城市轨道交通新型装配式轨道与杂散电流防护技术接口研究

田德仓 黄德亮 尉大业

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055；

2.广州地铁集团有限公司，广州 510330；
3.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

随着我国城市化进程不断推进和发展，城市空间发展模式逐渐由单核向多核演变，城市轨道交通建设应适应城市空间发展模式转变，给城市经济发展提供新机遇。广州拟规划80～250 km/h不同速度级城市轨道交通，实现主城与卫星城、组团、多核心之间的交通联系，刺激组团内部、卫星城的经济发展建设[1]。为提高城市轨道交通项目建设效率，积极开展装配式轨道相关研究很有必要。

上海、北京、深圳、苏州等地铁建设中引进了高速铁路技术，采用与CRTSⅢ型板类似的装配式轨道技术。传统地铁轨道系统中，受基础沉降和温度梯度影响，板下与自密实混凝土之间容易开裂，导致地铁钢轨对地电阻值下降较快，运营期间地电阻值容易小于GB 50157—2013《地铁设计规范》中15 Ω·km的限值要求。针对轨道绝缘性不足等问题，提出了一种新型预制装配式轨道结构，并对其进行深入分析。

2.1 装配式轨道在城市轨道交通的技术优势

装配式无砟轨道整体性好，其道床具有较高的耐久性；
现场施工作业少，方便现场施工管控；
可采用标准化设计、工厂化制造、装配化施工技术；
可利用信息化手段提高装配式轨道施工铺设精度，建造数据有可追溯性，可实现较高的轨道TQI质量指数；
施工环境好，轨道工程质量高[2]。

2.2 采用新型装配式轨道提高轨道结构耐久性

列车荷载应力波在轨道结构自由面反射成拉伸波，易使混凝土产生破坏(称为层裂)[3]。高速铁路中，对无砟轨道进行分层设计，即土工布隔离层结构。经过长期运营实践，土工布隔离层下的浇筑层仍然容易发生开裂、破碎[4]。通过板式无砟轨道结构砂浆层伤损机理、隔离层材料刚度对砂浆层力学特性影响、隔离层材料等方面的研究，提出一种新型装配式轨道结构，见图1。

图1 新型装配式轨道结构示意

隔离层材料采用微弹性双层结构，既能方便轨道板起吊更换，又能提供较好弹性，提高板下自填充砂浆层耐久性，同时也为地铁杂散电流接口设计提供条件。

2.3 微弹性隔离层性能

微弹性隔离层采用8 mm厚封闭发泡技术的聚氨酯或橡胶材料制造，起到如下3个作用：①增加轨道弹性，缓冲结构受力，降低轨道结构伤损；
②提高轨道绝缘性，减少杂散电流泄露，干态电阻值为108Ω；
③割线刚度≤0.09 N/mm3。与一般地段整体道床相比，可实现2～3 dB的减振效果。微弹性隔离层现场效果见图2。

图2 新型装配式轨道用隔离层

城市轨道交通直流牵引供电系统多存在杂散电流现象(地铁迷流)[5]，目前我国轨道工程中，一般采取钢筋点焊，内设排流条和端子等措施，来防止迷流破坏邻近结构物。因此，杂散电流防护设计是轨道结构设计的重要内容[6]。

3.1 杂散电流对轨道交通的危害

直流牵引供电系统中牵引电流由钢轨流回至牵引变电所过程中，有一部分由钢轨流入大地再返回至牵引变电所，被称为杂散电流[7]。杂散电流沿线穿越金属管线或钢筋结构，电荷与金属铁单质结合形成铁离子流失到土壤里，逐渐对沿线金属结构腐蚀破坏(见图3)，严重时会威胁结构稳定和人员安全。

图3 直流供电系统杂散电流腐蚀示意

3.2 杂散电流泄漏途径

装配式轨道自上而下结构为钢轨、扣件、轨道板(带隔离层)、细石钢纤维混凝土调整层。轨道结构范围内杂散电流泄漏途径：走行轨→轨道板→隔离层→隧道基础，再返回至牵引所的负极[8-9]。

