周曉軍,王聚山,楊昌宇,郭繼軍,王 闖,呂陽樹

(1.西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031; 2.中國鐵路成都局集團有限公司重慶建設指揮部,重慶 400023; 3.中鐵二院工程集團有限公司,四川 成都 610031; 4.中鐵十一局集團有限公司,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構物,在長期服役期間應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雜工程地質(zhì)、隧道施工管理和技術水平及工程造價等因素的影響,交通線路中的隧道工程在投入運營后通常會發(fā)生諸如襯砌開裂、滲漏水、腐蝕和掉塊等病害現(xiàn)象。對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)礦山法進行施工,且隧道襯砌以復合式襯砌為主。復合式襯砌由初期支護、防水層和二次襯砌組成,而二次襯砌通常采用立?，F(xiàn)澆方式成型。由于受隧道拱形結構和現(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度未達到設計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。我國已投入運營的達成鐵路、貴廣鐵路、滬昆客運專線、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致列車停運和限速行駛的事故。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,我國公路隧道在運營期同樣也發(fā)生過拱頂混凝土掉落而砸中行駛中機動車的事故。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致列車停運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,保障列車安全運行是鐵路隧道設計和運營期間需研究與解決的重要課題之一。本文針對高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土掉塊威脅鐵路安全運輸?shù)墓こ虒嶋H,建立模型隧道開展隧道襯砌拱部掉塊的足尺試驗。試驗中用化學錨栓將選定厚度浸鋅鋼板錨固至模型隧道拱頂內(nèi)側,以支撐模型隧道拱部模擬掉塊混凝土試塊。同時,在試塊頂部堆放砂袋,借以模擬高速列車駛入隧道所引起的空氣動力學效應,使模型隧道中支撐混凝土試塊的浸鋅鋼板和化學錨栓均承受試塊和砂袋自重荷載,并同時測試浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道襯砌受荷載作用下的應變,進而分析浸鋅鋼板和化學錨栓及隧道襯砌在相應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。

1 模型隧道設計與試驗工況

針對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)側再設置套襯、拆除有病害隧道襯砌后重建襯砌、局部加固或補強已發(fā)生病害的隧道襯砌等治理措施[3-5]。對于高速鐵路隧道而言,由于受線路中列車運營時間的限制,上述常規(guī)病害治理的措施只能在列車停運的天窗時間內(nèi)實施,因而病害治理實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)量難以達到設計要求,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施且工藝簡單的治理措施,對于保障高速鐵路隧道襯砌和列車的安全運行無疑具有現(xiàn)實意義。

采用化學錨栓將浸鋅鋼板錨固在隧道拱頂內(nèi)側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簡便和易于施作的特點。因此,采用足尺模型試驗方法對浸鋅鋼板和聚脲噴膜承載力與設置方法開展試驗。本文著重對浸鋅鋼板在隧道內(nèi)拱部掉塊防治中的承載力開展測試與分析。

根據(jù)高速鐵路單洞雙線隧道襯砌結構橫斷面設計特點,模型隧道采用350km/h速度客運專線單洞雙線隧道的內(nèi)凈空。考慮到本模型試驗中僅測試和分析浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道襯砌受其拱部掉塊和高速鐵路隧道內(nèi)列車氣動效應共同作用下的承載特征,為便于現(xiàn)場實施,將模型隧道內(nèi)凈高和內(nèi)凈寬分別設計為3.0,8.4m,模型隧道襯砌厚度為0.5m,整個模型隧道沿其軸線方向總長度為20m。足尺模型試驗中所采用的隧道襯砌橫截面設計參數(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)

模型隧道在試驗場地立模澆筑,澆筑模型隧道時根據(jù)圖3,4所示設計方案在模型隧道拱頂部位預留水平橫截面為長方形和圓柱形孔洞,便于在試驗中將預制混凝土試塊吊放入相應空洞內(nèi),進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)原因也較復雜。以貴陽—廣州高速鐵路為例,其在運營期間曾發(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)計結果表明,全線隧道襯砌拱頂存在月牙形裂縫病害多達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置在施工縫處,如圖4所示?；谫F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)計資料,在足尺模型試驗中,隧道襯砌拱部混凝土掉塊以預制鋼筋混凝土長方體試塊加以模擬。共預制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,結構設計如圖7所示。

