高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊防治中浸鋅鋼板承載力模型試驗(yàn)研究*

周曉軍,王聚山,楊昌宇,郭繼軍,王 闖,呂陽樹

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 成都 610031; 2.中國鐵路成都局集團(tuán)有限公司重慶建設(shè)指揮部,重慶 400023; 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)

0 引言

隧道作為高速鐵路和高速公路線路中克服山嶺高程或水域障礙中的重要結(jié)構(gòu)物,在長期服役期間應(yīng)具有良好的安全性和耐久性,以保障隧道內(nèi)通行車輛和行人安全。由于受隧道所穿越地層的復(fù)雜工程地質(zhì)、隧道施工管理和技術(shù)水平及工程造價(jià)等因素的影響,交通線路中的隧道工程在投入運(yùn)營后通常會(huì)發(fā)生諸如襯砌開裂、滲漏水、腐蝕和掉塊等病害現(xiàn)象。對(duì)于我國高速鐵路和高速公路線路中山嶺隧道,目前仍采用傳統(tǒng)礦山法進(jìn)行施工,且隧道襯砌以復(fù)合式襯砌為主。復(fù)合式襯砌由初期支護(hù)、防水層和二次襯砌組成,而二次襯砌通常采用立模現(xiàn)澆方式成型。由于受隧道拱形結(jié)構(gòu)和現(xiàn)澆混凝土施工工藝等因素的制約,立?，F(xiàn)澆的二次襯砌通常存在有拱頂混凝土厚度和強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求及拱部混凝土與圍巖脫空等質(zhì)量缺陷。這些質(zhì)量缺陷的存在會(huì)使隧道襯砌拱頂部位混凝土易發(fā)生開裂和掉塊等病害[1-2]。國內(nèi)外高速鐵路和高速公路隧道內(nèi)均發(fā)生過因襯砌拱部混凝土掉塊而砸中行駛中車輛的事故。我國已投入運(yùn)營的達(dá)成鐵路、貴廣鐵路、滬昆客運(yùn)專線、武廣高速鐵路等線路中也曾發(fā)生過因隧道襯砌開裂或拱部掉塊等隱患而導(dǎo)致列車停運(yùn)和限速行駛的事故。高速鐵路隧道內(nèi)拱部混凝土襯砌掉落的典型狀況如圖1所示。

圖1 鐵路隧道襯砌拱部混凝土掉落

此外,我國公路隧道在運(yùn)營期同樣也發(fā)生過拱頂混凝土掉落而砸中行駛中機(jī)動(dòng)車的事故。2020年6月10日在四川省某公路隧道內(nèi)曾發(fā)生拱部混凝土襯砌脫落而砸中處于行駛中的車輛,造成如圖2所示車輛受損和人員受傷事故。國外運(yùn)營的鐵路隧道內(nèi)也曾發(fā)生過隧道混凝土襯砌掉落和坍塌事故。

圖2 公路隧道襯砌拱部混凝土脫落

以日本高速鐵路為例,1999年10月9日日本山陽新干線的北九州隧道曾發(fā)生了一起隧道拱部混凝土襯砌脫落而導(dǎo)致列車停運(yùn)10h事故。同年11月28日,日本北海道禮文濱高速鐵路隧道內(nèi)又發(fā)生貨物列車因與隧道拱部掉落的混凝土襯砌發(fā)生碰撞而導(dǎo)致列車脫軌的事故。因此,防止鐵路隧道內(nèi)拱部混凝土發(fā)生掉塊或脫落,保障列車安全運(yùn)行是鐵路隧道設(shè)計(jì)和運(yùn)營期間需研究與解決的重要課題之一。本文針對(duì)高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土掉塊威脅鐵路安全運(yùn)輸?shù)墓こ虒?shí)際,建立模型隧道開展隧道襯砌拱部掉塊的足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)中用化學(xué)錨栓將選定厚度浸鋅鋼板錨固至模型隧道拱頂內(nèi)側(cè),以支撐模型隧道拱部模擬掉塊混凝土試塊。同時(shí),在試塊頂部堆放砂袋,借以模擬高速列車駛?cè)胨淼浪鸬目諝鈩?dòng)力學(xué)效應(yīng),使模型隧道中支撐混凝土試塊的浸鋅鋼板和化學(xué)錨栓均承受試塊和砂袋自重荷載,并同時(shí)測(cè)試浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道襯砌受荷載作用下的應(yīng)變,進(jìn)而分析浸鋅鋼板和化學(xué)錨栓及隧道襯砌在相應(yīng)荷載作用下的承載力和安全性,為浸鋅鋼板用于高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊的防治提供指導(dǎo)。

