劉立峰,周南駿

(中鐵二院工程集團有限責任公司通號院,成都 610031)

1 概述

當前,我國鐵路客運專線項目建設(shè)步伐加快,常規(guī)普速鐵路接地方式已不能適應(yīng)客運專線鐵路發(fā)展的需要。針對我國客運專線的特點,結(jié)合“以人為本”的設(shè)計理念,將高速鐵路沿線各種接地有機、合理地結(jié)合起來,保證各系統(tǒng)設(shè)備之間實現(xiàn)等電位連接,減少不同系統(tǒng)設(shè)備之間存在的電位差及可能造成的人身和設(shè)備安全隱患。為此,鐵道部在借鑒國外高速鐵路綜合接地系統(tǒng)工程運用經(jīng)驗基礎(chǔ)上,不斷總結(jié)我國工程實踐經(jīng)驗,將鐵路綜合接地系統(tǒng)作為裝備客運專線鐵路的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。

1.1 綜合接地概念

鐵路工程是一個分布式多專業(yè)協(xié)同運行的系統(tǒng)工程,沿線構(gòu)筑物涉及橋梁、隧道、路基、信號、通信、信息、電氣化、電力、機械、環(huán)工、給排水等多個專業(yè),電氣化、電力、信號、通信等電氣和電子系統(tǒng)設(shè)施分散設(shè)置在鐵路沿線,為保證人身安全、設(shè)備安全和系統(tǒng)正常運行,各系統(tǒng)均有接地要求。武廣鐵路客運專線在設(shè)計初期引進國外接地理念,結(jié)合高密度行車、牽引回流大、接地需求設(shè)備多等特點,提出綜合接地系統(tǒng)方案,以提高全線接地系統(tǒng)的質(zhì)量和接地效果。武廣鐵路客運專線綜合接地系統(tǒng)以貫通地線為主干,充分利用沿線橋梁、隧道、路基地段構(gòu)筑物設(shè)施內(nèi)的接地裝置作為接地極,形成低阻等電位綜合接地平臺,為鐵路沿線系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)施提供接地。

1.2 武廣鐵路客運專線綜合接地實施方案研究

武廣鐵路客運專線綜合接地實施方案在研究過程中,對綜合接地接入范圍、構(gòu)筑物接地裝置等方面進行了專題研究。

1.2.1 綜合接地接入范圍

綜合接地接入范圍的研究的主要是針對強、弱電系統(tǒng)接地能否共用接地系統(tǒng)的討論,即是采用“大綜合”還是“小綜合”。“小綜合”僅是滿足通信、信號等弱電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施的綜合接地,“大綜合”則是滿足電氣化、電力等強電系統(tǒng)和通信、信號等弱電系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施及其他金屬構(gòu)件的接地需要。借鑒國內(nèi)大型建筑接地和國外接地工程建設(shè)經(jīng)驗,武廣鐵路客運專線綜合接地系統(tǒng)按照“大綜合”的思路設(shè)計,綜合接地系統(tǒng)平臺為沿線強、弱電系統(tǒng)設(shè)備、設(shè)施提供可靠接地。為防止強電壓通過接地網(wǎng)反擊低電壓設(shè)備,應(yīng)保證具有一定的地中距離，使得沿接地體傳播的過電壓衰減到不危險的程度,按照目前的國家規(guī)范，其地中距離應(yīng)不小于15 m。

1.2.2 構(gòu)筑物接地裝置

構(gòu)筑物鋼筋接入范圍主要是對橋梁、隧道、建筑物接地裝置中接地鋼筋的設(shè)置要求。土建結(jié)構(gòu)物中有預應(yīng)力鋼筋和非預應(yīng)力鋼筋,為了增強鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋強度,充分利用高強度材料彌補混凝土與鋼筋拉應(yīng)變之間的差距,通常把預應(yīng)力運用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，即在外荷載作用到構(gòu)件上之前,預先用某種方法,在構(gòu)件上施加壓力,構(gòu)成預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),達到延遲構(gòu)件裂縫的出現(xiàn)和開展。為了不對土建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)帶來影響,經(jīng)研究確定構(gòu)筑物非預應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋不接入綜合接地系統(tǒng)。另據(jù)相關(guān)資料,交流電對鋼筋的電腐蝕很小,借鑒德國鐵路綜合接地理念,綜合接地應(yīng)充分利用土建構(gòu)筑物中的非預應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,以加強接地效果。

