葛偉濤

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308）

1 概述

截止2021年底，國(guó)內(nèi)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15 km，其中高速鐵路4萬(wàn)km。鐵路尤其350 km/h的高速鐵路對(duì)于無(wú)線通信系統(tǒng)覆蓋要求比較高，主要體現(xiàn)在覆蓋場(chǎng)強(qiáng)及冗余可靠等方面。鐵路無(wú)線通信系統(tǒng)覆蓋的典型場(chǎng)景包括山體隧道、封閉式風(fēng)/聲屏障等封閉區(qū)域和鐵路高架橋、路基等開(kāi)闊區(qū)域。近幾年陸續(xù)有高鐵項(xiàng)目出現(xiàn)了跨海隧道的特殊場(chǎng)景，如汕汕鐵路汕頭灣海底隧道、廣湛高鐵湛江灣海底隧道、甬舟鐵路金塘海底隧道等。該類(lèi)隧道與山體隧道不同，其主要采用盾構(gòu)形式建設(shè)，無(wú)法在隧道內(nèi)設(shè)置通信洞室，通信直放站或分布式基站等弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備無(wú)法安裝在通信洞室內(nèi)。因此高鐵跨海隧道的GSM-R覆蓋成為此類(lèi)項(xiàng)目的無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和難點(diǎn)。

海底隧道由于其施工的特殊性，在隧道口一般先采用U型槽和明挖的方式建設(shè)，進(jìn)入地下后，在地下通過(guò)盾構(gòu)形式穿越海底。本文以廣湛高鐵海底隧道為模型，分析GSM-R系統(tǒng)覆蓋及設(shè)備安裝方案。

廣湛高鐵位于廣東省境內(nèi)，設(shè)計(jì)速度為350 km/h。廣湛高鐵在湛江市境內(nèi)途經(jīng)湛江灣，設(shè)湛江灣海底隧道，海底隧道全長(zhǎng)9.64 km，其中進(jìn)口U型槽區(qū)段長(zhǎng)760 m，海底進(jìn)口明挖段長(zhǎng)770 m，海底盾構(gòu)段長(zhǎng)7 400 m，海底出口明挖段長(zhǎng)330 m，出口U型槽長(zhǎng)380 m。海底隧道示意如圖1所示。

2 GSM-R系統(tǒng)覆蓋方案

目前，高速鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)主要采用GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)。GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)在隧道弱場(chǎng)主要采用分布式基站或直放站結(jié)合隧道內(nèi)通信漏纜、隧道口天線的方式對(duì)隧道進(jìn)行弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)。由于廣湛高鐵信號(hào)采用CTCS-3列控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)速度為350 km/h，因此湛江灣海底隧道應(yīng)采用冗余覆蓋方式。

1）方案一：分布式基站方案

在鐵路隧道口DK406+930、DK416+570分別設(shè)置2套BBU，其中BBU1和BBU2各配置2載頻，BBU3和BBU4各配置1載頻。在隧道口及隧道內(nèi)共8個(gè)位置各設(shè)置2套R(shí)RU，分別為RRU1-RRU16，每個(gè)RRU點(diǎn)位間距不超過(guò)1.5 km。RRU1-RRU4通過(guò)光纜以星型連接的方式接入BBU1，RRU5-RRU8通過(guò)光纜以星型連接的方式接入BBU2，組成A網(wǎng)。RRU9-RRU12通過(guò)光纜以星型連接的方式接入BBU3，RRU13-RRU16通過(guò)光纜以星型連接的方式接入BBU4，組成B網(wǎng)。A網(wǎng)主用，B網(wǎng)備用。A網(wǎng)和B網(wǎng)中的兩個(gè)小區(qū)均在DK410+840-DK412+340之間進(jìn)行切換。隧道內(nèi)敷設(shè)通信漏纜，利用漏纜覆蓋隧道內(nèi)，隧道口安裝天線，覆蓋隧道外。覆蓋示意如圖2所示。