圖7 長方體試塊結構(單位: m)

在模型試驗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。模型試驗中分別選取厚度為6,10,20mm 3種熱浸鍍鋅鋼板。結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錨栓和隧道襯砌同時承受荷載,由此分析浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道襯砌應力狀態(tài)。在模型試驗中,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置5種試驗工況,如表1所示。

表1 模型試驗測試工況

根據(jù)表1中所列試驗工況,分別對相應工況中支撐模型隧道襯砌拱部混凝土試塊浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道襯砌應變進行測定。三者應變通過粘貼在各自測點上的電阻應變片測得,由應變即可求得浸鋅鋼板、化學錨栓及模型隧道襯砌在彈性階段應力。在模型試驗中,用于測試浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道襯砌應變的傳感器及應變采集系統(tǒng)型號與規(guī)格如表2所示。

表2 測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測點處粘貼2只應變片,使2只應變片軸線相互垂直且形成T形。而在化學錨栓測點上沿其軸線方向粘貼相對平行的2只應變片。在整塊和分塊布置的浸鋅鋼板朝向洞內(nèi)一側的應變測點及電阻應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變測點(單位:m)

圖9 浸鋅鋼板分塊布置中的應變測點(單位:m)

化學錨栓上測點處應變片粘貼方式如圖10所示,隧道襯砌上應變測點布置如圖11所示。

圖10 化學錨栓應變測點布置

圖11 模型隧道襯砌應變測點布置

測試前,連接并調(diào)試好靜態(tài)應變儀。之后將浸鋅鋼板用化學錨栓錨固至預先確定的模型隧道襯砌拱頂孔洞,并借助起重機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還應承受高速列車駛入隧道內(nèi)所引起空氣負壓作用。根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》(2014年版)說明,高速鐵路隧道內(nèi)雙線列車以350km/h速度會車時引起的洞內(nèi)空氣負壓峰值按8.9kPa考慮[6]。因此,在模型試驗中此空氣負壓峰值采用在模型隧道混凝土試塊頂部堆放裝有15kg/袋細砂的砂袋等效。以此分別測試相應工況下浸鋅鋼板、化學錨栓和模型隧道襯砌上各測點彈性應變。

2 測試結果與分析

按表1所列測試工況,分別對模型隧道中浸鋅鋼板、化學錨栓及隧道襯砌在各工況下彈性應變進行測定。模型試驗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應變測試如圖12所示。

圖12 模型隧道內(nèi)拱頂浸鋅鋼板應變測試

2.1 浸鋅鋼板應變和應力

為分析浸鋅鋼板在試驗中支撐混凝土試塊承載力,分別對厚度為6,10,20mm鋼板應變進行測試。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、縱向寬度為2.4m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。試驗中用于模擬高速鐵路隧道空氣動力學效應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應變和應力

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,當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,并用電阻應變片測試鋼板各測點處應變[7]。工況1中僅對浸鋅鋼板施加質(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。分析加載試驗中測定應變可知,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點B1,B2處應變最大,鋼板沿隧道環(huán)向受壓而沿隧道軸向受拉。以測點B1,B2處應變?yōu)槔?測點B1處縱向拉應變時間變化關系如圖14所示,而測點B2處橫向壓應變隨時間變化關系如圖15所示。

圖14 測點B1處鋼板縱向拉應變隨時間變化關系曲線

圖15 測點B2處鋼板壓應變隨時間變化關系曲線

由圖14,15可知,測點B1,B2處浸鋅鋼板在試塊質(zhì)量約2.5t作用下測得的最大拉應變εt=207.43με,最大壓應變εc=-228.64με。對于現(xiàn)場測試狀況而言,在模型隧道拱頂自重2.5t混凝土試塊作用下,現(xiàn)場試驗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力與應變狀態(tài),可得浸鋅鋼板中心部位拉應力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)生的彈性拉應變(με)。