1 模型隧道設(shè)計(jì)與試驗(yàn)工況

針對(duì)高速鐵路隧道襯砌拱部因施工質(zhì)量缺陷而引發(fā)的掉塊病害,目前國內(nèi)外通常采取諸如在已有病害隧道襯砌內(nèi)側(cè)再設(shè)置套襯、拆除有病害隧道襯砌后重建襯砌、局部加固或補(bǔ)強(qiáng)已發(fā)生病害的隧道襯砌等治理措施[3-5]。對(duì)于高速鐵路隧道而言,由于受線路中列車運(yùn)營時(shí)間的限制,上述常規(guī)病害治理的措施只能在列車停運(yùn)的天窗時(shí)間內(nèi)實(shí)施,因而病害治理實(shí)施的效率低且周期長,致使采用常規(guī)方法來治理隧道襯砌病害的難度大、成本高,且施工質(zhì)量難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求,甚至還有可能給隧道安全帶來新隱患。因此,尋求一種既能防治高速鐵路隧道襯砌拱部病害又便于實(shí)施且工藝簡單的治理措施,對(duì)于保障高速鐵路隧道襯砌和列車的安全運(yùn)行無疑具有現(xiàn)實(shí)意義。

采用化學(xué)錨栓將浸鋅鋼板錨固在隧道拱頂內(nèi)側(cè)或在隧道拱頂噴涂聚脲材料來防治拱部掉塊具有工藝相對(duì)簡便和易于施作的特點(diǎn)。因此,采用足尺模型試驗(yàn)方法對(duì)浸鋅鋼板和聚脲噴膜承載力與設(shè)置方法開展試驗(yàn)。本文著重對(duì)浸鋅鋼板在隧道內(nèi)拱部掉塊防治中的承載力開展測(cè)試與分析。

根據(jù)高速鐵路單洞雙線隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面設(shè)計(jì)特點(diǎn),模型隧道采用350km/h速度客運(yùn)專線單洞雙線隧道的內(nèi)凈空?？紤]到本模型試驗(yàn)中僅測(cè)試和分析浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道襯砌受其拱部掉塊和高速鐵路隧道內(nèi)列車氣動(dòng)效應(yīng)共同作用下的承載特征,為便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施,將模型隧道內(nèi)凈高和內(nèi)凈寬分別設(shè)計(jì)為3.0,8.4m,模型隧道襯砌厚度為0.5m,整個(gè)模型隧道沿其軸線方向總長度為20m。足尺模型試驗(yàn)中所采用的隧道襯砌橫截面設(shè)計(jì)參數(shù)和拱部掉塊加載模式如圖3所示,模型隧道襯砌拱部浸鋅鋼板和混凝土試塊平面布置如圖4所示。

圖3 模型隧道襯砌橫斷面(單位:m)

圖4 模型隧道浸鋅鋼板和試塊平面布置 (單位:m)

模型隧道在試驗(yàn)場(chǎng)地立模澆筑,澆筑模型隧道時(shí)根據(jù)圖3,4所示設(shè)計(jì)方案在模型隧道拱頂部位預(yù)留水平橫截面為長方形和圓柱形孔洞,便于在試驗(yàn)中將預(yù)制混凝土試塊吊放入相應(yīng)空洞內(nèi),進(jìn)而模擬高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊,經(jīng)立模澆筑成型的模型隧道襯砌如圖5所示。

圖5 模型隧道拱部預(yù)留孔洞

高速鐵路隧道內(nèi)拱部混凝土襯砌發(fā)生掉塊的類型較多,且引發(fā)原因也較復(fù)雜。以貴陽—廣州高速鐵路為例,其在運(yùn)營期間曾發(fā)生過隧道襯砌施工縫處拱頂混凝土以月牙形掉落而中斷行車的事故,隧道拱頂混凝土脫落后狀況如圖1所示。對(duì)貴陽—廣州高速鐵路線路中243座隧道襯砌病害調(diào)查和統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,全線隧道襯砌拱頂存在月牙形裂縫病害多達(dá)69處,隧道拱頂月牙形裂縫展布和影響面積為3.0～5.0m2。隧道拱頂施工縫處發(fā)育的典型月牙形裂縫如圖6所示。

圖6 隧道襯砌拱頂施工縫處月牙形裂縫

模型隧道中拱部混凝土長方體掉塊均設(shè)置在施工縫處,如圖4所示。基于貴陽—廣州高速鐵路全線隧道襯砌拱頂病害尤其是拱頂月牙形裂縫和掉塊統(tǒng)計(jì)資料,在足尺模型試驗(yàn)中,隧道襯砌拱部混凝土掉塊以預(yù)制鋼筋混凝土長方體試塊加以模擬。共預(yù)制2種不同尺寸混凝土試塊,尺寸分別為3.0m×1.0m×0.5m,2.0m×1.0m×0.5m,以尺寸3.0m×1.0m×0.5m試塊為例,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 長方體試塊結(jié)構(gòu)(單位: m)

