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1地铁结构杂散电流的防护与接地本文主要总结和说明了地铁杂散电流腐蚀防护的目标、特点、基本方法、排流防护标准、最佳防护及结构接地等问题。1杂散电流的危害与防护目标我国城市轨道交通除重庆市2号线采用跨座式外，各线均采用直流牵引供电、走行轨（铁轨）回流制式。这种做法虽具有节省投资的优点，但不可避免地会产生杂散电流（俗称迷流）和电腐蚀。其危害是：1）危害地铁结构的强度和寿命，“混凝土结构中钢筋受迷流腐蚀而引起结构的破坏是影响（地铁）混凝土结构强度和耐久性的最主要因素”（1）。英国伦敦早期地铁为解决杂散电流的危害不得不将铁轨回流改为四轨回流。2）影响地铁内金属管线的使用寿命。金属管线如不按杂散电流防护要求敷设，其使用寿命也会受到影响，如北京地铁环线1993至1994年间敷设的热水管道，其寿命不足5年。3）杂散电流流入或流出地铁外部的金属管线及地面钢筋建筑，影响到这些管线的阴极防护和使用寿命。4）地铁杂散电流的存在还干扰和影响到地铁沿线周围大地电场的分布，这种影响可达十几公里。杂散电流的这些危害对刚建成后新线的运营来说还不是当前最紧迫的，因而得不到设计、建设、施工、验收和运营部门的重视。但从不危害其他公众利益，安全运营和科学发展观出发，应该进行防护。我国为此专门制定了《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》，因此对杂散电流的防护内容及目标也应从消除这四方面的危害出发，做到：1）不因杂散电流影响地下隧道、高架桥梁结构的耐久性（强度）；2）不因杂散电流影响系统内各种金属管线（含钢轨）的使用寿命；3）不因杂散电流影响系统外金属管线和建筑结构的使用寿命；4）不因杂散电流产生电磁干扰及电击事故。要达到这些目标，需全面综合考虑防护措施，经过技术经济比较，选择最佳防护方案，做到“既不害己、又不害人”。2、地铁杂散电流防护的基本出发点及特点1）产生杂散电流腐蚀的必要条件是：直流电流从金属表面流出并具有正电位。因此杂散电流防护的最基本出发点是将流入金属的杂散电流直接送回变电站，而不让它从金属表面再流出（称为积极防护法）；或尽可能减少从走行轨流出的杂散电流，从而也就相对减少了从金属表面流出的电流（称为消极防护法）。2）产生杂散电流腐蚀的充分条件是：结构钢筋周围存在的电解质。直流电腐蚀与交流电腐蚀和化学腐蚀的不同点是电离子腐蚀，在碱性介质中形成黑锈的四氧化三铁，在酸性介质中形成红锈的三氧化二铁。水的酸碱度和结构的含水量以及结构钢筋的化学成分均会产生影响。因此对隧道和高架结构做好防水，提高混凝土的密实度，选用防腐钢筋，并对结构钢筋和金属管线采用表面绝缘与油漆保护涂层，运营时保持洞内结构干燥等是措施十分重要的。3）杂散电流腐蚀的特点,对金属管线是“点蚀、穿孔”等局部腐蚀,对金属结构是体积彭胀,强度下降。其腐蚀速率远远高于化学腐蚀,并与流出电流的大小密切有关，还有混凝土中钢筋的腐蚀速率是在土壤介2质中的3.8倍。由于锈蚀后氧化物也有一定的绝缘性能，随着受腐蚀时间的延续，在同样电压下，其杂散电流将逐步减小（1）。因此衡量结构钢筋腐蚀的允许值不宜用地铁钢筋的总表面面积除以杂散电流量来计算，而宜用结构钢筋对地电位值。4）地铁杂散电流除分布在列车用电点至供电变电所这段线路外，如未投入排流防护时，其主要部分分布在这段供电线路以外的区段。经北京地铁1、2号线和复八线试验段定电流测试结果说明（2）（4），绝大部分杂散电流是经结构钢筋流入大地，再由大地流至结构钢筋回变电所附近的走行轨。杂散电流防护的主要对象应是保护结构钢筋和防止杂散电流外流，道床内设置排流网收回的电流十分有限，起不了主排流的作用。5）地铁杂散电流腐蚀防护是一个系统工程，与线路、结构、建筑、供电、信号、给排水、通风空调、消防及各种自动化系统的布线和安全门等专业均有密切关系。如某一专业不按防护要求执行，则杂散电流的腐蚀防护将受到很大影响，甚至前功尽弃。