3.3 装配式轨道杂散电流接口标准

CJJ/T49—1992《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》第4.2.1条 规定：“兼做回流的地铁走行轨与隧洞主体结构(或大地)之间的过渡电阻值(按闭塞区间分段进行测量并换算为1 km长度的电阻值)，对于新建线路不应小于15 Ω·km，对于运行线路不应小于3 Ω·km[10]。”

CJJ/T49—2020《地铁杂散电流腐蚀防护技术标准》5.3.5第14条规定：“具备铺设条件的道床区段应铺垫道床素混凝土，其铺垫厚度不小于400 mm。当道床采用钢筋混凝土结构或受条件限制道床素混凝土厚度达不到400 mm时，应在道床下面铺设耐久绝缘层或采取其他绝缘措施”。第17条规定：“当地铁采用防护工程方案三时，走行轨对结构、对地的过渡电阻值不应低于15 Ω·km[11]。”

综上，走行轨对地过渡电阻对杂散电流的大小和腐蚀量起着决定性作用，走行轨对地过渡电阻越大， 沿线杂散电流越小，腐蚀量越少[12]。

3.4 绝缘性改善

通过装配式无砟轨道结构隔离层和灌注层的伤损机理分析，隔离层材料力学、电学特性影响分析，材料试制、试铺和力学电学试验研究，使新型隔离层材料既能方便轨道板更换，又能提供较好的弹性、板下垫层耐久性，同时提高地铁杂散电流腐蚀防护技术标准。

4.1 既有线类比测试情况

对国内某地铁线进行钢轨对地过渡电阻检测，钢轨测试数据包括钢轨纵向电阻测试与过渡电阻测试。

(1)普通道床测试数据

①钢轨纵向电阻

依照文献[13]，钢轨纵向电阻检测原理见图4。

图4 钢轨纵向电阻检测原理

钢轨本体纵向电阻RR10m计算式为

(1)

②钢轨对地过渡电阻

按照相关文献，隧道内钢轨对地的过渡电阻测量原理见图5。

图5 走行轨过渡电阻检测原理

(2)测试数据对比结果

对国内某地铁普通道床区段和新型装配式轨道区段的钢轨测试数据进行对比，结果见表1。从表1可看出，钢轨纵向电阻值相当的情况下，采用文中提出的道床绝缘方式，过渡电阻值提高1倍，满足建设期和运营期间的规范限值要求。

表1 钢轨测试数据对比结果

4.2 实验室测试

(1)缩比模型制备

结合拟定的轨道结构设计方案，建立室内缩比模型[14]。模型构成：2块预制平板基座(模拟板下填充层)和2块预制构件(模拟轨道板)，平板上现浇2块基座，均采用C40混凝土。其中，平板基座尺寸为500 mm×500 mm×200 mm，U形基座底部尺寸为500 mm×500 mm，高200 mm，U形槽的深度为50 mm，长宽为300 mm×300 mm，轨道板尺寸为300 mm×300 mm×300 mm。在每块基座与轨道板中部预埋测量电极，道床结构见图6、图7。

图6 缩比道床混凝土结构俯视(单位：mm)

图7 缩比混凝土道床结构侧视(单位：mm)

分别将2个预制构件表面粘上2 mm厚土工布和涂上2 mm厚新型装配式减振垫材料，并保证土工布与新型装配式减振垫材料覆盖的表面积大小相同，覆盖的厚度保持基本一致。将2个轨道板分别放入现浇的U形基座中。

(2)混凝土电阻率测试方法

在实验室采用四电极法测定混凝土电阻率。四电极法的电极间电场分布均匀，测试结果较为准确，测量示意见图8。其中，E1和E4为供电电极，E2和E3为电压测量电极；
电源加载到E1与 E4上，存在极化现象；
E2与E3电极仅用于测量电压，流经的电流≈0，E2、E3处基本无极化现象。这样测出的电压与电流之比为E2与E3之间的混凝土材料电阻。在试件浇筑前均先涂抹润滑油再安装电极片，以保证电极片表面干净，与混凝土砂浆接触良好[15]。

