周 勇，周建和，刘 明

0 引言

时速200 km及以下的城际铁路或普速铁路的隧道空间较小，接触网布置较为紧凑，在以往施工中常出现定位器无法正常安装、绝缘距离不足、零部件侵入受电弓动态包络线等问题，给现场施工带来很大的调整工作量，若调整不当，将给后期运营留下安全隐患。笔者认为出现该类问题主要是腕臂参数设置、定位器选型以及吊柱限界控制未针对现场实际情况进行逐一计算分析和模拟安装导致，如在施工前进行合理的方案优化，则完全可以避免此类问题的出现。本文对黔张常铁路AT供电方式下隧道内接触网施工中容易出现的问题进行分析，为避免出现以上问题而采取相应的优化方案，并阐述取得的成果。

1 双线隧道内空间结构

黔张常铁路设计时速为200 km，双线隧道直线区段上下行线间距为4.4 m，在曲线区段上下行线间距有所加宽，隧道内也会对应加宽。普通区段隧道顶距低轨面8.15 m；非绝缘锚段关节段隧道顶距低轨面8.5 m；绝缘锚段关节段隧道顶距低轨面9.0 m；曲线区段线间距加宽，对应隧道顶高度相应加高，见表1。

表1 隧道内线间距加宽隧道顶对应高度 mm

2 隧道内腕臂参数优化

2.1 设计参数

黔张常铁路采用AT供电方式，隧道内设有正馈线和保护线，保护线经过优化设置在上下行腕臂吊柱之间固定，吊柱间需保证0.4 m的空间，直线区段吊柱中心距隧道中心按300 mm控制，吊柱宽度为200 mm，在线间距为4.4 m时吊柱限界为2.4 m，如图1所示；接触线高度为5.9 m，结构高度为1.0 m；腕臂装配依据通化（2009）1008-Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ隧道内全补偿链形悬挂安装图。本文图中数值单位均为mm。

图1 双线隧道内腕臂装置及附加导线布置

2.2 采用通用图腕臂参数出现的问题

接触网采用AT供电方式，腕臂上方预留正馈线安装及绝缘空间。承力索设计高度为6.9 m，即上底座安装高度为6.82 m；本线结构高度较通用图中减小0.2 m，因此上下底座间距也由通用图中的1.4 m缩至1.2 m；限界为2.4 m。

根据以上数据计算腕臂参数，计算结果见图2。由图2可知，正定位时定位器支座与定位环冲突无法正常安装，即便完全按照通用图结构高度设置为1.2 m，上下底座间距设置为1.4 m，定位器也只能勉强安装上，当存在曲线超高或限界负误差时将存在问题。

图2 按通用图参数设置计算的腕臂

2.3 腕臂参数优化方案

通过图2分析可知，由于承力索高度降低压缩了结构高度，导致斜腕臂倾斜角度加大，定位器支座与定位环冲突无法正常安装。解决的办法一种是加大套管双耳距承力索距离，另一种是抬高下底座安装高度，以使定位环向底座方向移动。

经过计算软件模拟，加大套管双耳距承力索距离所产生的效果并不理想，即使其距离增加到500 mm也无法解决定位器安装问题，定位器支座在定位管压接棱角处，且无调整空间，所以只能通过采用抬升下腕臂底座高度的方法来解决定位器安装问题。

经过计算软件模拟，上底座高度不变，上下底座间距减小至1 m时，刚好满足定位器支座的安装条件，但施工调整量非常小，在征求设计和运营单位意见后，将上下底座间距调整为0.9 m，定位环在斜腕臂上、定位器支座在定位管上可调整的空间较大，较为适宜，如图3所示，因此将隧道内中间柱上下底座间距优化调整为0.9 m。

图3 上下底座间距设置为0.9 m时腕臂计算结果

2.4 对曲线区段腕臂计算和绝缘距离校验

在曲线区段，由于外轨超高原因，受电弓会随车体平行于轨面倾斜，曲内正定位腕臂定位器在定位管上的安装空间也将随超高的增大而逐渐缩小，此时需对腕臂计算进行校验，校验是否有足够空间安装定位器（曲线区段线间距一般会加大，为保守起见线间距按加大0.1 m校验，即限界按2.45 m计算）。通过计算软件模拟，当外轨超高为45 mm时，定位器支座恰好能安装，稍有一点调节量，如图4所示。如外轨超高大于45 mm，限界必须进行调整（曲内加大限界，曲外减小限界）。