GSM-R系統(tǒng)設(shè)備的主控、時(shí)鐘、電源、載頻等關(guān)鍵板卡或模塊按熱備用工作模式冗余配置?；?分布式基站載波單元應(yīng)分板設(shè)置，單一單板故障時(shí)，基站/分布式基站仍能提供服務(wù)。因此，分布式基站組網(wǎng)時(shí)，每個(gè)RRU設(shè)備點(diǎn)根據(jù)廠家產(chǎn)品性能，可能設(shè)置4臺(tái)RRU，即每2臺(tái)RRU對(duì)應(yīng)圖中的1套R(shí)RU。

2）方案二：數(shù)字直放站方案

在鐵路隧道口分別設(shè)1套宏基站BTS，分別為BTS1和BTS2，均配置為2載頻。在隧道口及隧道內(nèi)共8個(gè)點(diǎn)位按照間距不超過(guò)1.5 km各設(shè)置1臺(tái)數(shù)字直放站DRU，分別為DRU1-DRU8。數(shù)字直放站分別通過(guò)環(huán)網(wǎng)的形式接入BTS1和BTS2。其中DRU1-4由BTS1提供主用信號(hào)，由BTS2提供備用信號(hào)。DRU5-8由BTS2提供主用信號(hào)，由BTS1提供備用信號(hào)。BTS1和BTS2 兩個(gè)小區(qū)之間在DK410+840-DK412+340之間進(jìn)行切換。隧道內(nèi)敷設(shè)通信漏纜，利用漏纜覆蓋隧道內(nèi)，隧道口安裝天線，覆蓋隧道外。覆蓋示意如圖3所示。

方案一和方案二優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

兩個(gè)方案中，方案一安裝RRU較多，投資高，占用光纖資源多，用電量大。方案二利用直放站組網(wǎng)，設(shè)備少，投資低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性也能滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范及運(yùn)營(yíng)需求。綜合考慮，海底隧道采用方案二覆蓋。

3 海底隧道內(nèi)設(shè)備安裝方案

根據(jù)上述GSM-R覆蓋方案，分別在DK407+900、DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340各安裝1套數(shù)字直放站，其中DK407+900位于海底隧道進(jìn)口明挖段，DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340位于海底隧道盾構(gòu)段。高速鐵路隧道內(nèi)一般設(shè)有通信洞室，用于安裝通信直放站等弱場(chǎng)補(bǔ)強(qiáng)設(shè)備，通信洞室寬×深×高一般為4 m×4.2 m×4.4 m， 其 中 深 4.2 m 不 含 1.8 m的余長(zhǎng)電纜腔。垂直鐵路方向剖面示意如圖4所示。

由于海底隧道明挖段側(cè)面設(shè)置通信洞室施工難度較大，尤其是垂直鐵路方向的深度對(duì)施工難度及投資影響較大。經(jīng)與隧道專(zhuān)業(yè)溝通，廣湛高鐵海底隧道明挖段DK407+900通信洞室設(shè)置為寬×深×高=4 m×4.2 m×4 m，其中深 4.2 m 含 1.8 m 的電纜余長(zhǎng)腔。直放站、配電箱、光纜終端盒等設(shè)備可壁掛在隧道通信洞室內(nèi)，其安裝示意如圖5所示。

DK409+340、DK410+840、DK412+340、DK413+840、DK415+340位于海底隧道盾構(gòu)段，盾構(gòu)段側(cè)面無(wú)法設(shè)置通信洞室。根據(jù)盾構(gòu)段結(jié)構(gòu)，盾構(gòu)段軌道板下面設(shè)有中間箱涵，中間箱涵兩側(cè)設(shè)有邊涵，中間箱涵建設(shè)完成后可做為隧道的疏散通道。由軌道層至中間箱涵疏散通道每間隔100 m設(shè)有樓梯，便于疏散逃生。為了滿(mǎn)足通信設(shè)備安裝需求，可以將通信直放站安裝在中間箱涵一側(cè)的側(cè)壁上，但不得影響疏散通道人員通行?？紤]到中間箱涵內(nèi)安裝通信設(shè)備時(shí)需要將電源線、饋線、光纜等線纜連接至弱電纜槽，因此需要在每處中間箱涵直放站位置經(jīng)兩側(cè)邊涵至兩側(cè)強(qiáng)弱電電纜槽預(yù)留6根Φ 100的熱鍍鋅鋼管。考慮到通信設(shè)備接地需求，還需在每處中間箱涵側(cè)壁的通信設(shè)備安裝位置預(yù)留2處接地端子。另外，為了便于在預(yù)留的鋼管內(nèi)布放線纜，還需要在設(shè)備安裝旁邊由中間箱涵向兩側(cè)邊涵預(yù)留寬0.8 m、高1.25 m人孔。海底隧道盾構(gòu)段通信設(shè)備及管線安裝示意如圖6所示。

