高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治中聚脲噴膜承載能力試驗(yàn)研究*

周曉軍，楊 義，王聚山，楊昌宇，呂陽(yáng)樹(shù)，孫 誠(chéng)

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中國(guó)鐵路成都局集團(tuán)有限公司，四川 成都 610082；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031；4.中鐵十一局集團(tuán)有限公司，重慶 400023；5.四川昕悅環(huán)?？萍加邢薰荆拇?成都 610094)

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的不斷加密和完善，高速鐵路線路中的隧道數(shù)量和長(zhǎng)度也在不斷增加。截至2021年12月31日，我國(guó)已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路線路總長(zhǎng)度已超過(guò)4萬(wàn)km，其中高速鐵路隧道共有3 971座，合計(jì)長(zhǎng)度為6 473km，占線路總長(zhǎng)度的16.18%。在已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路線路中長(zhǎng)度超過(guò)10km的隧道就有91座，合計(jì)長(zhǎng)度為1 141km[1]。為適應(yīng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，滿足乘客對(duì)鐵路安全、快捷和高效出行的需求，目前高速鐵路的規(guī)劃和建設(shè)仍需要高位運(yùn)行。線路中列車(chē)的行車(chē)密度和行車(chē)速度也在不斷提升，進(jìn)而對(duì)高速鐵路隧道內(nèi)列車(chē)的安全行駛和高速鐵路隧道襯砌的施工質(zhì)量提出了更高的要求。由于受傳統(tǒng)礦山法施工工藝、機(jī)械設(shè)備和工程造價(jià)等因素的制約，長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)鐵路線路中的山嶺隧道襯砌采用模筑現(xiàn)澆的施工工藝，致使部分線路中的隧道襯砌存在初期支護(hù)或襯砌背后空洞、二次襯砌拱部混凝土強(qiáng)度和厚度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、襯砌發(fā)生裂縫、滲漏水、施工縫處存在錯(cuò)臺(tái)等質(zhì)量缺陷。尤其是高速鐵路隧道襯砌拱部因混凝土裂縫、背后空洞和滲漏水等病害而引發(fā)的掉塊或塌落對(duì)高速鐵路隧道內(nèi)列車(chē)的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-4]。

我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的鐵路和公路隧道內(nèi)均發(fā)生過(guò)隧道襯砌掉塊或脫落等影響洞內(nèi)行車(chē)安全的事故。2016年7月20日南寧至廣州鐵路就發(fā)生了因五指山隧道襯砌拱部存在掉塊隱患而使列車(chē)限速運(yùn)行的事故。2017年8月24日包頭至西安鐵路曾發(fā)生了因新彌家河1號(hào)隧道拱部襯砌掉落而導(dǎo)致線路運(yùn)輸中斷的事故。此外現(xiàn)已投入運(yùn)營(yíng)的達(dá)成鐵路、貴廣鐵路、滬昆客專、武廣高鐵等線路中也曾發(fā)生因隧道襯砌開(kāi)裂和拱部掉塊等隱患而導(dǎo)致列車(chē)停運(yùn)和限速行駛的事故。高速鐵路隧道內(nèi)拱部混凝土襯砌脫落的典型事故如圖1所示。除鐵路隧道外我國(guó)公路隧道在運(yùn)營(yíng)期同樣也發(fā)生了拱頂混凝土襯砌脫落而砸中機(jī)動(dòng)車(chē)的嚴(yán)重事故。2020年6月10日四川省雅安市雨城區(qū)的青鼻山公路隧道內(nèi)就發(fā)生了拱部混凝土襯砌脫落砸中行駛中的車(chē)輛，造成車(chē)輛受損和人員受傷的事故，事故現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示。

圖1 高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土脫落Fig.1 Concrete spalling from the crown of high speed railway tunnel lining

圖2 公路隧道襯砌拱部混凝土脫落Fig.2 Concrete spalling from the crown of highway tunnel lining

國(guó)外運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道內(nèi)也發(fā)生過(guò)襯砌掉落和坍塌的事故。以日本高速鐵路為例，1999年6月27日日本山陽(yáng)新干線發(fā)生了因福岡隧道內(nèi)質(zhì)量約200kg的邊墻襯砌脫落而砸中處于行駛中的高速列車(chē)致使列車(chē)破損的事故，所幸此次事故未造成人員傷亡。此外，1999年10月9日日本山陽(yáng)新干線的北九州隧道曾發(fā)生一起隧道拱部混凝土襯砌脫落而導(dǎo)致列車(chē)停運(yùn)10小時(shí)的事故。同年11月28日日本北海道的禮文濱高速鐵路隧道內(nèi)還發(fā)生了貨物列車(chē)因與隧道拱部掉落的混凝土襯砌發(fā)生碰撞而導(dǎo)致列車(chē)脫軌的事故。