在模型試驗(yàn)中用于模擬隧道拱部掉塊的長方體混凝土試塊采用經(jīng)過熱浸鍍鋅防腐處理的Q345B型浸鋅鋼板加以支撐。其表面鍍鋅層厚為50μm,鋅層附著量為350g/m2。模型試驗(yàn)中分別選取厚度為6,10,20mm 3種熱浸鍍鋅鋼板。結(jié)合鐵路隧道襯砌拱部月牙形裂縫展布形態(tài)和掉塊幾何形狀,在模型隧道中將拱頂支撐混凝土試塊的浸鋅鋼板按整塊和分塊方式加以錨固,錨固方式如圖4所示。當(dāng)模型隧道施工縫處拱頂內(nèi)壁浸鋅鋼板安裝完畢后,使浸鋅鋼板承受其上部混凝土試塊重力,并逐步在試塊上部堆放砂袋,使整塊和分塊布置的浸鋅鋼板及錨固浸鋅鋼板用的化學(xué)錨栓和隧道襯砌同時(shí)承受荷載,由此分析浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道襯砌應(yīng)力狀態(tài)。在模型試驗(yàn)中,根據(jù)浸鋅鋼板厚度及其整塊與分塊錨固方式組合先后設(shè)置5種試驗(yàn)工況,如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)測(cè)試工況

根據(jù)表1中所列試驗(yàn)工況,分別對(duì)相應(yīng)工況中支撐模型隧道襯砌拱部混凝土試塊浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道襯砌應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。三者應(yīng)變通過粘貼在各自測(cè)點(diǎn)上的電阻應(yīng)變片測(cè)得,由應(yīng)變即可求得浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓及模型隧道襯砌在彈性階段應(yīng)力。在模型試驗(yàn)中,用于測(cè)試浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道襯砌應(yīng)變的傳感器及應(yīng)變采集系統(tǒng)型號(hào)與規(guī)格如表2所示。

表2 測(cè)試采用的傳感器和采集系統(tǒng)

在浸鋅鋼板和隧道襯砌的每個(gè)測(cè)點(diǎn)處粘貼2只應(yīng)變片,使2只應(yīng)變片軸線相互垂直且形成T形。而在化學(xué)錨栓測(cè)點(diǎn)上沿其軸線方向粘貼相對(duì)平行的2只應(yīng)變片。在整塊和分塊布置的浸鋅鋼板朝向洞內(nèi)一側(cè)的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及電阻應(yīng)變片粘貼方式分別如圖8,9所示。

圖8 浸鋅鋼板整塊布置中的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(單位:m)

圖9 浸鋅鋼板分塊布置中的應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(單位:m)

化學(xué)錨栓上測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變片粘貼方式如圖10所示,隧道襯砌上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。

圖10 化學(xué)錨栓應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

圖11 模型隧道襯砌應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

測(cè)試前,連接并調(diào)試好靜態(tài)應(yīng)變儀。之后將浸鋅鋼板用化學(xué)錨栓錨固至預(yù)先確定的模型隧道襯砌拱頂孔洞,并借助起重機(jī)用穿過混凝土試塊吊環(huán)上的鋼絲繩將混凝土試塊吊放至模型隧道拱頂上部預(yù)留孔洞內(nèi),拆去鋼絲繩后即可使浸鋅鋼板承受混凝土試塊自重。

此外,作為防治高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊的浸鋅鋼板,在承受拱部掉塊自重的同時(shí)還應(yīng)承受高速列車駛?cè)胨淼纼?nèi)所引起空氣負(fù)壓作用。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(2014年版)說明,高速鐵路隧道內(nèi)雙線列車以350km/h速度會(huì)車時(shí)引起的洞內(nèi)空氣負(fù)壓峰值按8.9kPa考慮[6]。因此,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頂部堆放裝有15kg/袋細(xì)砂的砂袋等效。以此分別測(cè)試相應(yīng)工況下浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和模型隧道襯砌上各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

按表1所列測(cè)試工況,分別對(duì)模型隧道中浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓及隧道襯砌在各工況下彈性應(yīng)變進(jìn)行測(cè)定。模型試驗(yàn)中隧道拱頂用于支撐混凝土試塊的浸鋅鋼板錨固及其受試塊和砂袋自重作用時(shí)應(yīng)變測(cè)試如圖12所示。

圖12 模型隧道內(nèi)拱頂浸鋅鋼板應(yīng)變測(cè)試

2.1 浸鋅鋼板應(yīng)變和應(yīng)力

為分析浸鋅鋼板在試驗(yàn)中支撐混凝土試塊承載力,分別對(duì)厚度為6,10,20mm鋼板應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。整塊浸鋅鋼板按平面面積3.4m×1.7m,4.4m×1.7m 2種方式利用M24化學(xué)錨栓錨固至模型隧道洞內(nèi)拱頂處,平面布置分別如圖8a,12a所示。而在隧道襯砌拱部分塊布置是將面積為2.4m×1.0m浸鋅鋼板組合安裝成橫向長度為4.2m、縱向?qū)挾葹?.4m的鋼板支撐隧道拱部混凝土試塊,浸鋅鋼板在隧道拱頂分塊組合布置平面分別如圖9b,12b所示。試驗(yàn)中用于模擬高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的砂袋加載模式如圖13所示。

