薛長(zhǎng)虹

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，蘭州 730000)

1 概述

1.1 關(guān)角隧道自然概況

青藏線西寧至格爾木段增建二線工程天棚站至察漢諾站站間距長(zhǎng)達(dá)39.363 km。線路自天棚站引出，采用最大坡度9.5‰雙線繞行，進(jìn)入關(guān)角隧道，關(guān)角特長(zhǎng)隧道采用雙單線長(zhǎng)32.605 km的隧道方案，線間距為40 m，出長(zhǎng)隧道后，線間距由40 m漸變?yōu)? m后，雙線接入察漢諾車站。關(guān)角隧道海拔高度3 900 m，隧道地理位置見圖1。

圖1 關(guān)角隧道地理位置(單位:km)

1.2 特長(zhǎng)隧道對(duì)軌道電路的影響

影響軌道電路傳輸質(zhì)量的因素包括道砟漏泄電導(dǎo)、鋼軌電阻、軌間電容、鋼軌電感等各種參數(shù)，可分為臨時(shí)性的影響和永久性的影響。臨時(shí)性的影響是指信號(hào)電流從一側(cè)鋼軌經(jīng)扣件通過軌枕板表面的積水或其他污染物漏泄到另一側(cè)而造成道砟電阻變小，這種影響與氣候、環(huán)境有直接的關(guān)系，環(huán)境潮濕、道床污染嚴(yán)重則影響大，反之影響則會(huì)自動(dòng)減小或消失;永久性的影響是指扣件安裝孔內(nèi)絕緣破損、污染后，信號(hào)電流從一側(cè)鋼軌經(jīng)安裝孔內(nèi)污染物通過無砟道床體內(nèi)部泄漏到另一側(cè)而造成的道床電阻變小，這種影響是長(zhǎng)期的，并且隨使用時(shí)間增長(zhǎng)而增加。

由于該段地下水系豐富，特長(zhǎng)隧道通車經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后，可能會(huì)產(chǎn)生滲漏水、積水等現(xiàn)象，會(huì)造成道床漏泄加大。另外該特長(zhǎng)隧道處于限坡為9.5‰地段內(nèi)，列車長(zhǎng)時(shí)間處于制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，會(huì)造成鐵屑灑落軌面，影響道床參數(shù)的穩(wěn)定，存在影響信號(hào)軌道電路設(shè)備可靠工作的隱患。

關(guān)角特長(zhǎng)隧道內(nèi)采用整體道床，由于道床在鋼軌下有比較密集的結(jié)構(gòu)鋼筋網(wǎng)，而通過鋼軌上傳輸?shù)碾娏?，?huì)在整體道床內(nèi)鋼筋網(wǎng)上產(chǎn)生渦流，因此會(huì)對(duì)軌道電路鋼軌參數(shù)產(chǎn)生影響。整體道床結(jié)構(gòu)鋼筋回路中純阻部分的反射會(huì)增大鋼軌電阻，感性阻抗部分的反射阻抗會(huì)減小鋼軌電感，而由于鋼軌電阻增大，加大了軌道電路的線性衰耗，鋼軌電感的改變使補(bǔ)償電容與鋼軌電感構(gòu)成的槽路失諧，均使軌道電路傳輸長(zhǎng)度縮短。對(duì)于諧振式軌道電路而言，由于鋼軌電感值變小、鋼軌電阻增大，引起軌道電路調(diào)諧區(qū)諧振槽路參數(shù)發(fā)生變化，使得電氣絕緣節(jié)失諧，導(dǎo)致軌道電路發(fā)送在電氣絕緣節(jié)處能量損失變大，絕緣節(jié)性能降低，縮短了軌道電路的極限長(zhǎng)度，且使信號(hào)越區(qū)傳輸而造成干擾增加，端阻抗的降低還會(huì)使軌道電路的分路靈敏度降低，影響軌道電路的安全性。以上原因嚴(yán)重時(shí)可能使軌道電路無法正常工作，“閃紅”現(xiàn)象頻發(fā)，機(jī)車信號(hào)入口電流也達(dá)不到規(guī)定值，嚴(yán)重影響到自動(dòng)閉塞的使用，影響運(yùn)輸生產(chǎn)和安全。

綜合上述原因，鐵道部在西格二線工程初步設(shè)計(jì)審查中做出如下批復(fù)意見:“關(guān)角隧道內(nèi)自動(dòng)閉塞暫按計(jì)軸加環(huán)線方式設(shè)計(jì)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)報(bào)部審定”。