由式(1)即可計算得到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變εt=207.43με所對應的最大拉應力σt=43.56MPa。而浸鋅鋼板Q345B拉伸屈服強度為345MPa,抗拉強度為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,浸鋅鋼板所承受的最大拉應力σt=43.56MPa,遠小于Q345B鋼板拉伸屈服強度和抗拉強度。因此,6mm厚浸鋅鋼板在以3.4m×1.7m整塊布置的工況1,2下,鋼板抗拉強度大于其所受到的拉應力,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點B2處最大環(huán)向壓應變εc=-228.64με,則其所受到壓應力σc可由式(2)計算得到:

σc=Eεc

(2)

式中:εc為浸鋅鋼板產(chǎn)生的彈性壓應變(με)。

將測得的浸鋅鋼板中心位置處彈性最大壓應變εc代入式(2),即可計算得到6mm厚浸鋅鋼板以3.4m×1.7m整塊布置時鋼板所承受的環(huán)向最大壓應力σc=48.01MPa。該值仍小于Q345B鋼板屈服強度值。

對于工況2,在鋼筋混凝土試塊自重作用下,測得浸鋅鋼板在測點B1處拉應變隨加載時間變化關系曲線如圖16所示,浸鋅鋼板在測點B2處拉應變隨加載時間變化關系曲線如圖17所示。

圖16 工況2下測點B1處拉應變與時間變化關系曲線

圖17 工況2下測點B2處拉應變隨時間變化關系曲線

由圖16,17可知,浸鋅鋼板中間部位測點B1,B2處軸向最大拉應變εt=519.94με,由此表明此處鋼板僅處于拉應力狀態(tài)。將浸鋅鋼板測點的最大彈性拉應變代入式(1)即可計算得到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力狀態(tài),未出現(xiàn)壓應力。

將該拉應力值與Q345B鋼材拉伸屈服強度和抗拉強度相比,浸鋅鋼板內(nèi)產(chǎn)生的拉應力仍小于Q345B鋼材拉伸屈服強度和抗拉強度。工況1,2下測試結果表明,6mm厚浸鋅鋼板以4.4m×1.7m,3.4m×1.7m整塊方式布置時,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應變和應力

為測試6mm厚浸鋅鋼板以4.2m×2.4m分塊組合布置時的應力狀態(tài),將浸鋅鋼板按圖4,9中所示分塊進行組合布置,并對分塊組合布置的浸鋅鋼板進行了工況3下的加載試驗,同時對其在混凝土試塊加載條件下的應變進行測試。通過對工況3下浸鋅鋼板的加載試驗,測得其測點B,C處拉應變和壓應變最大,最大彈性壓應變εc=-253.58με,最大拉應變?yōu)棣舤=180.08με。由此表明分塊布置時中間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力狀態(tài)。

將測試得到的浸鋅鋼板彈性最大拉應變εt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所承受的最大拉應力σc=37.82MPa。而將測試得到的鋼板彈性最大壓應變εc代入式(2),即可得到6mm厚浸鋅鋼板在分塊布置時所承受的最大壓應力σc=53.13MPa。

由于Q345B鋼材拉伸屈服強度為345MPa,試驗工況2下浸鋅鋼板所承受的最大壓應力和最大拉應力均遠低于其屈服強度。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,Q345B浸鋅鋼板所承受的拉應力和壓應力均小于其拉伸屈服強度,因此浸鋅鋼板具有足夠的安全儲備。