就高速鐵路隧道在運(yùn)營(yíng)期間由襯砌混凝土施工質(zhì)量缺陷所引發(fā)的病害而言，對(duì)鐵路隧道內(nèi)高速列車(chē)安全運(yùn)行構(gòu)成較為嚴(yán)重威脅的主要是隧道襯砌邊墻混凝土發(fā)生的開(kāi)裂、剝落以及拱部襯砌混凝土的整體坍塌和掉塊。因此，為保障高速鐵路隧道洞內(nèi)行車(chē)安全，對(duì)于新建隧道則需要從隧道襯砌施工方法、工藝和工程造價(jià)等因素進(jìn)行研究與改進(jìn)，確保隧道襯砌的施工質(zhì)量如強(qiáng)度和厚度等滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。對(duì)于已通車(chē)運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道而言，則主要結(jié)合運(yùn)營(yíng)期隧道襯砌發(fā)生病害的特征采取相應(yīng)的維修與加固措施，進(jìn)而維持和提高隧道襯砌的強(qiáng)度與安全[5-6]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高速鐵路隧道襯砌開(kāi)裂和坍塌等病害的防治也開(kāi)展了眾多的試驗(yàn)研究，目前主要采取的措施包括設(shè)置套襯、更換襯砌、襯砌局部補(bǔ)強(qiáng)和加固等[7-8]。對(duì)于高速鐵路隧道而言，上述襯砌病害治理的措施受施工作業(yè)條件尤其是高速鐵路隧道內(nèi)“天窗”時(shí)間短、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)等因素的制約，致使隧道襯砌拱部病害治理的工作量和難度很大，同時(shí)運(yùn)營(yíng)期的施工對(duì)鐵路運(yùn)輸也產(chǎn)生較大影響，因而對(duì)拱部襯砌病害的治理難以達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和使用功能的要求，甚至還可能形成新的安全隱患。因此針對(duì)高速鐵路隧道襯砌拱部病害特征，開(kāi)發(fā)和研究既能提高隧道內(nèi)襯砌病害防治的作業(yè)效率又能有效防治病害的治理方法就顯得尤為重要。本文就聚脲用于鐵路隧道襯砌拱部坍塌和掉塊等病害的防治而開(kāi)展模型試驗(yàn)。以圓柱體和長(zhǎng)方體混凝土試塊來(lái)模擬高速鐵路隧道拱部混凝土襯砌因病害而發(fā)生的掉塊，通過(guò)在模型隧道的洞內(nèi)向拱部噴涂厚度5mm的聚脲而形成噴膜，用于加固和支撐模擬隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長(zhǎng)方體試塊，并在試塊頂部堆放砂袋來(lái)模擬高速鐵路隧道內(nèi)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，并測(cè)定聚脲噴膜受試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力，為鐵路隧道尤其是高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土因施工質(zhì)量缺陷而引發(fā)的病害防治提供依據(jù)。

1 模型隧道的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)工況

聚脲作為一類由異氰酸酯組分和氨基化合物反應(yīng)而生成的高分子化合物彈性體，具有良好的防水、防腐、防沖磨和表面裝飾等功能，目前已被廣泛應(yīng)用于交通、工業(yè)與民用建筑、水電、港口、軍工、航天、核電等領(lǐng)域[9-11]，而在隧道和地下工程中則用作防水涂料，主要用于地下結(jié)構(gòu)的防水。作為一種高分子噴涂材料，聚脲在高速鐵路隧道襯砌拱部裂縫和掉塊治理方面尚未有工程應(yīng)用的先例。為分析聚脲在鐵路隧道襯砌拱部病害治理中的可行性，開(kāi)展隧道模型試驗(yàn)，并就聚脲噴膜在模型隧道拱部用于模擬隧道襯砌掉塊的混凝土試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力和破壞模式進(jìn)行測(cè)試與分析。為指導(dǎo)本模型試驗(yàn)，在進(jìn)行足尺模型試驗(yàn)前，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T23446—2009《噴涂聚脲防水涂料》、GB/T5210—2006《色漆和清漆拉開(kāi)法附著力試驗(yàn)》和GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定》等對(duì)試驗(yàn)中采用的聚脲彈性體進(jìn)行了室內(nèi)相關(guān)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定，主要包括聚脲與C35混凝土之間粘結(jié)強(qiáng)度即附著力、聚脲固化后的拉伸強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和彈性模量等，與本次足尺試驗(yàn)相關(guān)的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 聚脲固化材料的基本力學(xué)參數(shù)Table 1 Basic mechanical properties of solidified polyurea materials

本次模型試驗(yàn)中評(píng)價(jià)聚脲噴膜在加固和支撐隧道拱部掉塊承載能力時(shí)以表1中所列出的測(cè)試結(jié)果為依據(jù)。

1.1 模型隧道設(shè)計(jì)

為分析聚脲在加固和支撐高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊時(shí)的承載能力，采用足尺模型試驗(yàn)的方法。首先在試驗(yàn)場(chǎng)地按照1∶1的幾何相似比澆筑模型隧道。模型隧道的內(nèi)凈空采用時(shí)速350km/h客運(yùn)專線單洞雙線隧道的內(nèi)凈空?？紤]到本試驗(yàn)中僅測(cè)試和分析聚脲噴膜受隧道襯砌拱頂?shù)魤K和高鐵隧道內(nèi)列車(chē)氣動(dòng)效應(yīng)共同作用下的承載特征，為便于測(cè)試，模型隧道內(nèi)部的凈高設(shè)計(jì)為3.0m，模型隧道襯砌的厚度設(shè)計(jì)為0.5m，模型隧道沿其軸線上的全長(zhǎng)為20m。模型隧道的制作和測(cè)試工作在重慶中梁山的試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)中采用的模型隧道襯砌橫截面及其設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。