圖13 隧道試塊頂部堆放的砂袋

2.1.16mm厚浸鋅鋼板整塊布置時(shí)應(yīng)變和應(yīng)力

根據(jù)表2中所列工況1,2支撐模型隧道襯砌拱部試塊時(shí),當(dāng)浸鋅鋼板錨固完畢后即向整塊浸鋅鋼板施加用于模擬隧道襯砌拱部掉塊的混凝土試塊,并用電阻應(yīng)變片測(cè)試鋼板各測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變[7]。工況1中僅對(duì)浸鋅鋼板施加質(zhì)量約2.5t混凝土試塊,以分析6mm厚鋼板在混凝土試塊自重作用下的承載力。分析加載試驗(yàn)中測(cè)定應(yīng)變可知,圖8中厚度為6mm且尺寸為3.4m×1.7m整塊浸鋅鋼板,在模型隧道拱部混凝土試塊自重作用下其測(cè)點(diǎn)B1,B2處應(yīng)變最大,鋼板沿隧道環(huán)向受壓而沿隧道軸向受拉。以測(cè)點(diǎn)B1,B2處應(yīng)變?yōu)槔?測(cè)點(diǎn)B1處縱向拉應(yīng)變時(shí)間變化關(guān)系如圖14所示,而測(cè)點(diǎn)B2處橫向壓應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系如圖15所示。

圖14 測(cè)點(diǎn)B1處鋼板縱向拉應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖15 測(cè)點(diǎn)B2處鋼板壓應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖14,15可知,測(cè)點(diǎn)B1,B2處浸鋅鋼板在試塊質(zhì)量約2.5t作用下測(cè)得的最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=207.43με,最大壓應(yīng)變?chǔ)與=-228.64με。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試狀況而言,在模型隧道拱頂自重2.5t混凝土試塊作用下,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)期間浸鋅鋼板處于彈性階段,未發(fā)生塑性屈服和拉裂。浸鋅鋼板材質(zhì)為Q345B,彈性模量E=210GPa。

根據(jù)浸鋅鋼板處于彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài),可得浸鋅鋼板中心部位拉應(yīng)力σt為:

σt=Eεt

(1)

式中:E為浸鋅鋼板拉(壓)彈性模量(MPa);εt為浸鋅鋼板產(chǎn)生的彈性拉應(yīng)變(με)。

由式(1)即可計(jì)算得到6mm厚浸鋅鋼板以3.4m×1.7m整塊錨固且在拱部2.5t混凝土試塊自重作用下,鋼板中心位置處最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=207.43με所對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力σt=43.56MPa。而浸鋅鋼板Q345B拉伸屈服強(qiáng)度為345MPa,抗拉強(qiáng)度為510MPa。因此,在2.5t試塊自重作用下,利用3.4m×1.7m整塊浸鋅鋼板支撐模型隧道襯砌拱部混凝土試塊時(shí),浸鋅鋼板所承受的最大拉應(yīng)力σt=43.56MPa,遠(yuǎn)小于Q345B鋼板拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。因此,6mm厚浸鋅鋼板在以3.4m×1.7m整塊布置的工況1,2下,鋼板抗拉強(qiáng)度大于其所受到的拉應(yīng)力,浸鋅鋼板未發(fā)生拉伸屈服和破壞。

此外,浸鋅鋼板在其中心測(cè)點(diǎn)B2處最大環(huán)向壓應(yīng)變?chǔ)與=-228.64με,則其所受到壓應(yīng)力σc可由式(2)計(jì)算得到:

σc=Eεc

(2)

式中:εc為浸鋅鋼板產(chǎn)生的彈性壓應(yīng)變(με)。

將測(cè)得的浸鋅鋼板中心位置處彈性最大壓應(yīng)變?chǔ)與代入式(2),即可計(jì)算得到6mm厚浸鋅鋼板以3.4m×1.7m整塊布置時(shí)鋼板所承受的環(huán)向最大壓應(yīng)力σc=48.01MPa。該值仍小于Q345B鋼板屈服強(qiáng)度值。

對(duì)于工況2,在鋼筋混凝土試塊自重作用下,測(cè)得浸鋅鋼板在測(cè)點(diǎn)B1處拉應(yīng)變隨加載時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖16所示,浸鋅鋼板在測(cè)點(diǎn)B2處拉應(yīng)變隨加載時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖17所示。

圖16 工況2下測(cè)點(diǎn)B1處拉應(yīng)變與時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖17 工況2下測(cè)點(diǎn)B2處拉應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖16,17可知,浸鋅鋼板中間部位測(cè)點(diǎn)B1,B2處軸向最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=519.94με,由此表明此處鋼板僅處于拉應(yīng)力狀態(tài)。將浸鋅鋼板測(cè)點(diǎn)的最大彈性拉應(yīng)變代入式(1)即可計(jì)算得到6mm厚浸鋅鋼板按4.4m×1.7m整塊方式布置的工況2下,鋼板中間部位產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力σt=109.18MPa。由此也表明工況2下的整塊浸鋅鋼板均處于拉應(yīng)力狀態(tài),未出現(xiàn)壓應(yīng)力。