2 關(guān)角特長(zhǎng)隧道內(nèi)計(jì)軸加交叉環(huán)線自動(dòng)閉塞設(shè)計(jì)

關(guān)角特長(zhǎng)隧道長(zhǎng)達(dá)32.6 km，所在區(qū)間近40 km，在不加中繼站的情況下，自動(dòng)閉塞設(shè)備制式的選擇國(guó)內(nèi)還沒有先例。

目前關(guān)角隧道正在施工，隧道內(nèi)道床電阻等情況尚不明朗，也無法預(yù)測(cè)長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)后的結(jié)果，在此情況下，采用與全線一致的ZPW-2000A無絕緣軌道電路自動(dòng)閉塞制式，當(dāng)不設(shè)置中繼站時(shí)，即使采取不斷分割軌道電路的方法，工程上仍存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

為徹底擺脫軌道電路受道床電氣特性制約的困惑，同時(shí)避免在隧道內(nèi)設(shè)置中繼站，采用計(jì)軸軌道電路加交叉環(huán)線機(jī)車信號(hào)是一個(gè)比較理想的方案，此方案工程風(fēng)險(xiǎn)較小，而且也具有工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)。其原理是:區(qū)間軌道占用、空閑檢查由計(jì)軸設(shè)備完成，機(jī)車信號(hào)由交叉環(huán)線傳輸。

此模式已在蘭新線烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞工程得到應(yīng)用和驗(yàn)證，該隧道已于2006年8月開通安全運(yùn)行至今。

2.1 計(jì)軸軌道電路系統(tǒng)構(gòu)成

計(jì)軸設(shè)備的最大優(yōu)勢(shì)在于它與軌道、道床狀況的無關(guān)性，計(jì)軸設(shè)備通過檢測(cè)經(jīng)過的車輛軸數(shù)來判斷區(qū)段的占用與出清，而不受區(qū)段長(zhǎng)度、鋼軌類型、道床結(jié)構(gòu)及參數(shù)等環(huán)境因素的影響，這使其不僅具備檢查軌道區(qū)段的能力，而且也徹底地解除了因道床潮濕和鋼軌生銹影響軌道電路正常工作，從而影響鐵路正常運(yùn)行的困擾。

2.1.1 計(jì)軸點(diǎn)布置

關(guān)角特長(zhǎng)隧道為雙單線隧道，上下行計(jì)軸設(shè)備需獨(dú)立配置，兩站計(jì)軸設(shè)備分別控制到隧道中心分界處，見圖2。

圖2 計(jì)軸點(diǎn)布置示意

2.1.2 系統(tǒng)功能及配置

以西門子信號(hào)有限公司生產(chǎn)的AzS(M)350 U型微機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)為例說明。西門子AzS(M)350U是一種新型微機(jī)計(jì)軸系統(tǒng)，它采用SIMIS安全型微機(jī)為控制核心，配以完善的外圍電路構(gòu)成運(yùn)算單元，并且通過多個(gè)運(yùn)算單元之間的有機(jī)組合來構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)，用以檢查區(qū)間軌道空閑或占用狀態(tài)。該系統(tǒng)可處理列車速度達(dá)到400 km/h的信息，還具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，見圖3。

圖3 AzS(M)350U型計(jì)軸設(shè)備系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)功能

①1套AzS(M)350U運(yùn)算單元計(jì)軸設(shè)備可以直接連接5個(gè)室外計(jì)軸點(diǎn)設(shè)備、檢測(cè)4個(gè)軌道區(qū)段;運(yùn)算單元數(shù)量可無限制地疊加，可靈活進(jìn)行設(shè)備配置;

②室外計(jì)軸點(diǎn)設(shè)備和室內(nèi)主機(jī)的最大傳輸距離為21 km;對(duì)超過6.5 km的計(jì)軸點(diǎn)，需要單獨(dú)提供電源(計(jì)軸點(diǎn)共用1對(duì)芯線供電);

③通常情況下室內(nèi)外連接僅需一對(duì)電纜芯線;

④傳輸閉塞信息;

⑤傳感器一體化;

⑥具有容錯(cuò)功能，計(jì)出功能，復(fù)用功能;

⑦采用“預(yù)復(fù)位”方式，對(duì)計(jì)軸點(diǎn)信息進(jìn)行容錯(cuò)處理(可由用戶選擇)。

(2)系統(tǒng)配置

①區(qū)間軌旁的ZP43型計(jì)軸點(diǎn)設(shè)備(包括雙置傳感器DEK43和軌道箱ZP43E);