圖3 模型試驗(yàn)中的隧道結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.3 Structural diagram of tunnel in model test (unit:m)

鐵路隧道襯砌拱部發(fā)生掉塊和坍塌的類型較多，且引發(fā)的原因也較復(fù)雜。以貴陽(yáng)至廣州鐵路為例，全線中有隧道243座，僅成都局運(yùn)營(yíng)管理的線路內(nèi)有隧道77座。對(duì)上述隧道襯砌病害進(jìn)行的調(diào)查統(tǒng)計(jì)表明，隧道襯砌中存在有“月牙形”裂縫的病害多達(dá)69處，尤其是在隧道拱頂部位施工縫處存在的 “月牙形”裂縫對(duì)隧道內(nèi)高速列車(chē)的安全行駛構(gòu)成嚴(yán)重威脅，如圖4所示。

圖4 高鐵隧道襯砌拱部“月牙形”裂縫Fig.4 Crescent-shaped cracks in the crown of high speed railway tunnel

經(jīng)對(duì)貴陽(yáng)至廣州鐵路成都局管段內(nèi)隧道襯砌“月牙形”裂縫分布狀況的調(diào)查和統(tǒng)計(jì)，隧道襯砌拱頂受“月牙形”裂縫展布而影響的面積大約為3.0～5.0m2。根據(jù)貴廣鐵路隧道襯砌拱部裂縫展布的面積大小和分布狀況，并結(jié)合高速鐵路單洞雙線隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，為模擬高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土因質(zhì)量缺陷如襯砌裂縫、空洞等所引發(fā)的掉塊或坍塌現(xiàn)象，本次足尺模型試驗(yàn)中分別用預(yù)制的鋼筋混凝土圓柱體試塊和長(zhǎng)方體試塊來(lái)模擬試驗(yàn)中模型隧道拱部襯砌發(fā)生的掉塊。圓柱體試塊的橫截面直徑為2.0m，橫截面面積為3.14m2，高度為0.5m，質(zhì)量約為4.0t，用其來(lái)模擬隧道襯砌拱部面積為3.0m2左右的掉塊。而長(zhǎng)方體試塊的長(zhǎng)×寬×厚=2.0m×3.0m×0.5m，其質(zhì)量約為7.5t，用于模擬隧道襯砌拱部6.0m2范圍內(nèi)的掉塊。試驗(yàn)中用于模擬高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長(zhǎng)方體試塊的結(jié)構(gòu)分別如圖5和圖6所示。圖6中長(zhǎng)方體試塊的橫剖面與圓柱體試塊的縱、橫剖面一致。

圖5 圓柱體試塊結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.5 Structural diagram of cylindrical block (unit:m)

圖6 長(zhǎng)方體試塊結(jié)構(gòu)(單位:m)Fig.6 Structural diagram of cuboidal block (unit:m)

為便于試驗(yàn)中模擬隧道襯砌拱頂部位混凝土發(fā)生的坍塌和掉落，澆筑模型隧道時(shí)在其拱頂部位預(yù)留2個(gè)孔洞，分別為圓形孔洞和矩形孔洞，圓形孔洞內(nèi)用于吊放圓柱體試塊，而矩形孔洞內(nèi)則用于吊放長(zhǎng)方體試塊。為便于將試塊吊放入預(yù)留孔洞內(nèi)，使預(yù)留孔的周邊邊界與試塊側(cè)面之間保持2mm的間隙，此間隙也用于模擬隧道襯砌拱部的裂縫。模型隧道和圓柱體與長(zhǎng)方體試塊均采用現(xiàn)澆成型。待試塊和模型隧道澆筑完畢且混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后即可進(jìn)行模型試驗(yàn)。試驗(yàn)前將32t門(mén)式起重機(jī)的鋼絲繩與試塊上預(yù)埋的φ32mm吊環(huán)相連，并通過(guò)吊車(chē)將圓柱體試塊和長(zhǎng)方體試塊分別吊放入模型隧道拱部預(yù)留的孔洞內(nèi)，經(jīng)檢查對(duì)位無(wú)誤后用吊車(chē)的鋼絲繩懸吊試塊并保持其穩(wěn)定。之后在隧道洞內(nèi)向隧道拱部的混凝土壁面連同試塊的底面均勻噴涂厚度為5mm的聚脲。

根據(jù)聚脲在工業(yè)與民用建筑、港口、軍工等領(lǐng)域作為防水、防腐和耐磨使用的涂料，其噴涂的厚度一般為1.0～5.0mm。鑒于本模型試驗(yàn)中聚脲用于加固和支撐隧道襯砌拱部的掉塊，故在模型隧道內(nèi)噴涂的厚度取為5.0mm。在隧道內(nèi)噴涂聚脲時(shí)，其范圍分別按照隧道拱部圓柱體和長(zhǎng)方體試塊的周邊各自向外再延伸2.0m，以增加聚脲噴膜與隧道襯砌壁面混凝土之間的附著力。噴涂聚脲的目的就是用聚脲噴膜來(lái)加固和支撐圓柱體和長(zhǎng)方體試塊，防止試塊的掉落。在模型隧道洞內(nèi)拱部的圓柱體和長(zhǎng)方體試塊底面以及隧道洞內(nèi)襯砌混凝土壁面上噴涂聚脲的范圍如圖7所示。