將該拉應(yīng)力值與Q345B鋼材拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相比,浸鋅鋼板內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力仍小于Q345B鋼材拉伸屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。工況1,2下測(cè)試結(jié)果表明,6mm厚浸鋅鋼板以4.4m×1.7m,3.4m×1.7m整塊方式布置時(shí),其均可承受隧道拱部所模擬的質(zhì)量為2.5t掉塊作用而不發(fā)生拉伸和壓縮的屈服破壞。

2.1.26mm厚浸鋅鋼板分塊布置時(shí)應(yīng)變和應(yīng)力

為測(cè)試6mm厚浸鋅鋼板以4.2m×2.4m分塊組合布置時(shí)的應(yīng)力狀態(tài),將浸鋅鋼板按圖4,9中所示分塊進(jìn)行組合布置,并對(duì)分塊組合布置的浸鋅鋼板進(jìn)行了工況3下的加載試驗(yàn),同時(shí)對(duì)其在混凝土試塊加載條件下的應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)工況3下浸鋅鋼板的加載試驗(yàn),測(cè)得其測(cè)點(diǎn)B,C處拉應(yīng)變和壓應(yīng)變最大,最大彈性壓應(yīng)變?chǔ)與=-253.58με,最大拉應(yīng)變?yōu)棣舤=180.08με。由此表明分塊布置時(shí)中間2塊浸鋅鋼板在3.75t試塊自重作用下處于環(huán)向受壓和軸向受拉應(yīng)力狀態(tài)。

將測(cè)試得到的浸鋅鋼板彈性最大拉應(yīng)變?chǔ)舤代入式(1)可得6mm厚浸鋅鋼板以分塊布置方式支撐隧道襯砌拱部混凝土試塊時(shí)所承受的最大拉應(yīng)力σc=37.82MPa。而將測(cè)試得到的鋼板彈性最大壓應(yīng)變?chǔ)與代入式(2),即可得到6mm厚浸鋅鋼板在分塊布置時(shí)所承受的最大壓應(yīng)力σc=53.13MPa。

由于Q345B鋼材拉伸屈服強(qiáng)度為345MPa,試驗(yàn)工況2下浸鋅鋼板所承受的最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度。由此表明,采用6mm厚Q345B浸鋅鋼板以分塊布置方式支撐隧道拱部襯砌掉塊時(shí),Q345B浸鋅鋼板所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于其拉伸屈服強(qiáng)度,因此浸鋅鋼板具有足夠的安全儲(chǔ)備。

2.1.310mm厚浸鋅鋼板分塊布置時(shí)應(yīng)變和應(yīng)力

工況4為對(duì)10mm厚浸鋅鋼板在分塊布置時(shí)其受試塊重力作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。通過對(duì)工況4下浸鋅鋼板受試塊自重作用的測(cè)試,得到浸鋅鋼板上測(cè)點(diǎn)B,C處應(yīng)變,且測(cè)點(diǎn)B,C處均產(chǎn)生拉應(yīng)變和壓應(yīng)變,最大彈性拉應(yīng)變?chǔ)舤=180.07με,最大彈性壓應(yīng)變?chǔ)與=-253.58με。由此也表明分塊布置時(shí)中間2塊浸鋅鋼板在試塊自重作用下處于受壓和受拉狀態(tài)。將測(cè)試得到的浸鋅鋼板彈性拉應(yīng)變?chǔ)舤代入式(1)可得10mm厚浸鋅鋼板分塊布置時(shí)所承受的最大壓應(yīng)力σt=37.81MPa。同理,將測(cè)試得到的鋼板彈性最大壓應(yīng)變?chǔ)與代入式(2)即可得到10mm厚浸鋅鋼板分塊布置時(shí)所承受的最大壓應(yīng)力σc=53.25MPa。

由于Q345B鋼材拉壓屈服強(qiáng)度為345MPa,浸鋅鋼板所承受的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度。因此,在工況4下,當(dāng)采用10mm厚Q345B浸鋅鋼板以分塊方式支撐隧道襯砌拱部施工縫處混凝土掉塊時(shí),其所承受的拉、壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于其拉伸屈服強(qiáng)度,因此10mm厚浸鋅鋼板仍具有足夠的安全儲(chǔ)備。