2 實施方案

武廣鐵路客運專線綜合接地系統(tǒng)實施方案通過理論研究,并結(jié)合我國第一條無砟軌道試驗段遂渝線綜合接地試驗驗證的情況,最終確定了橋梁、隧道、路基、站臺、軌道地段綜合接地接口工程和綜合接地系統(tǒng)平臺的構(gòu)建方案。系統(tǒng)平臺主要包括貫通地線及橫向連接(平衡兩側(cè)電位)、接地裝置、接地端子及各部分的等電位連接。該實施方案在鐵道部組織編寫的《鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2007]39號)中得以借鑒。

2.1 橋梁綜合接地

橋梁地段貫通地線敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)。利用橋墩基礎(chǔ)部分非預應(yīng)力結(jié)構(gòu)鋼筋(以下稱結(jié)構(gòu)鋼筋)做接地極,有效降低橋梁地段綜合接地系統(tǒng)的接地電阻；利用橋梁上表層的局部縱向結(jié)構(gòu)鋼筋做接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護接地裝置；在橋墩頂帽及橋梁底部、電纜槽底部、護欄基礎(chǔ)上部、防護墻側(cè)面適當位置預置接地端子,并與接地裝置鋼筋可靠焊接；利用橋梁上表層橫向結(jié)構(gòu)鋼筋實現(xiàn)兩側(cè)貫通地線的橫連；通過L形連接器將貫通地線與電纜槽底部接地端子連接,從而實現(xiàn)橋梁接地裝置與綜合接地系統(tǒng)間的等電位連接。橋梁上有接地需求的設(shè)備設(shè)施均通過預置的接地端子實現(xiàn)接地連接。圖1為箱梁接地裝置斷面圖。

圖1 箱梁接地裝置斷面

2.2 隧道綜合接地

隧道地段貫通地線敷設(shè)在兩側(cè)電纜槽內(nèi)。利用隧道初期支護錨桿或底板基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,有效降低隧道內(nèi)綜合接地系統(tǒng)的接地電阻,接地極以臺車位的長度為單元施作,可有效控制工程質(zhì)量；利用隧道二次襯砌內(nèi)及電纜槽側(cè)壁的結(jié)構(gòu)鋼筋做接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護接地裝置,以確保接觸網(wǎng)斷線故障情況下,隧道內(nèi)的人員及系統(tǒng)設(shè)備安全；在電纜槽底部、側(cè)壁及隧道洞室內(nèi)適當位置預置接地端子,并與接地裝置的鋼筋可靠焊接；通過L形連接器將貫通地線與電纜槽底部接地端子連接,從而實現(xiàn)隧道接地裝置與綜合接地系統(tǒng)間的等電位連接；通過接地裝置內(nèi)的環(huán)向接地鋼筋實現(xiàn)兩側(cè)貫通地線的橫向連接。隧道內(nèi)有接地需求的設(shè)備設(shè)施均通過預置的接地端子實現(xiàn)接地連接。圖2為隧道初期支護接地極斷面圖。

圖2 隧道初期支護接地極斷面

2.3 路基綜合接地

路基地段的貫通地線埋設(shè)在電纜槽下方,每隔500 m將兩側(cè)貫通地線橫向連接1次。利用接觸網(wǎng)支柱鉆孔樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)鋼筋做接地極,有效降低路基段綜合接地系統(tǒng)的接地電阻；通過接地分支引接線將接地極與貫通地線可靠連接。支柱基礎(chǔ)側(cè)面預置的接地端子供軌旁設(shè)備設(shè)施接地連接使用。接觸網(wǎng)H型鋼柱及無砟軌道的接地均采用不銹鋼連接線與基礎(chǔ)軌道側(cè)的接地端子在外部進行連接。信號等弱電軌旁設(shè)備的接地采用接地連接線與基礎(chǔ)電纜槽側(cè)面的接地端子連接。當有信號設(shè)備接地時,該處的接觸網(wǎng)H型鋼柱則不再與基礎(chǔ)接地端子連接,避免了強、弱電接地點同位置的情況,防止了強電流通過鋼柱接地連接對弱電設(shè)備造成反擊損壞的隱患發(fā)生。