圖7 隧道內(nèi)拱頂區(qū)域聚脲噴涂范圍(單位:m)Fig.7 Zone for spraying polyurea on the crown of tunnel lining (unit:m)

考慮到隧道襯砌拱頂混凝土因病害而發(fā)生的掉塊主要是由襯砌混凝土中的裂縫所致。因此，在模型試驗(yàn)中為便于對(duì)比，對(duì)模型隧道中放置圓柱體試塊的孔洞周邊即試塊與襯砌之間的接縫內(nèi)注入聚脲材料，而對(duì)于放置長(zhǎng)方體試塊的孔洞周邊即試塊與襯砌之間的接縫內(nèi)未注入聚脲材料，以分析襯砌拱部接縫內(nèi)有無(wú)聚脲對(duì)試驗(yàn)中聚脲承載能力的影響。因此，對(duì)于模型隧道中采用長(zhǎng)方體試塊來(lái)模擬其拱部掉塊時(shí)，僅在模型隧道洞內(nèi)拱頂部和試塊底部噴涂聚脲而形成噴膜，由其支撐隧道拱部的長(zhǎng)方體試塊。而對(duì)于模型隧道中采用圓柱體試塊來(lái)模擬拱部掉塊時(shí)，在圓柱體試塊與襯砌接縫內(nèi)和隧道洞內(nèi)的拱部包括試塊底部均噴涂聚脲，圓柱體試塊則由接縫內(nèi)和隧道洞內(nèi)拱頂部以及試塊底部的聚脲噴膜來(lái)提供支撐。

1.2 試驗(yàn)工況

結(jié)合高速鐵路隧道襯砌拱部病害的特點(diǎn)，在模型隧道中噴涂的聚脲應(yīng)承受拱部掉落試塊的重力和高鐵隧道空氣動(dòng)力效應(yīng)的共同作用。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(2014年版)中的條文說(shuō)明，高速鐵路隧道內(nèi)雙線列車(chē)以350km/h的速度會(huì)車(chē)時(shí)引起的洞內(nèi)空氣負(fù)壓峰值按8.9kPa考慮。在模型試驗(yàn)中此空氣負(fù)壓峰值采用在模型隧道混凝土試塊的頂段堆放裝有15kg細(xì)砂的砂袋重力來(lái)等效模擬。

在模型隧道洞內(nèi)拱頂部位噴涂完聚脲且待其固化后即可開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試。為分析聚脲在試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力，對(duì)聚脲噴膜的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試，并通過(guò)應(yīng)變來(lái)計(jì)算聚脲噴膜所承受的應(yīng)力，進(jìn)而分析聚脲噴膜的承載能力。聚脲噴膜的應(yīng)變由粘貼在其上的電阻應(yīng)變片加以測(cè)定。為此在聚脲噴膜上設(shè)置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)靠近試塊和模型隧道襯砌之間的接縫，并在測(cè)點(diǎn)處粘貼電阻應(yīng)變片。在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處分別沿隧道軸線方向和垂直于隧道軸線方向上各粘貼1個(gè)應(yīng)變片，使2個(gè)應(yīng)變片相互垂直并呈“T”形。模型隧道中聚脲噴膜上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置和電阻應(yīng)變片的粘貼方式如圖8所示。試塊頂部采用砂袋施加荷載的方式如圖8a所示，圖8b和圖8c則分別為圓柱體和長(zhǎng)方體試塊底部聚脲噴膜上的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖8 聚脲噴膜上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的布置方式Fig.8 Layout of strain test point on polyurea shot membrane

模型試驗(yàn)中聚脲噴膜在試塊和砂袋重力共同作用下的應(yīng)變采用BMB120-10AA-X15型電阻應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)試，而應(yīng)變值則采用DH3818Y型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行采集。根據(jù)試驗(yàn)中模擬隧道襯砌拱部掉塊的試塊形狀和測(cè)試內(nèi)容，確定了2種試驗(yàn)工況，具體如表2所示。

表2 模型試驗(yàn)中的工況Table 2 Cases employed in model test

根據(jù)上述試驗(yàn)方案制作的足尺模型隧道如圖9所示。模型隧道內(nèi)試塊底部和隧道拱頂部位噴涂的聚脲如圖10所示，試驗(yàn)中在試塊頂端堆放砂袋以模擬高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的狀況如圖11所示。

圖9 試驗(yàn)場(chǎng)地和模型隧道Fig.9 Test site and tunnel model

圖10 隧道拱部噴涂的聚脲Fig.10 Polyurea membrane sprayed on tunnel crown

圖11 試塊頂部堆放的砂袋Fig.11 Bags of sand heaped on crown of tunnel block

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)工況，通過(guò)對(duì)聚脲噴膜在模型隧道拱部混凝土試塊和砂袋重力共同作用下的應(yīng)變進(jìn)行了測(cè)試，分別得到了2種工況下聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值。

