚柔过渡区段的接触线高度匹配

通过进一步的检测和分析，在刚柔过渡区段2 种悬挂的接触线高度匹配度不高，坡度变化过大，进一步加剧了弓网关系的恶劣程度。

武九线设计导高一般为6 450 mm，而隧道由于净空限制，刚性悬挂的接触线高度为6 000 mm，在刚柔过渡区域，接触线高度要从隧道内的600 mm 逐渐过渡到6 450 mm，按照施工标准，坡度变化率应不大于3‰，施工中应控制在2‰以内。最初施工考虑从隧道口第一个柔性悬挂定位点开始进行接触线高度的调整，按照不大于2‰（即100 mm）的变化率进行变化。通过分析可知，在上述情况下，电力机车受电弓由柔性接触网进入刚性接触网瞬间，由于弹性的突然变化，受电弓在机械力作用下无法瞬间变化，将产生阶跃现象，造成受电弓的瞬间撞击，形成硬点。反之，会出现瞬间离线现象。这和冷滑中出现的问题趋于一致。

通过上述分析可知，弹性均匀度的匹配问题在当时情况下是不可更改的；而接触性高度坡度变化是可以优化的。

4 改进方法

在论述解决方案之前，先来理解一个概念，即受电弓最大抬升量。受电弓在机械力和速度双重作用下，对柔性悬挂接触网有1 个抬升量。计算公式：

式中，P 为静态和动态压力，N；70 为受电弓静态压力，N；V 为设计速度，km/h；R 为弹性值，mm/N。

隧道按最高时速120 km/h 进行设计，将数据代入公式，则跨中的受电弓最大抬升量Δh=84×0.5=42 mm。

通过上述计算可知，定位点与跨中相差42 mm 的抬升量，而为了实现柔性接触线高度6 450 mm 逐渐过渡到刚性接触线高度6 000 mm，并且保证定位点与跨中之间的弹性均匀度，则柔性接触网两定位点之间的高度变化应为84 mm（2×42 mm），而不是100 mm。

进而可以得知，刚柔过渡区段的刚性悬挂定位点与柔性悬挂定位点之间的坡度变化也应是84 mm。按行车方向划分的话，导高降低段：柔性悬挂定位点的接触线高度是6 084 mm，刚性悬挂定位点的接触线高度是6 000 mm；导高升高段：刚性悬挂定位点的接触线高度是6 000 mm，柔性悬挂定位点的接触线高度是6 084 mm。

通过上述改进之后，理论计算与现场实践相结合，再次冷滑试验后，刚柔过渡区域的弹性均匀度明显提高，弓网关系的匹配度明显改善。通过后期的热滑数据显示，离线率和硬点值都在规范以内，顺利通过验收。

5 结语

武九铁路陈家冲隧道电气化改造是我国在国铁上成功应用刚性悬挂的隧道，在借鉴地铁的技术上不断摸索创新，结合国铁的实际总结出1 套新的刚性悬挂施工工法和刚柔过渡区域的改进方法。经过测试，刚柔过渡以及所有参数均满足要求，并在热滑实验中机车运行速度达到140 km/h，对于该项技术的成功应用，为既有线铁路在受隧道（框架桥）净空限制的不利条件下进行电气化改造提供了解决方案。