②室內(nèi)的AzS(M)350U運(yùn)算單元組合;

③ZP43計(jì)軸點(diǎn)和AzS(M)350U運(yùn)算單元的外部電纜連接;

④在室內(nèi)、外設(shè)備距離大于6.5 km時(shí)，增設(shè)寬帶隔離變壓器，最大距離可達(dá)到21.0 km;

⑤AzS(M)350U運(yùn)算單元與聯(lián)鎖系統(tǒng)之間的接口電路以及配套的電源設(shè)備等。

⑥除基本防雷外，系統(tǒng)另配置一套完整的防雷設(shè)備。

⑦計(jì)軸電源:為保證計(jì)軸設(shè)備在電源屏停電的情況下仍能正常工作，需要使用在線式UPS為設(shè)備供電，供電時(shí)間不少于30 min或60 min。

2.1.3 通道要求

(1)站間通道(圖4)

圖4 站間通道示意

在兩站間需要2個(gè)獨(dú)立通道(上、下行)傳送區(qū)段及信號(hào)機(jī)等信息;2個(gè)站都可以安全地輸出每個(gè)閉塞分區(qū)的空閑/占用狀態(tài)及所有通過信號(hào)機(jī)的狀態(tài)等信息，同時(shí)可顯示對(duì)方站的內(nèi)容。

站間數(shù)據(jù)傳輸可采用通信電纜或光纜。根據(jù)幾個(gè)計(jì)軸廠家在國(guó)內(nèi)使用的情況分析，使用光纜的64 k音頻或數(shù)字通道時(shí)，有的廠家的光端機(jī)設(shè)備存在通道瞬時(shí)中斷問題，因此推薦采用光纜的2 M口。

(2)計(jì)軸點(diǎn)通道

對(duì)室內(nèi)、外距離6.5 km以內(nèi)的計(jì)軸點(diǎn)，通過2芯計(jì)軸專用電纜與室內(nèi)運(yùn)算單元連接;對(duì)室內(nèi)、外距離超過6.5 km的計(jì)軸點(diǎn)，通過2芯計(jì)軸專用電纜與室內(nèi)運(yùn)算單元連接以傳送計(jì)軸信息，另外提供2芯為所有超過6.5 km的計(jì)軸點(diǎn)供電(此時(shí)需增加寬帶隔離變壓器)。

2.2 交叉環(huán)線機(jī)車信號(hào)

2.2.1 烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道設(shè)計(jì)原則

采用交叉環(huán)線傳輸機(jī)車信號(hào)，受道床電阻和整體道床的影響比雙軌條傳輸機(jī)車信號(hào)小，這一點(diǎn)已在烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞工程的測(cè)試中得到驗(yàn)證。

該工程是在最大傳輸電纜15 km條件下取得成功，采用了小環(huán)與大環(huán)共同完成向機(jī)車發(fā)送地面信息，有準(zhǔn)確、完善的測(cè)試數(shù)據(jù)，有經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)的電路圖和環(huán)線調(diào)整表。主要設(shè)計(jì)原則如下。

(1)隧道外軌道電路采用與全線一致的ZPW2000A型區(qū)間設(shè)備，其余為計(jì)軸加環(huán)線設(shè)備。

(2)大區(qū)間檢查設(shè)備，采用4套ZP30CA型計(jì)軸設(shè)備，以分界點(diǎn)為界，上下行區(qū)段各自被分成2個(gè)大區(qū)段，大區(qū)間計(jì)軸室外設(shè)備設(shè)在進(jìn)站(或反向進(jìn)站)點(diǎn)和區(qū)間分界點(diǎn)處。

(3)按有關(guān)規(guī)范要求，在隧道兩端洞口外設(shè)置遮斷信號(hào)機(jī)和遮斷預(yù)告信號(hào)機(jī)，分別由兩站值班員根據(jù)隧道火災(zāi)預(yù)警報(bào)告進(jìn)行操作，點(diǎn)亮遮斷信號(hào)機(jī)，同時(shí)切斷隧道外的區(qū)間信號(hào)機(jī)。

(4)傳輸ZPW-2000A機(jī)車信號(hào)的干線電纜，采用SPT鋁護(hù)套數(shù)字信號(hào)電纜，為達(dá)到良好傳輸效果，室內(nèi)加有補(bǔ)償電感。