2.4 站臺范圍綜合接地

站臺區(qū)人員流動較大,設(shè)備相對集中。鑒于高速鐵路牽引電流大(25 kA以上)的特點,必須采取必要的措施,保障人身安全和設(shè)備安全。接地需求主要包括：為解決跨步電壓對人身安全的危害,要求站臺墻上表面靠線路側(cè)60 cm范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋均需接地；站臺區(qū)域長度超過2 m的金屬構(gòu)件均需接地；站房等建筑物共用接地系統(tǒng)與綜合接地系統(tǒng)等電位連接。

按照上述接地需求,對站臺區(qū)域接地裝置設(shè)備作出規(guī)定。站臺墻接地裝置：在站臺墻內(nèi)利用局部結(jié)構(gòu)鋼筋構(gòu)成接地裝置,在站臺墻下部側(cè)面預置接地端子與貫通地線連接。雨棚柱等金屬構(gòu)件的接地方案：利用雨棚網(wǎng)架各金屬構(gòu)件及金屬柱作防雷接閃器及引下線,利用各柱基礎(chǔ)承臺內(nèi)主鋼筋作接地裝置,雨棚接地體與站房接地網(wǎng)連接。建筑物防雷接地：按照相關(guān)防雷接地設(shè)計規(guī)范的要求,設(shè)計建筑物共用接地系統(tǒng),接地網(wǎng)在兩端與貫通地線進行等電位連接。

2.5 無砟軌道綜合接地

無砟軌道接地裝置是為接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護的接地措施。參照國外經(jīng)驗,利用無砟軌道板上層局部縱向結(jié)構(gòu)鋼筋,每百米構(gòu)成一個接地裝置,并與綜合接地系統(tǒng)等電位連接1次,實現(xiàn)對軌旁人員及設(shè)備設(shè)施的安全防護。橋梁地段的無砟軌道接地連接至防護墻側(cè)面的接地端子,隧道地段的無砟軌道接地連接至電纜槽側(cè)壁的接地端子,路基地段無砟軌道連接至接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)側(cè)面的接地端子。在站內(nèi)道岔區(qū)轉(zhuǎn)轍機安裝位置的無砟軌道處預置接地端子,供轉(zhuǎn)轍機接地連接；到發(fā)線無砟軌道接地裝置與正線無砟軌道接地裝置間進行等電位連接,線間其他金屬構(gòu)件可就近與無砟軌道接地端子連接,實現(xiàn)與綜合接地系統(tǒng)的連接。

2.6 過渡段接地裝置連接

在路基與橋梁、隧道過渡段的綜合接地系統(tǒng)銜接方面,細化貫通地線接續(xù)實施方案。由于路基地段貫通地線埋設(shè)在電纜槽下方,橋梁、隧道地段貫通地線敷設(shè)在電纜槽內(nèi),為便于現(xiàn)場施工和工程質(zhì)量控制,采用通過接地端子在電纜槽內(nèi)過渡連接的方式實現(xiàn)。即在過渡段電纜井內(nèi)預置接地端子,端子尾端與貫通地線壓接,橋梁或隧道電纜槽內(nèi)貫通地線沿電纜槽引至接地端子處并與之連接,從而實現(xiàn)不同地段綜合接地系統(tǒng)的等電位接地連接。

3 標準化設(shè)計

3.1 編制通用參考圖

通過專業(yè)間的溝通和對實施方案的理解細化,完成橋梁、隧道、路基、站臺綜合接地通用參考圖的設(shè)計。其中,在橋梁綜合接地參考圖中,結(jié)合橋梁地段的具體工點完成明挖基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)橋墩接地極設(shè)計圖、箱梁及跨線橋綜合接地等設(shè)計圖；在隧道綜合接地參考圖中,結(jié)合隧道具體工點完成Ⅰ、Ⅱ級圍巖隧道和Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖隧道接地極及接觸網(wǎng)閃絡(luò)保護接地裝置設(shè)計圖；在路基綜合接地參考圖中完成路堤、路塹地段貫通地線敷設(shè)、接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)接地極、電纜槽接地端子設(shè)置設(shè)計圖等；結(jié)合站臺類型,完成帶邊溝站臺和不帶邊溝站臺接地裝置設(shè)計圖。