图4 外轨超高为45 mm时曲内正定位腕臂计算

在曲线区段还需校验受电弓在最大抬升和摆动量时，与另一股道的吊柱接地体之间的绝缘距离。受电弓偏移[1]计算式为

式中：H为受电弓高度，mm；G为轨距，曲线段轨距加宽，取1 500 mm；h为外轨超高，mm。

当外轨超高为45 mm时，受电弓最大抬升校验高度为5 900 + 180 = 6 080 mm（180为受电弓最大抬升量的1.5倍），代入式（1）求得受电弓偏移量为0.182 m。另一侧吊柱对本股道的限界C为4.5- 2.45 - 0.2 = 1.85 m（在曲线线间距均有加宽，此处线间距按4.5 m计算）；最近带电体为腕臂底座的背角钢，角钢按0.1 m计算，即最近接地体距本股道限界为1.75 m。受电弓半宽加受电弓曲线最大晃动量再加偏移量为0.975 + 0.3 + 0.182 = 1.457 m，最小绝缘距离为1.75 - 1.457 = 0.293 m（因受电弓工作时为倾斜状态，实际绝缘距离比该值稍大，为301 mm，如图5所示），此时吊柱接地体与带电体绝缘距离符合验收标准大于200 mm[2]的要求，超高再增大时，吊柱限界也将进行相应调整。

图5 超高为45 mm时受电弓距邻线吊柱接地体距离

3 隧道吊柱限界及型号确定

3.1 吊柱限界设置

由于上下行吊柱之间需布置AF线（回流线），因此吊柱限界控制必须以隧道中心为基准来控制，不能单纯以悬挂轨道来控制。通过上述阐述，在直线和超高小于45 mm的曲线区段，吊柱距线路中心按照300 mm控制（吊柱半宽100 mm）均满足腕臂计算和绝缘距离要求；当超高大于45 mm时，吊柱限界控制统一向曲内移150 mm，以满足腕臂计算和受电弓偏移的绝缘距离要求，隧道内限界控制见表2。

表2 隧道内限界控制 mm

3.2 吊柱型号确定

3.2.1 确定长度

通过对腕臂底座间距进行优化，确定了上底座安装高度为6.82 m，上下底座间距为0.9 m，此时下底座安装高度为5.92 m，吊柱外露为0.2 m，即吊柱底部距轨面高度为5.72 m；通过绘图软件模拟可知，隧道吊柱法兰中心距隧道顶高差约为0.01m，通过这些参数即可以得出不同情况下的吊柱长度，标准普通断面区段吊柱长度为8.15 - 5.72 - 0.01 =2.42 m；标准非绝缘锚段关节区段吊柱长度为8.5 -5.72 - 0.01 = 2.77 m；绝缘锚段关节区段吊柱长度为9 - 5.72 - 0.01 = 3.27 m。

以上长度是标准断面情况下，在曲线或车站附近的隧道断面都有加宽时，隧道顶高度随之变化（表1），确定吊柱长度前需根据线路资料逐一修正吊柱长度，可按100 mm为一档进行归纳，高差在±50 mm内的高度可用同一种型号吊柱，超出范围的应进行调档。

3.2.2 确定吊柱法兰角度

随着铁路建设施工技术的不断提高，隧道断面施工基本与设计一致，吊柱法兰角度可以直接在绘图软件中确定，根据吊柱中心距隧道中心理论距离，测量出吊柱法兰倾斜角度，即使在现场出现误差，采用调整垫片也完全可予以调整。为保证吊柱安装后向受力反方向倾斜，黔张常铁路隧道内吊柱法兰角度较理论值减小了0.3°。吊柱中心距隧道中心为300 mm时，吊柱法兰角度为2.6°；吊柱中心距隧道中心为450 mm时，吊柱法兰角度为4°；吊柱中心距隧道中心为150 mm时，吊柱法兰角度为1°。

3.2.3 确定吊柱最终型号

当吊柱长度和法兰角度均确定后，将两个数据组合即可得到最终的吊柱型号。在Excel中可利用判定函数进行分类自动统计，根据隧道类型和加宽判定长度，根据限界判定法兰角度，再进行组合。标准的隧道断面和加宽断面最大高差可达到290 mm，吊柱长度将相差300 mm，未对吊柱进行长度区分可能对腕臂计算、安装造成较大影响，因此隧道内吊柱的材料提报和现场安装应一一对应，以提高安全可靠性和一次安装成功率。

4 隧道内定位器角度控制

理论定位器角度是指定位器所受水平力Fs和垂直力Fc所形成合力F与水平面形成的夹角，按此角度安装后处于力平衡状态，主要由补偿张力、跨距、拉出值、第一吊弦距离、线索单重、定位器重量、曲线半径等参数确定[3]。时速200 km及以下铁路，因其技术参数与高速铁路存在一定差异，定位器角度完全按照受力平衡计算安装仍无法实现，如曲线半径R= 3 500 m，中间柱定位统一向曲外拉出100 mm，由于补偿张力和曲线中竖值不够大，导致定位点水平分力较小，定位器理论计算角度将达到20°以上，这种情况只能按照设计最大角度13°进行安装，理论计算角度过小时，按设计给定的最小角度8°进行安装，但即便定位器角度完全控制在8°～13°范围内也不能完全确保定位器不会侵入受电弓动态包络线，还需结合定位器长度、受电弓最大抬升量、左右偏移量、超高等参数进行安全校核。