(5)在計(jì)軸加環(huán)線軌道區(qū)段，設(shè)計(jì)切碼電路;與計(jì)軸區(qū)段相鄰的軌道電路區(qū)段增加計(jì)軸設(shè)備，僅利用其計(jì)出功能作為切碼條件，以實(shí)現(xiàn)緊追蹤時(shí)對(duì)前方區(qū)段的切碼功能。

(6)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果、科研單位研制報(bào)告，對(duì)于1 500 m以內(nèi)的閉塞分區(qū)，根據(jù)電纜傳輸長(zhǎng)度(L＜12 km和12 km≤L＜15 km)，將環(huán)線等分為2～3段，按兩端半間距、中間整間距法進(jìn)行環(huán)線交叉，發(fā)送設(shè)備與環(huán)線一對(duì)一運(yùn)用。

(7)為減少環(huán)線阻抗，環(huán)線采用3.7 mm2多股銅芯線。

(8)環(huán)線發(fā)碼設(shè)備，利用既有成熟設(shè)備，采用全線一致的ZPW2000A型移頻設(shè)備，

(9)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，取消室內(nèi)一拖二變壓器，取消“電纜模擬網(wǎng)絡(luò)”，以減少附加功耗。

(10)設(shè)置室外環(huán)線調(diào)整變壓器，通過變壓器變比的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)電纜與環(huán)線的匹配連接。變壓器一次側(cè)接有補(bǔ)償電感，二次側(cè)接有補(bǔ)償電容，以獲得良好的傳輸效果;補(bǔ)償電容根據(jù)載頻及環(huán)線長(zhǎng)度，在1～3 μF間進(jìn)行調(diào)整。

(11)為檢測(cè)環(huán)線的完整性，設(shè)計(jì)環(huán)線檢測(cè)電路。在環(huán)線終端設(shè)置室外環(huán)線電流互感器，當(dāng)環(huán)線內(nèi)環(huán)流正常時(shí)，環(huán)線電流互感器二次側(cè)移頻信號(hào)經(jīng)整流濾波形成直流電壓，并通過電纜傳至送端，動(dòng)作室內(nèi)環(huán)線檢查繼電器，R1～R4用做繼電器電壓調(diào)整。為與送端電纜共用電纜傳輸通道，在室內(nèi)及室外側(cè)電纜均加有20 μF隔直電容。另外，為防止終端電纜對(duì)送端移頻信號(hào)的衰減，在終端電纜中串接有隔離交流的電感線圈。

電路原理見圖5;環(huán)線調(diào)整表見表1。

圖5 ZPW-2000A交叉環(huán)線傳輸機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)電路原理

表1 ZPW-2000環(huán)線機(jī)車信號(hào)調(diào)整

2.2.2 關(guān)角特長(zhǎng)隧道交叉環(huán)線機(jī)車信號(hào)系統(tǒng)研究方法

烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞工程按上述方案成功實(shí)施，關(guān)角特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞仍然采用烏鞘嶺的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、配置及所有器材，在總結(jié)前者成果的基礎(chǔ)上，在關(guān)角特長(zhǎng)隧道最大傳輸電纜為21 km的情況下，繼續(xù)進(jìn)行ZPW-2000A交叉環(huán)線機(jī)車信號(hào)傳輸系統(tǒng)的研究、試驗(yàn)、改進(jìn)器材參數(shù)和優(yōu)化配置，然后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、驗(yàn)證，最終補(bǔ)充傳輸電纜為15～21 km的環(huán)線調(diào)整表，取得成果后，指導(dǎo)本工程實(shí)施。

為滿足機(jī)車信號(hào)入口電流要求，具體從以下幾方面進(jìn)行分析、研究，從而提出解決方案。

(1)低道床電阻(關(guān)角特長(zhǎng)隧道道床電阻待測(cè)，先模擬0.15 Ω·km最不利道床條件)及經(jīng)絕緣處理的整體道床對(duì)機(jī)車信號(hào)環(huán)線傳輸?shù)挠绊懛治?、測(cè)試。

(2)繼續(xù)采用烏鞘嶺隧道環(huán)線機(jī)車信號(hào)設(shè)計(jì)方案，包括電路原理、電路結(jié)構(gòu)、切碼電路設(shè)計(jì)原則及所有器材，必要時(shí)改進(jìn)有關(guān)器材參數(shù)，尤其是室外環(huán)線調(diào)整變壓器參數(shù)的優(yōu)化和修正，以期獲得最佳傳輸效果。