2.1 工況1的測(cè)試結(jié)果

對(duì)于用聚脲噴膜加固和支撐隧道襯砌拱部圓柱體試塊的工況1而言，用于模擬隧道襯砌拱部掉塊的鋼筋混凝土圓柱體試塊重力為38.48kN，而高速鐵路隧道內(nèi)列車(chē)運(yùn)行引起的空氣負(fù)壓峰值以8.9kPa計(jì)，由此可計(jì)算得到施加在圓柱體試塊上的總荷載值應(yīng)不大于57kN。試驗(yàn)中，首先解開(kāi)32t門(mén)式起重機(jī)上用于懸吊圓柱體試塊的鋼絲繩，使試塊的重力全部作用于聚脲噴膜上，然后逐步在試塊的頂端堆積砂袋。當(dāng)施加的荷載值超過(guò)57kN后，用于支撐和加固試塊的聚脲噴膜材料并未出現(xiàn)明顯的變形和下沉，各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值均為負(fù)值，且數(shù)值也較小，表明聚脲噴膜處于受壓狀態(tài)。為分析聚脲噴膜的極限承載力，繼續(xù)在試塊頂端堆放砂袋，直至其重力達(dá)到45.89kN，此時(shí)聚脲噴膜所承受的荷載值達(dá)到了84.28kN，且此荷載值已超過(guò)57kN，但聚脲噴膜仍未發(fā)生破壞。保持此荷載值不變并持續(xù)施加80min，經(jīng)觀察隧道內(nèi)拱部聚脲噴膜并未發(fā)生開(kāi)裂，試塊也未發(fā)生下沉，因各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值已趨于穩(wěn)定，即終止測(cè)試。試驗(yàn)中隧道拱部噴涂的聚脲和應(yīng)變測(cè)試狀況如圖12所示。

圖12 隧道拱部噴涂的聚脲及其應(yīng)變測(cè)點(diǎn)Fig.12 Polyurea sprayed on tunnel crown and strain test points

在工況1中，施加在圓柱體試塊上的最終荷載值為84.28kN。通過(guò)上述的加載試驗(yàn)，測(cè)試得到了工況1中聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變值。從工況1中測(cè)定的聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變值分析，圖8b中聚脲噴膜上測(cè)點(diǎn)D 和測(cè)點(diǎn)G 處的應(yīng)變值最大，且聚脲噴膜沿隧道環(huán)向和軸線方向上均處于受壓狀態(tài)。以測(cè)點(diǎn)D和G處的壓應(yīng)變?yōu)槔瑴y(cè)點(diǎn)D處聚脲噴膜沿隧道縱向的壓應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化關(guān)系如圖13所示，而測(cè)點(diǎn)G處橫向壓應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化關(guān)系如圖14所示。

圖13 測(cè)點(diǎn)D處聚脲噴膜應(yīng)變與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.13 Relationship between polyurea strain and time at test point D

圖14 測(cè)點(diǎn)G處聚脲噴膜應(yīng)變與時(shí)間的變化關(guān)系Fig.14 Relationship between polyurea strain and time at test point G

從圖13和圖14可以看出，測(cè)點(diǎn)D和測(cè)點(diǎn)G處厚度為5.0mm的聚脲噴膜在工況1中承受圓柱體試塊和砂袋重力合計(jì)84.28kN的共同作用下，其所產(chǎn)生的最大壓應(yīng)變?yōu)棣與=-42.65με。在加載期間聚脲噴膜均處于線彈性變形階段，并未發(fā)生塑性屈服和脆性壓破現(xiàn)象。聚脲噴膜固化后的拉壓彈性模量約為E=8MPa。根據(jù)聚脲噴膜固化后處于彈性階段的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系，可得聚脲噴膜中心部位所受到的壓應(yīng)力σc為：

σc=Eεc

(1)

式中：E為聚脲噴膜的拉壓彈性模量(MPa)；εc為聚脲噴膜產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)變值(με)。

由式(1)可得厚度為5mm的聚脲噴膜在試塊和砂袋重力合計(jì)84.28kN的作用下，其周邊測(cè)點(diǎn)D處的最大壓應(yīng)變?chǔ)與=-42.65με所對(duì)應(yīng)的最大壓應(yīng)力為σc=0.341kPa。由于聚脲噴膜固化后的抗壓強(qiáng)度為16.0MPa。由此可見(jiàn)工況1中聚脲噴膜固化后所承受的最大壓應(yīng)力σc=0.341kPa，其值遠(yuǎn)小于聚脲材料固化后的抗壓強(qiáng)度8.0MPa。

通過(guò)對(duì)模型試驗(yàn)加載期間聚脲噴膜的應(yīng)變測(cè)試，工況1中聚脲噴膜在圓柱體試塊自重和砂袋重力的共同作用下各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 工況1中聚脲噴膜的應(yīng)變和應(yīng)力測(cè)試值Table 3 Obtained strains and stresses in polyurea shotmembrane in Case 1