武廣鐵路客運專線綜合接地通用參考圖為橋梁、隧道、路基、無砟軌道等工點設(shè)計圖中的接地設(shè)計提供了依據(jù),并為鐵路工程建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》(通號(2009)9301)的編制提供了經(jīng)驗和設(shè)計基礎(chǔ)。

3.2 工藝要求

等電位連接作為綜合接地系統(tǒng)設(shè)計最重要的基本要素之一,沿線各地段的接地裝置間的等電位連接是構(gòu)成綜合接地系統(tǒng)平臺的紐帶和關(guān)鍵。因此,必須在施工工藝上要求高可靠性和可實施性強。

橋梁、隧道、路基、站臺區(qū)接地裝置內(nèi)的接地鋼筋必須可靠連接,參考國際國內(nèi)相關(guān)標準,要求單邊焊長度不小于100 mm,雙邊焊長度不小于55 mm,焊厚不小于4 mm。橋墩與橋梁接地裝置間、無砟軌道與接地端子間均采用不銹鋼絲繩等電位連接。橋梁、隧道接地裝置在電纜槽內(nèi)預置接地端子,采用專用的L形連接器與貫通地線等電位連接。路基地段的接觸網(wǎng)支柱基礎(chǔ)接地極通過分支引接線與貫通地線等電位連接。沿線各系統(tǒng)設(shè)備及金屬構(gòu)件等的接地均通過綜合接地系統(tǒng)預留的接地端子連接。圖3為接地端子與接地引接線、貫通地線等電位連接示意。

圖3 接地端子及接地連接

4 界面劃分

鐵路綜合接地工程是一項多專業(yè)綜合建設(shè)、多專業(yè)綜合使用的系統(tǒng)工程。在整個工程建設(shè)過程中,存在著設(shè)計分工界面、工程建設(shè)界面、系統(tǒng)接口界面,這幾個界面如何劃分是需要研究和明確的。

4.1 設(shè)計分工

設(shè)計是工程建設(shè)的先頭兵,因此必須先要明確設(shè)計分工,確保工程無縫銜接,不遺漏。針對設(shè)計界面的不統(tǒng)一問題,鐵道部工程設(shè)計鑒定中心組織召開了鐵路綜合接地設(shè)計研討會,并形成會議紀要明確了設(shè)計分工,分工原則是由信號、電氣化專業(yè)牽頭完成綜合接地總體設(shè)計,橋梁、隧道、路基、軌道、站場、結(jié)構(gòu)等專業(yè)按照總體設(shè)計要求完成各工點接地裝置設(shè)計。具體內(nèi)容可詳見“關(guān)于印發(fā)《鐵路防雷、接地工程設(shè)計專業(yè)分工及文件編制研討會議紀要》的通知”(鐵道部鑒信[2007]96號)。

4.2 工程接口界面

綜合接地系統(tǒng)涉及專業(yè)眾多,系統(tǒng)建設(shè)貫穿武廣鐵路客運專線工程建設(shè)的全過程,系統(tǒng)平臺構(gòu)建涉及到前期的橋梁、隧道、路基、軌道、站場、房建等土建工程,后期系統(tǒng)設(shè)備接地接入涉及到通信、信號、信息、電力、電氣化等眾多專業(yè)。綜合接地系統(tǒng)工程的實施可以說是一個接口工程的實施,接地系統(tǒng)平臺的建設(shè)多為隱蔽性工程,接地鋼筋的焊接和接地裝置間的等電位連接質(zhì)量都需要嚴格控制,界面劃分不清直接制約著工程質(zhì)量。

