地铁高净空盾构隧道接触网预埋槽道方案研究

王溢斐

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300000）

1 研究背景

城市轨道交通接触网安装，传统上多采用化学锚栓在隧道结构上钻孔安装，这种方式在施工中可能碰到结构钢筋而损伤隧道结构。深圳地铁9号线是国内首条在盾构区间采用全环预埋槽道技术的地铁项目，目前越来越多的城市在新建地铁项目上开始采用这项技术。预埋槽道的优点为：减少机电安装对土建结构的破坏，提高土建结构的耐久性，缩短机电安装的工期[1-3]。

从目前国内地铁工程预埋槽道的情况来看，内径小于5 500 mm的盾构隧道一般在每环管片上均预埋全环单槽道，各机电专业均利用预埋的全环单槽道进行安装，接触网刚性悬挂安装如图1所示。

图1 深圳9号线单槽道悬挂接触网Figure 1 Single channel suspension OCS in Shenzhen Line 9

上海地铁盾构隧道内径为5 900 m，盾构隧道采用通缝管片，在轨道上方封顶块局部为接触网预埋了双槽道。随着轨道交通的迅速发展，很多地区的地铁工程盾构隧道开始采用内径5 900 mm的错缝管片，如杭绍线、绍兴1号线、厦门地铁等。由于盾构机推进过程中管片旋转错缝拼装，使隧道顶部局部为接触网预埋双槽道的施工难度变大，如果全环预埋双槽道则投资成本较高，所以高净空盾构隧道当采用错缝拼装管片时，是否有必要单独为接触网专业预埋双槽道，就需要进行结构受力计算分析。

2 高净空刚性悬挂接触网安装方案

2.1 方案1：预埋双槽道安装

上海地铁9号线三期东延伸、上海地铁13号线二期的盾构隧道采用通缝管片，轨道上方封顶块预埋双槽道(见图2)。该方案美观性好，结构稳定，槽道抗弯性好，后期运营检修方便。

图2 预埋双槽道的悬挂方式Figure 2 Suspension method on Double channel

当盾构隧道采用错缝旋转拼装方案时，如采用全环预埋双槽道，则投资较高。若能优化管片施工工艺，每隔7环(管片宽度1.2 m时)在隧道顶部为接触网局部预埋双槽道，则能有效降低槽道投资。

2.2 方案2：利用相邻槽道支架安装

利用相邻两个管片的单槽道安装(见图3)[4]，跨距能够调节，与锚段关节处安装方式一致，利用两排单槽道，稳定性好，抗弯能力强。但该方案美观性差，结构复杂，全线大范围跨管片安装，若管片错移、沉降变形，会造成接触网吊架结构不稳，使接触网系统存在较大的安全隐患，运营监测成本较大，后期运营检修不太方便。因此，不建议全线大范围采用这种安装形式。

图3 利用相邻槽道支架的安装方式Figure 3 Use of adjacent channel and bracket installation method

2.3 方案3：利用相邻槽道加斜撑

利用相邻两个管片的单槽道安装[5-6]，吊柱顺线路方向设斜撑(见图4)，改善刚性悬挂吊柱受力，槽道、T螺栓受弯矩影响较小。但该方案美观性差，结构受压性差，全线大范围跨管片安装，若管片错移、沉降变形，则接触网系统存在较大的安全隐患，运营监测成本较大。因此，不建议全线大范围采用这种安装形式。

图4 利用相邻槽道加斜撑的安装方式Figure 4 Use of adjacent channels and diagonal bracing installation

方案2、3均利用两个相邻盾构管片的单槽道作稳定支持结构，但均需要跨管片安装，所以接触网安全隐患较大，不宜全线大范围采用这两种安装方式。

结合目前国铁、地铁高净空隧道内预埋槽道的应用情况，从系统安全稳定的角度考虑，高净空盾构隧道接触网的安装，建议采用在同一管片上预埋双槽道的悬挂方案，即方案1。

3 刚性悬挂接触网的受力分析

刚性悬挂接触网的悬挂定位装置，一般由汇流排定位线夹、绝缘子、悬吊槽钢等零件构成。汇流排通过定位线夹，与隧道顶部槽钢等装置固定连接。在设计安装时，考虑到汇流排在长时间运行过程中会出现轻微位移，所以定位线夹与汇流排之间留有一定间隙，允许汇流排在线夹槽内滑动，以适应其因温度变化而引起的顺线路方向的位移变化。