表3中的負(fù)應(yīng)變值表示測(cè)點(diǎn)處的聚脲受壓。從表3中聚脲噴膜的應(yīng)力值分析，厚度為5mm的聚脲噴膜受試塊重力和模擬的高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的共同作用下，其沿隧道環(huán)向和軸向均受壓，即聚脲噴膜處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，測(cè)點(diǎn)處的最大壓應(yīng)力均小于聚脲噴膜的抗壓強(qiáng)度。從而得出工況1中厚度為5mm的聚脲噴膜可以加固和支撐φ2.0m×0.5m圓柱體試塊重力和模擬空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的共同作用，加載試驗(yàn)中其所受到的壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，且試驗(yàn)加載期間聚脲噴膜未發(fā)生壓縮屈服和脆性破壞。

2.2 工況2測(cè)試結(jié)果

對(duì)于工況2而言，為便于與工況1中的圓柱體試件進(jìn)行對(duì)比，仍采用厚度為5.0mm的聚脲噴膜來(lái)支撐模型隧道中拱部吊放的長(zhǎng)方體試塊。長(zhǎng)方體試塊的重力為73.98kN，考慮高速鐵路隧道內(nèi)列車(chē)行駛所引起的空氣負(fù)壓峰值8.9kPa，則長(zhǎng)方體試塊所承受的荷載應(yīng)不大于127.38kN。工況2中試塊頂部的加載方式與工況1中的加載方式相同，即通過(guò)在長(zhǎng)方體試塊頂部堆放砂袋，并測(cè)試在堆放砂袋過(guò)程中用于支撐長(zhǎng)方體試塊的聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

通過(guò)工況2加載試驗(yàn)中對(duì)聚脲噴膜應(yīng)變的測(cè)試，聚脲噴膜在受試塊和砂袋重力共同作用的初期約6min，其承受拉應(yīng)變和壓應(yīng)變，且應(yīng)變數(shù)值較小。隨著在長(zhǎng)方體試塊頂部堆放砂袋重力的不斷增加，聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)處的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變均發(fā)生較大變化，并由壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。當(dāng)長(zhǎng)方體試塊頂部堆放砂袋的重力達(dá)到63.22kN時(shí)，模型隧道中的長(zhǎng)方體試塊發(fā)生了整體下沉，并將隧道內(nèi)支撐長(zhǎng)方體試塊的聚脲噴膜從模型隧道襯砌混凝土的壁面上局部剝離，此時(shí)噴膜聚脲所承受的荷載為137.38kN，工況2中模型隧道拱部長(zhǎng)方體試塊在加載初期未下沉和下沉后且將聚脲噴膜剝離的狀況如圖15所示。

圖15 隧道拱部支撐長(zhǎng)方體試塊的聚脲噴膜Fig.15 Sprayed polyurea membrane employed to support the cuboidal block on tunnel crown

為測(cè)試聚脲從模型隧道襯砌周邊被剝離后的應(yīng)變和承載能力，在長(zhǎng)方體試塊下沉后，仍保持試塊上部砂袋的重力不變，且持續(xù)測(cè)試60min后卸載。通過(guò)對(duì)聚脲噴膜上各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的測(cè)定，測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變呈現(xiàn)正、負(fù)值，表明聚脲各部位的應(yīng)力狀態(tài)不同，處于受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力狀態(tài)，但拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力。聚脲噴膜中的最大拉應(yīng)變發(fā)生在長(zhǎng)方體試塊臨近下沉的時(shí)刻。根據(jù)圖8c中所示各測(cè)點(diǎn)處聚脲噴膜的應(yīng)變值分析，測(cè)點(diǎn)D、測(cè)點(diǎn)J處的應(yīng)變值較大，且測(cè)點(diǎn)處聚脲噴膜均處于拉應(yīng)力狀態(tài)。以測(cè)點(diǎn)D和測(cè)點(diǎn)J處的拉應(yīng)變?yōu)槔?，測(cè)點(diǎn)D處橫向拉應(yīng)變隨加載時(shí)間的變化關(guān)系如圖16所示。而測(cè)點(diǎn)J處聚脲噴膜的縱向拉應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖17所示。

圖16 測(cè)點(diǎn)D處噴膜應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.16 Relationship between polyurea strain and time at test point D

圖17 測(cè)點(diǎn)J處噴膜應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線Fig.17 Relationship between polyurea strain and time at test point J

從圖16和圖17可以看出，聚脲噴膜材料中的拉應(yīng)變最大值均出現(xiàn)在長(zhǎng)方體試塊下沉后，而試塊下沉后由于荷載未再增加，因而其應(yīng)變值也隨時(shí)間的延長(zhǎng)未再發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)定，在工況2中長(zhǎng)方體試塊從受其自重和砂袋重力合計(jì)約137.38kN荷載的共同作用直至下沉的過(guò)程中，聚脲噴膜中的最大拉應(yīng)變?yōu)棣舤=63 334.11με。在模型隧道拱部長(zhǎng)方體試塊和砂袋重力合計(jì)137.38kN的共同作用下持續(xù)測(cè)試了35min后卸載。測(cè)試期間聚脲噴膜在試塊下沉后均處于線彈性變形階段，聚脲噴膜并未發(fā)生脆性拉裂和破壞現(xiàn)象。聚脲噴膜固化后的拉壓彈性模量E=8.0MPa。根據(jù)聚脲噴膜固化后彈性階段的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系可得聚脲噴膜所受到的拉應(yīng)力σt為：