2.1.420mm厚浸鋅鋼板分塊布置時(shí)應(yīng)變和應(yīng)力

在對(duì)6,10mm厚浸鋅鋼板整塊和分塊布置的應(yīng)變測(cè)試的基礎(chǔ)上,為便于對(duì)比,還對(duì)20mm厚浸鋅鋼板在模型隧道拱部采用分塊布置方式,即表2中工況5進(jìn)行加載試驗(yàn)。為模擬高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng),試驗(yàn)中首先使浸鋅鋼板承受混凝土試塊自重,然后在混凝土試塊頂部逐步堆放砂袋,以堆放砂袋自重等效高速列車駛?cè)胨淼纼?nèi)所引起的空氣負(fù)壓峰值。在工況5加載過程中,測(cè)定的浸鋅鋼板應(yīng)變均較小,當(dāng)試塊和砂袋質(zhì)量累計(jì)達(dá)5.4t時(shí),鋼板應(yīng)力仍較小。而此時(shí)浸鋅鋼板所承受的荷載已超過高速列車以350km/h速度駛?cè)胨淼纼?nèi)所引起的空氣負(fù)壓峰值8.9kPa和混凝土試塊自重之和,故未再繼續(xù)增加砂袋,并保持施加的砂袋和試塊質(zhì)量不變,持續(xù)測(cè)試30min。如此測(cè)得浸鋅鋼板上測(cè)點(diǎn)B,C處應(yīng)變最大。由測(cè)試得到的應(yīng)變分析可知,由于浸鋅鋼板分塊組合錨固至隧道拱部,且因鋼板間的橫向間隙<2mm,加載時(shí)中間2塊鋼板受周圍鋼板擠壓而處于受壓狀態(tài),其沿隧道軸向受拉。測(cè)點(diǎn)B處鋼板沿環(huán)向最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=65.87με,測(cè)點(diǎn)C處鋼板沿縱向最大壓應(yīng)變?chǔ)與=-114.3με。將測(cè)點(diǎn)最大拉應(yīng)變和最大壓應(yīng)變分別代入式(1),(2),即可得到20mm厚浸鋅鋼板在試塊和砂袋自重約為5.4t作用下的拉應(yīng)力σt=13.83MPa,而壓應(yīng)力σc=24.03MPa。因此,工況5下20mm厚浸鋅鋼板測(cè)點(diǎn)處最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力仍均小于其屈服拉伸極限強(qiáng)度,因而模型試驗(yàn)中所設(shè)計(jì)的20mm厚浸鋅鋼板具有支撐隧道襯砌拱部掉塊和空氣負(fù)壓峰值的作用從而未發(fā)生屈服破壞,浸鋅鋼板具有抵抗掉塊的能力,處于安全狀態(tài)。

通過對(duì)5種工況下浸鋅鋼板受混凝土試塊和砂袋自重作用下應(yīng)變的測(cè)試,模型試驗(yàn)中浸鋅鋼板在相應(yīng)工況下的應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 浸鋅鋼板在相應(yīng)工況下應(yīng)力

由表3可知,對(duì)于足尺模型試驗(yàn)中浸鋅鋼板所受到的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,厚度為6,10,20mm浸鋅鋼板在試驗(yàn)加載的5個(gè)工況下處于受拉和受壓狀態(tài),但鋼板中拉、壓應(yīng)力均小于其拉伸屈服強(qiáng)度。且20mm厚浸鋅鋼板中應(yīng)力明顯較小。因此,3種厚度浸鋅鋼板均能支撐模型試驗(yàn)中隧道襯砌拱部混凝土試塊,且未發(fā)生破壞,因而可用于高速鐵路隧道襯砌拱部病害的防治,但從滿足高速鐵路隧道長期運(yùn)營安全和耐久性角度分析,6mm厚浸鋅鋼板剛度較小,在隧道潮濕和陰暗的長期運(yùn)營環(huán)境中易銹蝕,因此,建議采用浸鋅鋼板防治高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊病害時(shí),其厚度宜≥10mm。

模型試驗(yàn)中浸鋅鋼板出現(xiàn)壓應(yīng)力原因包括受化學(xué)錨栓錨固擠壓影響、與鋼板間相互重疊和擠壓。尤其是在分塊布置時(shí),由于鋼板間間隙較小,中間2塊鋼板受到兩側(cè)鋼板環(huán)向擠壓,致使鋼板環(huán)向受擠壓。因此,鋼板分塊布置時(shí)在各鋼板間應(yīng)預(yù)留適量間隙,建議間隙值取10～20mm,以防止鋼板間接觸間隙過小而相互擠壓從而影響其使用功能。

2.2 化學(xué)錨栓應(yīng)變和拉力

在模型試驗(yàn)中M24化學(xué)錨栓采用在混凝土襯砌中鉆孔然后植入的方式進(jìn)行錨固。通過對(duì)上述工況中化學(xué)錨栓錨固鋼板時(shí)的應(yīng)變測(cè)試,得到錨栓中應(yīng)力變化特點(diǎn)。以工況1,4下2個(gè)錨栓應(yīng)變?yōu)槔M(jìn)行分析,測(cè)試得到工況1,4下化學(xué)錨栓所承受的最大拉應(yīng)變?chǔ)舤=141.18με。工況4下化學(xué)錨栓所承受的拉應(yīng)力隨加載時(shí)間的變化關(guān)系曲線如圖18所示。

圖18 化學(xué)錨栓拉應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖18可知,化學(xué)錨栓在加載期間均處于拉應(yīng)力狀態(tài)。將測(cè)得的M24化學(xué)錨栓最大拉應(yīng)變代入式(1)即可得到化學(xué)錨栓所承受的拉應(yīng)力ft=29.65MPa。根據(jù)化學(xué)錨栓所承受的軸向拉應(yīng)力ft,可按式(3)計(jì)算得到M24化學(xué)錨栓所承受的軸向拉力Ft,即