安全校验参数：受电弓最大抬升量为120 mm，按1.5倍抬升量进行校核，即180 mm；左右最大偏移直线区段250 mm，曲线区段300 mm；标准跨距40 m；隧道内定位器长度选择900型和1000型两种进行校验；受电弓类型选用UIC608—2003附录D受电弓（宽度1 950 mm）。

为便于归纳和指导现场施工，本文将按照直线段、超高h≤45 mm、超高45 mm＜h≤90 mm 3种情况分别对定位器角度控制范围进行分析。

4.1 直线区段

直线区段拉出值按±200 mm布置，定位器长度为900 mm，矩形定位器的安装范围为8°～13°，把定位器最小角度设为8°进行模拟计算，查看是否存在侵入动态包络线的情况。计算结果见图6，受电弓抬升180 mm，水平方向偏移250 mm，900型定位器根部处在红色的受电弓动态包络线之外，符合安全要求，当定位器角度越大，定位器根部离动态包络线将随之加大，因此直线区段定位器角度安全取值范围为8°～13°。

图6 直线区段定位器按8°计算与受电弓的状态

4.2 超高h≤45 mm

在曲线区段，受外轨超高影响，受电弓与轨面平行倾斜，此时需分别验证曲内、曲外定位器最小安装角度为多少时不会侵入受电弓包络线，以确定定位器角度控制范围。定位器选用900型定位，受电弓水平最大偏移量按300 mm进行计算校核。

（1）向曲内方向定位，定位器角度按8°计算模拟，计算结果见图7，曲内侧受电弓动态包络线端部相对于中心更低，从图上可看出定位支座在受电弓动态包络线外，满足安全条件，因此超高h≤45 mm曲内方向定位的定位器角度安全取值范围为8°～13°。

图7 曲内超高45 mm定位器按8°计算与受电弓的状态

（2）向曲外方向定位，定位器采用900型、角度按8°计算时，由于受电弓在曲外侧抬高并向曲内倾斜，导致定位器根部已侵入受电弓动态包络线内，需要加大定位器角度，当加大到9.5°时才能保证定位器支座在动态包络线外，如图8所示，最小控制角度必须不小于9.5°，因此在曲外时定位器安全角度取值范围为9.5°～13°。

图8 超高45 mm定位器按9.5°计算与受电弓的状态

4.3 超高45 mm＜h≤90 mm

曲线半径R＞3 500 m的区段拉出值仍按±200 mm布置；曲线半径R≤3 500 m的区段统一向曲外定位，拉出值为100 mm；超高为45～90 mm的曲线存在上述两种情况，也需分析曲内曲外定位器角度取值范围，需注意拉出值±200 mm布置的定位采用900型定位器校核，统一向曲外定位100 mm的采用1000型定位器校核。

（1）向曲内方向定位，从图7可以看出，在定位器角度不变的情况下，超高越大，受电弓倾斜角度越大，定位器支座离动态包络线会越远，所以向曲内方定位的定位器角度安全取值范围仍为8°～13°。

（2）向曲外方向定位，为保证所模拟的条件能够概括最极端的情况，此处分析取最大超高值90 mm，定位器采用1000型定位器进行计算模拟。通过计算软件模拟发现，定位器角度达到10.5°时，定位器根部才能够在受电弓动态包络线之外，如图9所示，因此在超高45～90 mm曲线外侧，定位角度安全取值范围应为10.5°～13°。

图9 超高90 mm定位器按10.5°计算与受电弓的状态

4.4 计算腕臂参数时定位器应控制的范围

通过上述分析，隧道内定位器角度安全取值范围见表3。

表3 隧道内定位器角度安全取值范围

计算腕臂参数时应按照受力平衡原则计算定位器角度，以便现场施工后接触网质量达到最优状态，当理论计算角度超出表3所示范围时，应就近修正定位器角度，确保弓网安全可靠性。

5 结语

时速200 km及以下铁路隧道断面变化较多，不能一概而论确定施工方案，应根据不同情况确定技术方案。通过以上技术方案的改进和计算控制，完全可以避免在施工中出现定位器无法正常安装、零部件侵入受电弓动态包络线的情况，大幅减少现场调整工作量，消除后期运营安全隐患。

对后续类似铁路施工的几点建议：（1）施工前，应用可视化计算软件对腕臂进行计算模拟验证，确定方案是否可行，如不能实现时应及时调整技术参数；（2）隧道内吊柱须根据隧道断面高度参数选择隧道吊柱，不能完全按类别提报，保证现场腕臂参数符合要求；（3）定位器角度应尽量依据受力计算，现场需控制好定位器角度，避免定位器侵入受电弓动态包络线，最好采用可视化计算软件加入受电弓进行模拟计算。希望通过本项目施工经验能够为后续同类型铁路接触网施工、设计提供借鉴，提高施工质量。