4 公網(wǎng)覆蓋預(yù)留

為滿(mǎn)足高鐵旅客的通話及上網(wǎng)需求，提高鐵路旅客服務(wù)品質(zhì)，鐵路沿線尤其是對(duì)隧道內(nèi)進(jìn)行公網(wǎng)覆蓋十分必要。海底隧道一般長(zhǎng)度較長(zhǎng)，考慮到旅客的通話及上網(wǎng)需求，運(yùn)營(yíng)商及鐵塔公司均會(huì)對(duì)其進(jìn)行公網(wǎng)覆蓋，因此有必要對(duì)公網(wǎng)覆蓋預(yù)留用電、槽道、洞室或隧道壁等資源。目前，高鐵公網(wǎng)4G/5G覆蓋還是按照500 m左右的間距設(shè)置公網(wǎng)設(shè)備，因此海底隧道在設(shè)計(jì)階段可按照500 m間距預(yù)留公網(wǎng)設(shè)備安裝條件。若公網(wǎng)設(shè)備安裝在海底隧道明挖段，可參照海底隧道通信洞室大小預(yù)留公網(wǎng)覆蓋洞室；若公網(wǎng)設(shè)備安裝在海底隧道盾構(gòu)段，可參照鐵路通信設(shè)備安裝方式安裝在軌道板下面的中間箱涵側(cè)墻上，并在相應(yīng)區(qū)域預(yù)留過(guò)軌鋼管、人孔、接地端子等。

5 防腐防銹蝕措施

由于海底隧道位于海水下面，設(shè)備、線纜的運(yùn)行環(huán)境濕度較大，高鐵為百年工程，高鐵列車(chē)對(duì)風(fēng)壓、設(shè)備安全等要求較高，高鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后隧道內(nèi)進(jìn)出不便。因此在設(shè)計(jì)及施工階段應(yīng)提前考慮漏纜卡具、通信設(shè)備、配電設(shè)備等設(shè)備材料的防腐、防銹、防鹽霧措施。常見(jiàn)的金屬防腐蝕措施有熱浸鋅、涂層、復(fù)合涂層、陰極保護(hù)、鈍化等措施，建議在設(shè)計(jì)或招標(biāo)階段，結(jié)合海底隧道所處環(huán)境，有針對(duì)性的采用相適合的防腐防銹蝕措施，進(jìn)一步提高設(shè)備或線纜的使用壽命。

6 總結(jié)

本文以廣湛高鐵湛江灣海底隧道為例，首先分析了海底隧道GSM-R系統(tǒng)兩種覆蓋方案，并對(duì)兩種覆蓋方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。通過(guò)分析比較，由于數(shù)字直放站覆蓋方案使用設(shè)備少，投資低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性也能滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范及運(yùn)營(yíng)需求，建議海底隧道采用數(shù)字直放站覆蓋方案。其次，結(jié)合海底隧道明挖段、盾構(gòu)段的結(jié)構(gòu)形式，提出海底隧道通信直放站安裝方案，并為公網(wǎng)覆蓋預(yù)留了設(shè)備安裝條件。最后，結(jié)合海底隧道環(huán)境特點(diǎn)，提出防腐防銹蝕建議。本次研究對(duì)海底隧道GSM-R系統(tǒng)的覆蓋具有指導(dǎo)和參考價(jià)值。