(3)對(duì)于21 km傳輸電纜衰耗大的解決方案:采用SPT鋁護(hù)套數(shù)字信號(hào)電纜，特長(zhǎng)傳輸電纜采用四線組雙芯并聯(lián)使用以降低衰耗(烏鞘嶺隧道環(huán)線傳輸電纜實(shí)際均采用單芯)，但當(dāng)發(fā)送器電流過大接近1 A時(shí)，可采取芯線分段并聯(lián)使用來解決。

(4)環(huán)線電纜阻抗對(duì)電流的限制，本次設(shè)計(jì)仍然采用3.7 mm2多股銅芯線，盡量不繼續(xù)研制大截面的新型環(huán)線電纜。

(5)大、小環(huán)長(zhǎng)度合理分配，有利于降低大環(huán)發(fā)碼設(shè)備的發(fā)送功率，但根據(jù)烏鞘嶺隧道經(jīng)驗(yàn)，小環(huán)長(zhǎng)度宜設(shè)計(jì)在300 m為宜，余量放入大環(huán);對(duì)于傳輸電纜在15 km以上時(shí)，如果有必要，繼續(xù)縮短環(huán)線區(qū)段長(zhǎng)度，可考慮設(shè)4個(gè)環(huán)的方案，將環(huán)線分為4段，按兩端半間距、中間整間距法進(jìn)行環(huán)線交叉，發(fā)送設(shè)備與環(huán)線一對(duì)一運(yùn)用。

(6)繼續(xù)取消室內(nèi)一拖二變壓器，取消“電纜模擬網(wǎng)絡(luò)”，以減少附加功耗。

(7)護(hù)輪軌對(duì)環(huán)線傳輸?shù)挠绊懖淮螅P(guān)角特長(zhǎng)隧道如果安裝護(hù)輪軌，應(yīng)協(xié)調(diào)解決護(hù)輪軌對(duì)計(jì)軸磁頭安裝的影響，確保計(jì)軸系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

(8)烏鞘嶺隧道環(huán)線機(jī)車信號(hào)發(fā)送器最終采用的是與全線一致的通用設(shè)備，功率(70 W)沒有加大，本次設(shè)計(jì)功率是否加大(由70 W增大到140 W)的問題，要充分考慮對(duì)整個(gè)環(huán)線機(jī)車信號(hào)傳輸系統(tǒng)的優(yōu)化，合理選擇信號(hào)電纜芯線的使用、環(huán)線電纜電氣參數(shù)和布置長(zhǎng)度、變壓器等器材的參數(shù)等。若采用大功率發(fā)送器，應(yīng)考慮相關(guān)設(shè)備器材的發(fā)熱、對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部及外部的電磁兼容等因素。

3 結(jié)語(yǔ)

關(guān)角特長(zhǎng)隧道是目前國(guó)內(nèi)最長(zhǎng)的鐵路隧道，隧道工程正在施工，隧道內(nèi)環(huán)境情況還不十分明朗，而且隧道通車運(yùn)營(yíng)后，環(huán)境變化情況難以預(yù)測(cè)。而最大傳輸電纜達(dá)到21 km的特長(zhǎng)隧道內(nèi)自動(dòng)閉塞設(shè)備制式的選擇，國(guó)內(nèi)尚無先例。關(guān)角隧道內(nèi)軌道電路參數(shù)測(cè)試等項(xiàng)目還未開展，本文介紹的計(jì)軸加環(huán)線自動(dòng)閉塞方案，僅是從理論上進(jìn)行分析和借鑒既有工程成熟經(jīng)驗(yàn)后，認(rèn)為工程風(fēng)險(xiǎn)小，成功率高。而在實(shí)際實(shí)施過程中，還需要對(duì)干線傳輸電纜大于15 km的情況作進(jìn)一步專題研究、試驗(yàn)驗(yàn)證。施工圖設(shè)計(jì)所依據(jù)的主要電路方案和參考數(shù)據(jù)，將主要來自科研單位的理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。如果關(guān)角特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞工程選擇本文介紹的方案，則建議此工程列為試驗(yàn)工程開展，建設(shè)單位、科研單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位及設(shè)備供應(yīng)商等共同努力，爭(zhēng)取取得理想結(jié)果，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)特長(zhǎng)隧道自動(dòng)閉塞設(shè)備的選型積累更加豐富的經(jīng)驗(yàn)。

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[8]鐵道部測(cè)試組.烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道ZPW-2000A環(huán)線機(jī)車信號(hào)傳輸試驗(yàn)測(cè)試報(bào)告[Z].北京:鐵道部測(cè)試組，2006.