因此，杂散电流防护需要作为一个系统工程，由一位重视杂散电流防护的负责全盘或跨多专业的领导来负责来设计和管理。6）地铁杂散电流受影响因素很多，又随时间、地点不断变化，加之目前国内地铁年限较短、现场实验较少、又没有统一的设计计算方法，导致对杂散电流的认知度和防护方案各异。国家虽制定了地铁杂散电流防护规程，但2000年后建设的绝大多数地铁新线却与此规程的要求相反。3结构腐蚀防护的三种基本做法根据产生杂散电流腐蚀的必要条件，其防护设计出发点是将杂散电流尽可能减少到最低限度和将流入结构的杂散电流直接流回变电所。目前归纳起来对结构钢筋杂散电流腐蚀防护不外乎有三种最基本方法：一是采用专用回流轨回流（也称第四轨回流）或交流牵引供电方式。国内如重庆跨座式单轨系统、北京首都机场T3航站楼内的乘客捷运系统；国外如加拿大温哥华轻轨系统、英国伦敦地铁专用铁轨回流系统、墨西哥地铁和法国巴黎地铁的橡胶轮系统等。这种系统由于负极和正极一样，采用绝缘子支撑，对地电阻可达兆欧级，流出的电流微乎其微。因此可以说不存在杂散电流的腐蚀问题，没有必要再采取其他的杂散电流防护措施。其主体结构可和地面普通建筑一样，没有特殊要求，结构钢筋也可作为接地体，但结构钢筋不得传输电能，负极也不得直接接地。负极如需接地，其接地电阻须保证流出的电流不得超过100mA/Km（5）。这种方法带虽有一劳永逸的效果，但投资大。在全世界轨道交通系统中虽有采用，但总的来说为数不多。二是利用走行轨回流的消极防护法。认为结构钢筋对地电压（电位）高峰小时平均值不大于0.1V是允许和安全的,采取了提高走行轨对结构钢筋的过渡电阻值，不上排流（可简称为“只堵不排”）的做法。如香港地铁走行轨对结构钢筋（大地、下同）的过渡电阻设计值为300Ω.Km以上，台湾台北地铁为150Ω.Km以上，最差不小于20Ω.Km。为提高过渡电阻值，除利用走行轨的减振扣件来加强绝缘外，还采取了多种专门绝缘措施，如在轨枕与道床间设橡胶套靴或绝缘材料、道床素混凝土加厚到40公分以上，在3整体道床与结构间敷设绝缘膜或涂抹环氧树脂、结构钢筋表面涂绝缘防护材料等。采用这些措施后，从钢轨流出的杂散电流在正常运营情况下可控制在毫安级，使其杂散电流对结构钢筋的腐蚀程度降至允许范围以内，因此也不需采取排流等其它防护措施。为保持较高的过渡电阻值，结构钢筋间不进行电气焊接（因结构钢筋做了绝缘保护层不宜焊接,同时若焊接会使钢筋的过渡电阻值下降），也不主张结构钢筋作接地体（因接地要求部分结构钢筋进行焊接）。这种做法需投入较多的资金，并需不断加强运营维护，保持结构钢筋对走行轨的过渡电阻值不低于设计要求值。这种做法在国外地铁得到了普遍运用。多。国内地铁对洞内的水、电、气等金属管线与结构间采取绝缘安装，也属于这种做法。三是利用走行轨回流的积极防护法，即在提高走行轨对结构钢筋的过渡电阻值的同时又需要排流（可简称为“又堵又排”）的做法。我国目前多数地铁采取的“以防为主，以排为辅，防排结合，加强监测”的设计原则就属于这种做法。其防的主要措施是提高走行轨的减振扣件的绝缘电阻值，使其达到15Ω.Km以上。目前国内地铁的减振扣件、垫板的体电阻率（干电阻率）虽可达到108Ω.m，经实测整组轨枕块的湿电阻却只有27KΩ,但每公里线路4根铁轨并联,每根轨有1680块轨枕。经计算，线路的过渡电阻值最高不超过100Ω.Km，但其湿电阻只有4Ω.Km。在这种情况下，从钢轨流出的杂散电流在正常运营情况下最大可到十安。这时仅靠“堵”的办法难以使杂散电流对结构钢筋的腐蚀程度达到允许范围以内，只好采用“以排为辅、堵排结合”的办法来解决问题。因排流需要对结构段钢筋进行电气焊接（否则不可能顺当地排流），并设置排流装置，使流入结构钢筋的电流不再流入大地而直接流回变电所。这种做法具有投资最少的优点，但对结构钢筋和金属管线的杂散电流腐蚀防护是必不可少的。这三种防护方案的选择应做技术经济论证。对同一条线路也可选择多种防护方案，如对不具备电气连接条件的盾构区段可采取消极防护法，对具备电气连接条件的区段可采取积极防护法，但对不同的防护方案区段之间应实行电气隔离。