但是，隧道内环境比较潮湿，空气中水分多，使定位线夹与汇流排零部件氧化严重，零件表面氧化锈蚀会增大摩擦系数，容易引起汇流排线夹卡滞[7]，如图5所示。

图5 刚性接触网汇流排线夹卡滞Figure 5 Case of rigid catenary stuck on site

汇流排线夹一旦发生卡滞，当汇流排热胀冷缩时，会使接触网悬挂装置承受顺线路方向的较大剪力。当温度变化时，汇流排因温度变化所引起的变化量[7-8]如下：

式中，ΔL为汇流排随温度变化的伸缩量，L为计算悬挂点至中锚的距离，Δt为温度变化量，a为汇流排的线膨胀系数。

刚性悬挂接触网对槽道、T螺栓的作用力，主要体现在由顺线路方向剪力所引起的弯矩造成的影响。当汇流排线夹出现卡滞等不利情况时，汇流排热胀冷缩会产生较大的剪力，在高净空时，单槽道悬挂接触网产生的弯矩较大，结构稳定性较差。

接触网无备用，安全等级要求高，预埋槽道的结构稳定性直接影响到接触网悬挂系统的稳定性。接触网是带电体，如果顺线路方向剪力造成的弯矩过大，将会导致接触网吊架变形或者跌落而使行车中断，威胁人身安全，造成严重后果。因此，安全性是接触网设计所考虑的最重要的因素之一。

4 高净空预埋槽道的受力计算

以杭绍线为例，盾构隧道内径5 900 mm，轨面至隧道顶净空 4 950 mm，接触网悬挂点距轨面高度4 100 mm；预埋槽道槽钢本体厚度20 mm，宽度30 m；锚杆外径不小于10 mm，锚杆长度不小于60 mm；配套T型螺栓直径为12 mm。

采用ANSYS软件分析，模型采用体单元建模[9-10]，考虑了螺栓与槽道间的摩擦以及螺栓的预紧力。

4.1 高净空单槽道悬挂方式的受力计算

刚性悬挂接触网每个悬挂点的垂直荷载为5 kN，作用于汇流排定位线夹处顺线路方向的剪切荷载为3 kN，垂直线路方向的剪切荷载为1 kN，建立单槽道刚性悬挂模型如图6所示。

图6 单槽道刚性悬挂模型Figure 6 A single channel rigid suspension model

经过有限元仿真计算的槽道应力如图7所示，最大应力为1 393 MPa，最大应力集中出现在槽道牙口范围，超过厚度的2/3，该单槽悬挂结构受力不安全。

图7 槽道应力分布(剪力3 kN)Figure 7 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

考虑到刚性悬挂针式绝缘子弯曲破坏荷载为9 kN，因此计算槽道极限受力时作用在汇流排线夹处顺线路方向的最大水平剪切荷载按9 kN考虑，槽道应力分布如图8所示，最大应力为2 263 MPa，较大应力集中出现在槽道牙口与T型螺栓连接处，超过1 000 MPa的应力基本贯穿在整个槽道。锚杆应力分布如图9所示，锚杆最大应力 1 407 MPa，集中在锚杆根部，锚杆受力不安全。

图8 槽道应力分布(剪力9 kN)Figure 8 Channel stress distribution diagram (Shear force 9 kN)

图9 锚杆应力分布(剪力9 kN)Figure 9 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

通过正常荷载及最不利荷载条件下的有限元受力计算可以看出，高净空单槽道悬挂安装接触网，受力不满足安全要求，存在安全隐患。

4.2 高净空双槽道悬挂方式的受力计算

双槽道间距为 300 mm，刚性悬挂接触网每个悬挂点的垂直荷载为5 kN，作用于汇流排定位线夹处顺线路方向的剪切荷载为3 kN，垂直线路方向的剪切荷载为1 kN。建立双槽道刚性悬挂模型，如图10所示。