(3)

式中:dm為化學(xué)錨栓直徑,取24mm。

將測(cè)得的工況4下化學(xué)錨栓軸向拉應(yīng)力ft和其直徑dm代入式(3)即可得到化學(xué)錨栓最大拉力Ft=13.41kN。由于化學(xué)錨栓M24破壞拉力Ftl≥140kN,而試驗(yàn)期間測(cè)得的錨栓實(shí)際拉力Ft=13.41kN<140kN,因此,模型試驗(yàn)中所采用M24化學(xué)錨栓具有足夠的抗拉強(qiáng)度。

2.3 模型隧道襯砌應(yīng)力

為分析模型試驗(yàn)中隧道襯砌在加載工況下的承載狀態(tài),對(duì)工況3～5下模型隧道鋼筋混凝土襯砌應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。隧道襯砌應(yīng)變采用在同一測(cè)試斷面中兩側(cè)邊墻內(nèi)、外側(cè)分別粘貼相互正交應(yīng)變片方式進(jìn)行測(cè)試。隧道襯砌同一橫斷面兩側(cè)邊墻內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖11所示。以工況3下隧道襯砌測(cè)點(diǎn)B內(nèi)側(cè)應(yīng)變?yōu)槔?實(shí)測(cè)其應(yīng)變隨加載時(shí)間變化關(guān)系曲線如圖19所示。

圖19 隧道襯砌測(cè)點(diǎn)B內(nèi)側(cè)應(yīng)變隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖19可知,工況3下測(cè)點(diǎn)B內(nèi)側(cè)最大壓應(yīng)變?yōu)?10.09με。對(duì)各工況下測(cè)定的模型隧道襯砌上測(cè)點(diǎn)A,B處橫向最大應(yīng)變進(jìn)行分析,最大壓應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 隧道襯砌測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變

足尺模型試驗(yàn)中隧道混凝土襯砌采用C35鋼筋混凝土澆筑,其彈性模量Ec=31.5GPa。將表4中隧道襯砌各點(diǎn)測(cè)定壓應(yīng)變代入式(2),即可計(jì)算得到隧道襯砌各測(cè)點(diǎn)處相應(yīng)加載工況下壓應(yīng)力,如表5所示。

表5 隧道襯砌測(cè)點(diǎn)處壓應(yīng)力

結(jié)合表5所得模型試驗(yàn)中隧道襯砌測(cè)點(diǎn)內(nèi)、外側(cè)壓應(yīng)力分析,足尺模型試驗(yàn)中混凝土襯砌沿隧道環(huán)向壓應(yīng)力最大值在測(cè)點(diǎn)A處外側(cè),為1.41MPa。對(duì)于C35鋼筋混凝土襯砌抗壓強(qiáng)度,其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為16.7MPa,模型試驗(yàn)中隧道襯砌混凝土壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于其軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。對(duì)于隧道襯砌,若襯砌橫斷面上內(nèi)側(cè)應(yīng)力為σin、外側(cè)應(yīng)力為σou,且隧道襯砌截面上彎矩為M,軸力為N,則隧道襯砌截面內(nèi)彎矩M和軸力N可由式(4)加以計(jì)算:

(4)

式中:A為隧道襯砌截面面積(m2);Iz為隧道襯砌橫截面慣性矩(m4);H為隧道襯砌厚度(m)。

根據(jù)現(xiàn)行鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[8],當(dāng)隧道襯砌橫截面處內(nèi)力引起的偏心距e0≤0.2H時(shí),隧道襯砌安全性由混凝土抗壓強(qiáng)度Ra控制,襯砌安全系數(shù)可根據(jù)式(5)計(jì)算;而當(dāng)偏心距e0>0.2H時(shí),隧道襯砌安全系數(shù)由混凝土抗拉強(qiáng)度Rl控制,襯砌安全系數(shù)由式(6)計(jì)算得到:

KN≤φαRaBH

(5)

(6)

式中:K為安全系數(shù);φ為構(gòu)件縱向彎曲系數(shù),φ=1;α為軸向力偏心影響系數(shù),α=0.75;B為襯砌寬度,B=1m;H為襯砌厚度,H=0.5m。

將足尺模型試驗(yàn)相應(yīng)工況下隧道襯砌測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的內(nèi)、外側(cè)應(yīng)力代入式(4)即可得到隧道襯砌截面上的內(nèi)力。根據(jù)內(nèi)力計(jì)算得到內(nèi)力所引起的偏心距滿足e0≤0.2H,故模型隧道為小偏心受壓構(gòu)件。隧道襯砌C35鋼筋混凝土抗壓極限強(qiáng)度Ra=26MPa。將各參數(shù)和測(cè)點(diǎn)內(nèi)力代入式(5)即可計(jì)算得到模型試驗(yàn)中隧道襯砌測(cè)試斷面處安全系數(shù),如表6所示。

表6 模型隧道襯砌的安全系數(shù)