為建設(shè)一個高可靠的接地系統(tǒng),武廣鐵路客運專線參照“關(guān)于印發(fā)《200～250 km/h客運專線綜合接地實施方案專題工作會議紀要》的通知”(鐵道部工管[2006]103號)中有關(guān)綜合接地施工組織界面及責任范圍的規(guī)定及相關(guān)規(guī)范標準,要求涉及土建施工的接地裝置(主要包括接地極、接地端子等)隨土建工程同步實施；貫通地線作為橋梁、隧道、路基、站場地段接地裝置等電位連接的載體,由電務(wù)部門統(tǒng)一實施；各個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān),尤其是隱蔽工程中的接地鋼筋可靠連接方面,要求嚴格按照施工工藝要求實施。并制訂了橋梁、隧道、路基綜合接地接口施工手冊,在武漢試驗段進行示范性工程試點,做到全線規(guī)范化施工。

4.3 系統(tǒng)接口界面

系統(tǒng)接口界面是指各系統(tǒng)設(shè)備設(shè)施接地與綜合接地系統(tǒng)的接口,武廣鐵路客運專線參考設(shè)計分工和工程界面劃分原則,將綜合接地系統(tǒng)預留的接地端子作為綜合接地系統(tǒng)與有接地需求的系統(tǒng)設(shè)備的接地接口界面。綜合接地系統(tǒng)確保每個接地端子處的接地電阻不大于1 Ω,各系統(tǒng)設(shè)備在與接地端子連接時應(yīng)對接入點的接地電阻進行復測。

5 經(jīng)驗及建議

5.1 經(jīng)驗

武廣鐵路客運專線在設(shè)計咨詢中,將接口設(shè)計視為各鐵路系統(tǒng)有機結(jié)合、安全運行的關(guān)鍵。尤其在綜合接地設(shè)計中,將專業(yè)間互提資料提高到了工程接口的高度,專業(yè)間除了要提出明確的要求外,還應(yīng)通過設(shè)計需求確認的方式,確保土建接口工程設(shè)計滿足綜合接地要求。在設(shè)計和工程配合過程中與土建工程設(shè)計、施工加強溝通,在理解設(shè)計意圖的前提下完成接口工程設(shè)計和施工。對于參考圖中未包括的典型工點,參考類似的典型工點綜合接地設(shè)計圖會審確定,設(shè)計方案應(yīng)注意等電位連接和接地極的設(shè)置方案。

5.2 建議

目前有關(guān)鐵路綜合接地系統(tǒng)設(shè)計、施工、驗收、維修等的標準和規(guī)范正在制定或完善中。結(jié)合武廣鐵路客運專線綜合接地系統(tǒng)設(shè)計和工程建設(shè),提出幾點建議以供其他鐵路綜合接地系統(tǒng)工程建設(shè)借鑒。

設(shè)計方面：進一步完善明確預留接地端子的用途,以便于有接地點間距要求的強、弱電設(shè)備接地連接和綜合接地系統(tǒng)的驗收、維護和管理。

工程驗收方面：對接地端子的使用做詳細記錄,包括里程位置、接地連線數(shù)量、性質(zhì)(安全地、屏蔽地、工作地、保護地等)及所屬系統(tǒng)等,以便于綜合接地系統(tǒng)的維護和管理。

維護管理方面：定期做等電位連接防松檢查、接地電阻測試、等電位連接測試等。

工程應(yīng)用方面：在山區(qū)困難普速鐵路地段可參考綜合接地系統(tǒng)接地極的設(shè)置方案,提高接地系統(tǒng)的質(zhì)量；也可局部地段實施綜合接地,以提高人身、設(shè)備安全,節(jié)約能源。

[1] 鐵建設(shè)[2007]39號，鐵路防雷、電磁兼容及接地工程技術(shù)暫行規(guī)定[S].

[2] 鐵道部鑒信[2007]96號，鐵路防雷、接地工程設(shè)計專業(yè)分及文件編制研討會議紀要[Z].北京：2007.

[3] 鐵道部.鐵路建設(shè)通用參考圖《鐵路綜合接地系統(tǒng)》(通號(2009)9301)[Z].北京：2009.

[4] 鐵道部鑒定中心.鐵路綜合接地和信號設(shè)備防雷系統(tǒng)工程設(shè)計指南[M].北京：中國鐵道出版社,2009．