4、结构钢筋排流防护的标准采用积极防护时，可以在地铁建成投入运营时便投入排流防护，也可稍后投入，但最迟不应超出结构钢筋已处于腐蚀危险电位。从被保护金属和设备的角度来看，最理想的防护条件是设法使其表面不产生电腐蚀的条件。一般说来，衡量电腐蚀危害程度的标准是自金属表面流出的漏泄电流密度（我国地铁杂散电流防护规程规定为6微安/cm2以下）。掌握了漏泄电流密度，即可估算金属结构的腐蚀量和判断金属结构的腐蚀是否在允许范围内。但要准确的确定地铁结构钢筋的表面积和漏泄电流沿其表面分布情况及腐蚀的电化学当量是十分困难的，甚至是不可能的。因而采用一个间接的、定性的判断标准，即判断金属结构表面相对于周围介质出现正电压的可能性及大小。对地铁来说，判断结构钢筋是否需要防护，是结构钢筋对地的电位是否超过允许电位或处于受腐蚀电位。地铁结构和桥梁为钢筋混凝4土，其钢筋密布成网，按照由两种介质体组成的物体中各介质中通过的电流密度与其介质的电阻率成反比的规则，流入钢筋混凝土中的电流几乎全部从钢筋中流过，此时钢筋混凝土中混凝土的电位又几乎与钢筋是同一电位，因此钢筋的对地电位按有关规程规定应是指离结构以外12m处至结构钢筋的电压值。此值的测量应如北京地铁一线那样，从地铁结构外引入测量线（而不应从钢筋混凝土中引出测量线）。当测量的结构钢筋对地电压超过允许电位时，应采取排流防护措施。我国地铁杂散电流防护规程为此规定：隧洞结构的外表面，受杂散电流腐蚀危害的控制指标是由漏泄电流引起的结构电压偏离其自然电位数值，此值最大不应超过腐蚀危险电位+0.5V，而德国VDE0150标准为+0.1V（5）。5、阴极（最佳）排流防护设置排流防护的目的是将已流入结构钢筋的杂散电流直接回流到牵引变电所负极，而不再从结构的保护层流出，从而避免杂散电流腐蚀危害。采用阴极排流防护，又称为最佳排流防护，即能达此目的。从电腐蚀防的标准来看，如果能够将结构钢筋表面相对于周围电解质的电压值降至零值以下，其分界面处（结构钢筋的保护层）会出现一个位能势垒，此时流入结构钢筋的杂散电流不可能再向外漏泄，如同在地面修建了一条水沟，从地面流进水沟的水不可能再流至地面一样，这也就消除了杂散电流的危害，此法称为金属防护电位法或阴极防护法，为此不少国家规定了最佳防护电位（标准最高值为-0.55V以下）。在实践中也不是结构钢筋对地电压越负越好，电压过负对地铁结构外周围的金属管线有过强的吸收力，使这些管线因从表面流出电流而遭受腐蚀，这也是地铁杂散电流防护所不希望的，因此对结构钢筋进行排流设计和选择排流器参数时应遵守满足以下原则和条件：1）隧道体对地电位应处于最佳防护电位-0.5～-0.8V。2）隧道体任何一处对地最高电位应低于混凝土钢筋危险电位+0.5V。3）隧道体对地负电位的允许值，应不使邻近金属建筑物受到有害影响，即不应超过-1.5V。要满足隧道体始终处于负电位的条件，则要求：1）结构钢筋不能接地，2）结构钢筋纵向电阻不宜大于线路电阻的10倍，3）地线不宜排流，4）排流器电阻要根据线路排流电流的大小来选择，宜小于0.1Ω。北京地铁1、2号线采用最佳防护理论设计，使隧道体电位U与排流电流I具有线性回归关系:U=-0.03-0.0107ⅹI(对前门站（2）)，使隧道体对地电位排流时始终为负值，当排流电流为零时在-0.03V,达到100A时也在-1.1V,从而达到了良好的防腐蚀效果。北京地铁在投入排流后，洞外管线电位有明显改善（2）。目前还有一种防护做法，排流时结构钢筋接地，地线排流，排流器电阻较大，只要求结构钢筋对地电位不高于+0.2～+0.3V。这一做法虽有大量电流回流至变电所负极，但因隧道体处于正电位，解决不了杂散电流不向外漏泄问题,这如同在地面修建了一条水渠，水渠中的水仍可能流至地面一样。按《轨道交通直流牵引供电系统》国标要求，结构钢筋纵向电阻可不超过线路电阻的30倍（约0.3欧/Km），若排流电流为2A的话，则1Km处的隧道体对地电位便高于+0.3V，超出了危险腐蚀电压值标准。如排流电