σt=Eεt

(2)

式中：E為聚脲噴膜的拉壓彈性模量(MPa)；εt為聚脲噴膜產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)變值(με)。

根據(jù)式(2)即可計(jì)算得到厚度為5.0mm的聚脲噴膜在最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=63 334.11με時(shí)所對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力為σt=506.67kPa。而聚脲噴膜材料的抗拉強(qiáng)度為13.0MPa。由此可見(jiàn)在工況2中厚度為5.0mm的聚脲噴膜所承受的最大拉應(yīng)力σt=506.67kPa，其值小于聚脲噴膜的抗拉強(qiáng)度13.0MPa。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，工況2中聚脲噴膜各測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)變和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表4所示。表4中的正應(yīng)變值表示該點(diǎn)受拉，負(fù)應(yīng)變值表示受壓，與表2中應(yīng)變的符號(hào)含義相同。

表4 工況2中聚脲噴膜的應(yīng)變和應(yīng)力值Table 4 Obtained strains and stresses in polyurea membrane in case 2

從表4中聚脲噴膜的應(yīng)力值分析，在受長(zhǎng)方體試塊自重和模擬的高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的共同作用下，聚脲噴膜在長(zhǎng)方體試塊下沉前、后均承受壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，且壓應(yīng)力小于拉應(yīng)力。因而試塊下沉后聚脲噴膜基本處于拉應(yīng)力狀態(tài)，但測(cè)試得到的最大拉應(yīng)力均小于聚脲噴膜的拉伸強(qiáng)度，由此表明工況2中聚脲噴膜仍具有較高的抗拉強(qiáng)度。

由于工況2中長(zhǎng)方體試塊在加載過(guò)程中發(fā)生了下沉，并將其周邊一定范圍內(nèi)的聚脲噴膜從混凝土壁面上剝離，也即此范圍內(nèi)聚脲噴膜所承受的拉拔力超過(guò)了其與隧道襯砌混凝土壁面之間的附著力，進(jìn)而導(dǎo)致聚脲噴膜從混凝土的表面被剝離。盡管長(zhǎng)方體試塊在加載過(guò)程中出現(xiàn)了下沉，但試塊在下沉期間聚脲噴膜內(nèi)的拉應(yīng)力并未超過(guò)其拉伸強(qiáng)度，且聚脲噴膜也未出現(xiàn)拉裂破壞現(xiàn)象，由此表明工況2中支撐長(zhǎng)方體試塊的厚度為5.0mm的聚脲噴膜所承受的拉應(yīng)力較小。對(duì)于工況2而言，加載測(cè)試期間模型隧道襯砌拱部長(zhǎng)方體試塊在其自重和模擬的氣動(dòng)效應(yīng)共同作用下發(fā)生了下沉，從而在試塊與隧道襯砌之間產(chǎn)生了錯(cuò)臺(tái)。經(jīng)測(cè)試混凝土試塊所發(fā)生的最大沉降為29cm，試塊與周邊隧道襯砌之間的最大錯(cuò)臺(tái)量為28cm。工況2中長(zhǎng)方體試塊在加載期間發(fā)生的下沉和聚脲噴膜被剝離的狀況如圖18所示，長(zhǎng)方體試塊下沉后被聚脲噴膜拖曳并保持穩(wěn)定，試塊并未掉落至地面。工況2中長(zhǎng)方體試塊的下沉量和錯(cuò)臺(tái)狀況如圖19所示。

圖18 隧道拱部長(zhǎng)方體試塊下沉后的狀況Fig.18 Subsidence of cuboidal block of tunnel crown

圖19 長(zhǎng)方體試塊與襯砌之間的錯(cuò)臺(tái)Fig.19 Bulge between cuboidal block and tunnel lining

此外，經(jīng)過(guò)對(duì)工況2中長(zhǎng)方體試塊周邊聚脲噴膜與隧道襯砌混凝土之間剝離范圍的測(cè)試，試塊周邊聚脲噴膜被試塊下沉而剝離的范圍如圖20所示。

圖20 隧道拱部試塊周邊聚脲噴膜被剝離的范圍Fig.20 Peeled zone of polyurea membrane around the test block of tunnel crown

工況2試驗(yàn)中長(zhǎng)方體試塊周邊的聚脲噴膜被剝離的橫剖面如圖20a所示。從圖20a可知，聚脲噴膜在試塊周邊隨試塊下沉而被剝離的斜面長(zhǎng)度在水平面上投影寬度約0.65～0.67m。由此表明，試塊下沉后于其周邊距離約0.67m范圍以內(nèi)的聚脲噴膜被剝離，而此范圍之外的聚脲噴膜并未被剝離。與長(zhǎng)方體試塊一起下沉而被剝離的聚脲噴膜在水平面上的投影呈3.42m×4.31m的矩形，具體如圖20b所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試和計(jì)算，聚脲噴膜從混凝土襯砌上被下沉試塊剝離的面積約8.6m2。