图10 双槽道刚性悬挂模型Figure 10 The double-channel rigid suspension model

通过有限元仿真计算槽道应力，如图11所示。最大应力范围很小，不超过一个单元的范围；而大部分区域的应力基本在200 MPa以下，槽道整体受力安全。

图11 槽道应力分布(剪力3 kN)Figure 11 Channel stress distribution diagram (Shear force 3 kN)

锚杆应力分布如图12所示，锚杆的应力主要集中在150～200 MPa范围，锚杆整体受力安全。

图12 锚杆应力分布(剪力3 kN)Figure 12 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 3 kN)

当作用在汇流排线夹处顺线路方向的最大水平剪切荷载按9 kN考虑时，槽道应力分布如图13所示。槽道整体的应力为231～465 MPa，应力大部分集中在槽道上部范围，总体来看槽道在最大荷载下受力安全。

图13 槽道应力分布(剪力9 kN)Figure 13 Channel stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

锚杆应力分布如图 14所示，大部分没有超过200 MPa。最大应力为472 MPa，但超过屈服应力的范围很小，整体可以忽略。总体来看，锚杆在最大荷载下受力安全。

图14 锚杆应力分布(剪力9 kN)Figure 14 Anchor rod stress distribution diagram(Shear force 9 kN)

在正常荷载及最不利荷载条件下，通过有限元受力计算可以看出，采用高净空双槽道悬挂安装接触网，结构稳定，受力能够满足安全要求。

由此可见，高净空盾构隧道单槽道悬挂刚性接触网受力不安全，存在安全隐患；双槽道悬挂刚性接触网除满足正常受力之外，也能满足最大荷载下的受力，结构稳定，可靠性高。

5 预埋双槽道的工程应用案例

杭绍线设计速度100 km/h，地下段盾构隧道内径5 900 mm，接触网采用刚性悬挂，为保证接触网结构稳定，供电安全可靠，经过研究杭绍线刚性悬挂接触网安装采用预埋双槽道。

杭绍线盾构隧道采取错缝旋转拼装，若采用双槽道全环预埋，投资较高。槽道按140元/m考虑时，杭绍线全线盾构管片约1.4万环，每环槽道18 m，盾构隧道接触网悬挂点约2 000处，接触网悬挂点处采用全环预埋双槽道，需要增加投资约为504万元。

若能够优化管片施工工艺，每隔 7环(管片宽度1.2 m时)，在隧道顶部为接触网局部预埋双槽道，则投资较低。经测算，局部预埋双槽道增加投资约为36万元。

经过细部设计，杭绍线每隔7环预埋双槽道(每环管片1.2 m)，双槽道间距为300 mm，直线段接触网在隧道顶部所需预埋槽道范围为13°(角度中心点为隧道圆心点，左右各6.5°)，曲线段接触网在隧道顶部所需预埋槽道范围为 18°(角度中心点为隧道圆心点，左右各9°)。根据接触网专业需求，隧道结构专业对预埋槽道做了优化设计，采用建筑信息模型(BIM)、管片二维码等新技术优化管片排版，解决了杭绍线盾构管片错缝旋转拼装精准预埋槽道的问题，既保证了高净空盾构隧道接触网安装结构的稳定，又节约了工程投资。

6 结语

本研究通过对地铁高净空盾构隧道内3种接触网槽道安装方案的综合比选分析，并对单槽道、双槽道悬挂接触网结构进行了有限元受力计算，得到以下结论：

1) 高净空单槽道悬挂接触网结构不稳定，存在安全隐患。

2) 从安全的角度考虑，建议高净空盾构隧道采用双槽道悬挂接触网，且应该安装在同一管片上。

3) 高净空盾构管片采用通缝安装时，可直接在轨面以上的封顶块预埋双槽道。高净空盾构管片采用错缝旋转拼装时，建议优化管片施工工艺，利用BIM技术提前优化排版，每隔一定跨距在隧道顶部局部预埋双槽道，可有效降低槽道的投资。

本研究在杭绍线工程中得到了应用，可为后续地铁工程高净空盾构隧道内接触网预埋槽道设计方案提供一定的借鉴和参考。