地铁隧道杂散电流腐蚀与钢结构极化电位耦合机制基础研究

Corrosion caused by subway stray current pose a serious threat to the safety of line tracks, ballast bed steel bar and tunnel steel structure, as well as adjacent buried metal pipelines and building structures. Aimed to the complex construction environment，we will establish the field-circuit coupling modeling and optimization calculation method for stray current distribution inside and outside tunnel, and carry out wide-area synchronous measurement and numerical calculation for the traction current, tract current, back flow of current drainage net and tunnel wall, potential, steel structure polarization potential inside tunnel and buried metal pipelines outside tunnel, furthermore, research the distribution law of stray current and influence characteristics of steel structure polarization potential under different traction current, grounding mode, rate of traffic flow, drainage net connection, track-to-earth resistance, soil resistivity, tunnel structure and its connection state and other factors. So as to reveal the coupling mechanism of the dynamic subway stray current corrosion and steel polarization potential. And set up a series of quantitate evaluation model and method based on the coupling relationship between the stray current and steel structure polarization potential by combining the stray current parameters such as corrosion amount and diffusion efficiency of metal structure, Result of the study is of great scientific and basic application value to the corrosion prevention of subway tunnel, building and metal pipes near tracks.

地铁杂散电流引起的腐蚀对走行轨、道床及隧道钢结构、隧道外埋地金属管线及金属构筑物安全构成严重威胁。项目面向地铁复杂相构环境，建立地铁隧道内外地铁杂散电流场路耦合模型和优化算法，开展牵引电流、轨道电流、排流网及隧道壁回流、隧道区间内钢结构及隧道外埋地金属管线极化电位，以及隧道外地电位分布的广域同步实测及数值计算，研究牵引状态、接地方式、行车密度、排流接线、走行轨绝缘状态、土壤电阻率、隧道结构、隧道壁结构互联状态、隧道外埋地金属管道及金属构筑物等因素影响下杂散电流分布规律和钢结构极化电位响应特性，揭示地铁动态杂散电流腐蚀和钢结构极化电位的耦合物理机制，结合地铁杂散电流腐蚀量、金属结构排流效率等腐蚀特征参数，建立基于杂散电流和钢结构极化电位耦合关系的腐蚀影响定量评价模型与评价方法。研究结果对于地铁隧道、近轨建构筑物及金属管道腐蚀防护具有重要的科学意义和应用基础价值。

地铁直流牵引供电系统中轨对地绝缘下降或破损情况下产生的杂散电流及钢结构腐蚀是地铁线路规划建设和社会公众关心的问题。杂散电流难以直接测量，钢结构极化电位是目前标准中用于监测杂散电流泄漏状态的工程参数，理解杂散电流和钢结构极化电位之间的耦合机制，关系到杂散电流监测方法的科学性和防护手段的有效性，具有重要的科学和工程意义。.项目针对地铁牵引供电馈线电流和钢结构极化电位时序特征、地铁隧道及站外钢结构极化电位响应特性、实验室环境杂散电流对钢结构极化电位影响和耦合、地铁隧道杂散电流分布及影响范围等方面开展了现场实测、实验室实验、理论研究和数值计算。.在地铁直流牵引馈线电流时序特征及钢结构极化电位响应特性方面，分别开展了现场同步实测，总结了馈线电流波形时序特征，发现了直流馈线电流与钢轨电位内在耦合关系，获得了多种邻近地铁线路钢结构的极化电位分布，总结了杂散电流对特定金属的特定影响模式，发现了地铁运行期间杂散电流对隧道钢筋极化电位存在强耦合影响、长距离输油金属管线对杂散电流产生收集放大等现象，为认识杂散电流对隧道内外部钢结构的真实影响提供了支撑。.在杂散电流与钢结构极化电位耦合关系研究方面，建立了实验模拟装置，获得了土壤环境和水环境中杂散电流对金属管线沿线极化电位分布影响规律及特点，提出了多个影响因素下金属管线沿线杂散电流密度分布的计算方法，分析揭示了金属管线杂散电流与极化电位偏移的对应关系。.针对地铁隧道杂散电流分布及影响范围，建立了能够模拟地铁隧道中空结构以及不同绝缘破损模式影响的杂散电流分布影响计算模型，获得了轨地绝缘整体下降及局部破损模式下杂散电流泄漏定量影响范围及分布规律，预测了不同状态下钢结构极化电位偏移范围，发现标准中极化电位偏移限值能较有效地判断钢轨局部破损但不能灵敏反映轨对地过渡电阻整体下降，为杂散电流的工程防护完善提供了理论依据。