在工況2中，隧道內(nèi)拱部聚脲噴涂的范圍從長(zhǎng)方體試塊底部的周邊各自外延2.0m，如圖7所示。在長(zhǎng)方體試塊未下沉前，隧道拱部聚脲噴膜承載的面積為39.6m2，此時(shí)試塊和砂袋的重力合計(jì)為137.38kN。由于試塊周邊與襯砌接縫之間未注入聚脲材料，因而此荷載均由隧道拱部的聚脲噴膜承擔(dān)，由此可得聚脲噴膜的拉拔力為3.47kPa，該值小于厚度為5.0mm聚脲噴膜與混凝土之間的附著力4.5MPa。當(dāng)長(zhǎng)方體試塊下沉后，距離其周邊0.67m范圍內(nèi)的聚脲噴膜被剝離，則隧道襯砌上剩余未被剝離的聚脲噴膜面積為31.6m2，從而可得到隧道襯砌上未被剝離的聚脲噴膜在承受137.38kN荷載時(shí)的拉拔力為4.35kPa，該值仍小于聚脲噴膜與混凝土之間的附著力4.5MPa。由此可得未被剝離的聚脲噴膜與C35混凝土之間具有較高的抗拔力。

此外，與工況1中圓柱體試塊相比，工況2中用聚脲噴膜來(lái)支撐模型隧道中拱部的長(zhǎng)方體試塊，盡管聚脲噴膜在試塊頂部所施加的荷載達(dá)到137.38kN時(shí)發(fā)生了剝離，但聚脲噴膜并未被拉裂也未發(fā)生破壞，且長(zhǎng)方體試塊受到聚脲的拖曳未掉落至地面，可見(jiàn)聚脲噴膜起到了拖曳試塊的作用。

因而，從工況1和工況2的試驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)于高速鐵路隧道而言，采用聚脲噴膜來(lái)加固和支撐隧道拱部襯砌時(shí)，聚脲噴膜固化后可以起到支撐和拖曳因病害而坍塌或掉落的隧道混凝土襯砌，防止其砸中高速行駛中的列車(chē)，可為鐵路運(yùn)營(yíng)單位采取措施提供警示和預(yù)報(bào)作用，避免影響鐵路運(yùn)輸安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

本文就聚脲用于支撐和加固鐵路隧道襯砌拱部掉塊時(shí)的承載特性進(jìn)行模型試驗(yàn)，測(cè)試得到了以鋼筋混凝土圓柱體和長(zhǎng)方體試塊來(lái)模擬鐵路隧道襯砌拱部掉塊時(shí)聚脲噴膜的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)，分析得到了其承載能力，可為鐵路隧道襯砌拱部病害的治理提供指導(dǎo)和參考。通過(guò)模型試驗(yàn)中對(duì)2種典型工況下聚脲噴膜應(yīng)變的測(cè)試和分析得到如下結(jié)論。

1)在模型試驗(yàn)中，采用厚度為5.0mm的聚脲噴膜來(lái)加固和支撐模型隧道中用于模擬隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長(zhǎng)方體試塊時(shí)，聚脲噴膜固化后所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均均小于其拉、壓強(qiáng)度，聚脲噴膜具有較高的拉、壓承載能力。

2)在工況1中，對(duì)模型隧道襯砌拱部圓柱體試塊側(cè)面與隧道襯砌接縫處以及試塊底部和隧道洞內(nèi)拱頂部位噴涂聚脲，當(dāng)試塊上部施加的荷載超過(guò)允許荷載后試塊并未發(fā)生下沉，且聚脲噴膜也未發(fā)生拉、壓破壞，表明用聚脲對(duì)隧道拱頂部位的裂縫進(jìn)行加固和對(duì)掉塊進(jìn)行支撐是可行的。

3)在工況2中，僅對(duì)模型隧道襯砌拱部長(zhǎng)方體試塊底部和隧道洞內(nèi)拱頂部位噴涂聚脲后，當(dāng)試塊頂端所施加的荷載超過(guò)允許荷載后試塊發(fā)生了下沉，試塊周邊的聚脲噴膜被下沉的試塊受拉而從襯砌壁面發(fā)生局部剝離，但用于支撐試塊的聚脲噴膜并未發(fā)生拉裂破壞，且下沉的試塊被聚脲噴膜拖曳而未掉落至地面。因而聚脲噴膜具有較強(qiáng)的抗拉能力來(lái)拖曳隧道拱部已脫落的掉塊，可有效防止掉塊砸中運(yùn)行中的列車(chē)，能夠?yàn)殍F路運(yùn)營(yíng)單位采取措施提供警示和預(yù)報(bào)。

4)就本次模型試驗(yàn)中隧道襯砌拱部噴涂的聚脲噴膜的承載能力而言，聚脲噴膜具有良好的抗拉壓性能，與混凝土有較高的粘接能力，可用于高速鐵路隧道襯砌拱部病害的治理與應(yīng)急搶險(xiǎn)。