图8 混凝土电阻率测量示意

(3)模拟道床结构绝缘电阻测量原理

分别测量干燥条件和潮湿条件下新型装配式减振垫和土工布的绝缘性能[16]。潮湿条件下指分别将铺设土工布和减振垫的构件结构放入水中浸没，浸泡24 h，然后取出，沥干表面水分。测量比较不同电极棒位置的电阻大小。测量示意图见9，红线为减振垫或土工布，R0表示其电阻大小，上下两混凝土块的电阻分别为R1、R2。

图9 道床结构电阻测量示意

将混凝土构件放置在两块电极板之间，在上下两电极板与混凝土构架的接触面涂抹导电膏，减小接触电阻，上下电极板间分别通入500 V电压，在回路中串联耐压微安表，在上下电极板间的钢筋处并联电压表，上下电极棒间的电压为Uβ，流过上下电极棒间的电流为Iβ，分别测量1-1对应的电极棒、2-2对应的电极棒和3-3对应的电极棒间的电阻Rβ，有

(2)

Rβ=R0+R1+R2

(3)

测量流过Rβ的电流Iβ和其两端的电压Uβ，则可通过式(2)求出Rβ，通过式(3)可表达出Rβ、R0、R1和R2的关系。

(4)实验计算原理

根据欧姆定律，对混凝土试块的电阻值进行计算。混凝土电阻率是混凝土抵抗电流通过的能力[17]。本次计算中，忽略土工布与新型装配式减振垫成品的厚度，混凝土电阻计算见式(4)、式(5)，体积电阻率α计算见式(6)～式(8)。

(4)

(5)

S0=S2

(6)

R0=Rβ-R1-R2

(7)

(8)

式中，α为体积电阻率；
h为隔离材料厚度；
S0为隔离材料表面积；
R1与R2均为测量值；
电阻率均为ρ；
上电极板的混凝土块阴影部分横截面积为S1，高为L1；
下电极板的混凝土块阴影部分横截面积为S2，高为L2。

由式(4)与式(5)可算得R1和R2；
根据式(7)得到电阻R0；
由式(6)与式(8)可得到隔离材料体积电阻率[18]。

(5)实验处理结果

由所测数据得出Rβ值，绘制得到1 000 V潮湿土工布下电极棒不同位置Rβ，见图10。由图10可以看出，潮湿土工布的绝缘性能，电极棒在不同位置下的影响不大。由不同位置下测得的电极棒1-1、电极棒2-2、电极棒3-3三者的平均值来代替Rβ。

电极棒在不同位置下的测量结果见表2，可以看出，电极棒在不同位置时电阻R基本相同，故表中的Rβ由三者的平均值来代替。分别测得干燥土工布、干燥新型装配式减振垫成品、潮湿土工布和潮湿新型装配式减振垫成品的Rβ，再计算平均电阻Rβ和体积电阻率α。

表2 实验室数据记录

图10 1 000 V潮湿土工布下电极棒不同位置的Rβ(R总)

由表2可知，土工布内空隙被自填充混凝土填充，已经不是绝缘体。干燥环境下，新型装配式减振垫成品体积电阻率是土工布体积电阻率的22 651.899倍；
潮湿环境下，新型装配式微弹性层成品体积电阻率是土工布体积电阻率的33.676倍。采用该道床绝缘方式，室内分析结果与现场测试结果正相关。

(1)在工程现场测试中，采用设置微弹性绝缘隔离层的新型装配式轨道后，钢轨对地过渡电阻提高到普通轨道区段钢轨对地过渡电阻的2倍以上。

(2)在实验室测试中，建立道床块缩比模型，在2种不同隔离材料下测试其不同工况的绝缘性能。实验结果表明，干燥环境下，新型装配式减振垫成品体积电阻率是土工布体积电阻率的22 651.899倍；
潮湿环境下，新型装配式减振垫体积电阻率是土工布体积电阻率的33.676倍。潮湿工况下，采用减振垫作为隔离层材料，可以显著提高钢轨对地的绝缘性能。

(3)新型装配式轨道具有铺设质量高，轨道耐久性好等优点；
可实现标准化设计、工厂化制造、装配化施工。潮湿环境下，新型装配式轨道较传统装配式轨道绝缘性能更好，能有效提高对杂散电流泄漏的控制。

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