由表6可知,模型試驗(yàn)中隧道襯砌在相應(yīng)工況測(cè)點(diǎn)處截面安全系數(shù)均大于《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件抗壓極限強(qiáng)度安全系數(shù)≥2.0的要求,且足尺模型試驗(yàn)中隧道襯砌有足夠的安全性。因此,隧道襯砌結(jié)構(gòu)在模擬拱部襯砌掉塊模型試驗(yàn)中安全。因此,模型試驗(yàn)中隧道襯砌結(jié)構(gòu)受模擬的拱部襯砌掉塊影響較小,隧道襯砌結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 結(jié)語

高速鐵路隧道采用的模筑襯砌常因施工質(zhì)量缺陷而引發(fā)諸如襯砌開裂、滲漏水和拱頂?shù)魤K等病害,而隧道襯砌拱頂混凝土掉塊則對(duì)隧道內(nèi)列車高速和安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響,也是高速鐵路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)維中所關(guān)注的重點(diǎn)課題之一。本文采用足尺模型試驗(yàn)方法,將熱鍍浸鋅鋼板用于高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治,設(shè)計(jì)了模擬隧道拱頂?shù)魤K的5種工況,通過測(cè)試相應(yīng)工況下支撐混凝土掉塊的浸鋅鋼板、化學(xué)錨栓和隧道鋼筋混凝土襯砌應(yīng)變,分析其應(yīng)力特性和安全狀況,得出如下結(jié)論。

1)在足尺模型試驗(yàn)中,6,10,20mm厚浸鋅鋼板在模擬的高速鐵路隧道拱部混凝土掉塊與高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的共同作用下,浸鋅鋼板內(nèi)部所引起的拉應(yīng)力測(cè)試值為13.83～109.18MPa,壓應(yīng)力測(cè)試值為24.03～48.01MPa,浸鋅鋼板拉應(yīng)力和壓應(yīng)力均小于Q345B材質(zhì)鋼板拉伸屈服強(qiáng)度。3種厚度浸鋅鋼板均具有支撐鐵路隧道襯砌拱部掉塊的作用。鑒于6mm厚浸鋅鋼板在整塊設(shè)置時(shí)的剛度較小,受隧道內(nèi)潮濕和陰暗環(huán)境的影響易發(fā)生化學(xué)腐蝕和生物侵蝕,同時(shí)考慮到運(yùn)營期隧道內(nèi)拱部架設(shè)有接觸網(wǎng)及在洞內(nèi)運(yùn)輸和施工安裝鋼板的便利性,建議浸鋅鋼板厚度≥10mm,且浸鋅鋼板在隧道拱頂宜采用分塊方式設(shè)置。

2)對(duì)于模型試驗(yàn)中浸鋅鋼板布置的2種方式和5種測(cè)試工況,浸鋅鋼板在隧道拱部分塊布置時(shí),建議在分塊相鄰鋼板間預(yù)留10～20mm安裝間隙。設(shè)置間隙便于安裝鋼板,同時(shí)也可降低鋼板間因間隙過小相互擠壓而引起的擠壓應(yīng)力。此外,當(dāng)采用整塊方式在隧道拱頂布置浸鋅鋼板時(shí),需確保鋼板上預(yù)留孔和隧道襯砌上的預(yù)留孔準(zhǔn)確對(duì)位,盡可能降低用化學(xué)錨栓錨固浸鋅鋼板時(shí)植入化學(xué)錨栓的施工難度,并減少鋼板因受化學(xué)錨栓擠壓而引起的壓應(yīng)力。

3)在模型試驗(yàn)中,錨固浸鋅鋼板的M24化學(xué)錨栓在加載期間承受拉力,測(cè)試得到單根錨栓最大拉力為13.4kN,其所承受的拉力小于M24化學(xué)錨栓破壞拉力,所采用的M24化學(xué)錨栓具有較強(qiáng)抗拉破壞能力,可作為錨固浸鋅鋼板錨固件使用。

4)在5種用浸鋅鋼板支撐隧道襯砌拱部掉塊的試驗(yàn)工況下,隧道襯砌在相應(yīng)工況下環(huán)向處于受壓狀態(tài),測(cè)試斷面上測(cè)點(diǎn)處混凝土壓應(yīng)力最大值為1.41MPa,小于C35鋼筋混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。此外,在5種加載試驗(yàn)工況下,隧道襯砌受模擬拱部掉塊的混凝土試塊和高速鐵路隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響較小,模型試驗(yàn)中隧道鋼筋混凝土襯砌具有較高安全儲(chǔ)備。

5)浸鋅鋼板具有較強(qiáng)抗拉能力來拖曳和支撐隧道拱部已脫落掉塊,可有效防止掉塊砸中行駛中的高速列車,能為鐵路運(yùn)營單位在長期運(yùn)營時(shí)拱部發(fā)生掉塊等病害時(shí)采取措施提供警示和預(yù)報(bào)。通過足尺模型試驗(yàn)的測(cè)試與分析,浸鋅鋼板可作為高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治的應(yīng)急措施,設(shè)置時(shí)其厚度宜≥10mm。