2.1.310mm厚浸鋅鋼板分塊布置時應變和應力

工況4為對10mm厚浸鋅鋼板在分塊布置時其受試塊重力作用下的應力狀態(tài)進行測試。通過對工況4下浸鋅鋼板受試塊自重作用的測試,得到浸鋅鋼板上測點B,C處應變,且測點B,C處均產(chǎn)生拉應變和壓應變,最大彈性拉應變εt=180.07με,最大彈性壓應變εc=-253.58με。由此也表明分塊布置時中間2塊浸鋅鋼板在試塊自重作用下處于受壓和受拉狀態(tài)。將測試得到的浸鋅鋼板彈性拉應變εt代入式(1)可得10mm厚浸鋅鋼板分塊布置時所承受的最大壓應力σt=37.81MPa。同理,將測試得到的鋼板彈性最大壓應變εc代入式(2)即可得到10mm厚浸鋅鋼板分塊布置時所承受的最大壓應力σc=53.25MPa。

由于Q345B鋼材拉壓屈服強度為345MPa,浸鋅鋼板所承受的拉應力和壓應力均遠低于其屈服強度。因此,在工況4下,當采用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,其所承受的拉、壓應力遠小于其拉伸屈服強度,因此10mm厚浸鋅鋼板仍具有足夠的安全儲備。

2.1.420mm厚浸鋅鋼板分塊布置時應變和應力

在對6,10mm厚浸鋅鋼板整塊和分塊布置的應變測試的基礎上,為便于對比,還對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進行加載試驗。為模擬高速鐵路隧道空氣動力學效應,試驗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入隧道內(nèi)所引起的空氣負壓峰值。在工況5加載過程中,測定的浸鋅鋼板應變均較小,當試塊和砂袋質(zhì)量累計達5.4t時,鋼板應力仍較小。而此時浸鋅鋼板所承受的荷載已超過高速列車以350km/h速度駛入隧道內(nèi)所引起的空氣負壓峰值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)測試30min。如此測得浸鋅鋼板上測點B,C處應變最大。由測試得到的應變分析可知,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。測點B處鋼板沿環(huán)向最大拉應變εt=65.87με,測點C處鋼板沿縱向最大壓應變εc=-114.3με。將測點最大拉應變和最大壓應變分別代入式(1),(2),即可得到20mm厚浸鋅鋼板在試塊和砂袋自重約為5.4t作用下的拉應力σt=13.83MPa,而壓應力σc=24.03MPa。因此,工況5下20mm厚浸鋅鋼板測點處最大拉應力和最大壓應力仍均小于其屈服拉伸極限強度,因而模型試驗中所設計的20mm厚浸鋅鋼板具有支撐隧道襯砌拱部掉塊和空氣負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5種工況下浸鋅鋼板受混凝土試塊和砂袋自重作用下應變的測試,模型試驗中浸鋅鋼板在相應工況下的應力測試結果如表3所示。

表3 浸鋅鋼板在相應工況下應力

由表3可知,對于足尺模型試驗中浸鋅鋼板所受到的拉應力和壓應力,厚度為6,10,20mm浸鋅鋼板在試驗加載的5個工況下處于受拉和受壓狀態(tài),但鋼板中拉、壓應力均小于其拉伸屈服強度。且20mm厚浸鋅鋼板中應力明顯較小。因此,3種厚度浸鋅鋼板均能支撐模型試驗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,其厚度宜≥10mm。

模型試驗中浸鋅鋼板出現(xiàn)壓應力原因包括受化學錨栓錨固擠壓影響、與鋼板間相互重疊和擠壓。尤其是在分塊布置時,由于鋼板間間隙較小,中間2塊鋼板受到兩側鋼板環(huán)向擠壓,致使鋼板環(huán)向受擠壓。因此,鋼板分塊布置時在各鋼板間應預留適量間隙,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 化學錨栓應變和拉力

在模型試驗中M24化學錨栓采用在混凝土襯砌中鉆孔然后植入的方式進行錨固。通過對上述工況中化學錨栓錨固鋼板時的應變測試,得到錨栓中應力變化特點。以工況1,4下2個錨栓應變?yōu)槔M行分析,測試得到工況1,4下化學錨栓所承受的最大拉應變εt=141.18με。工況4下化學錨栓所承受的拉應力隨加載時間的變化關系曲線如圖18所示。

圖18 化學錨栓拉應變隨時間變化關系曲線

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

(3)

式中:dm為化學錨栓直徑,取24mm。

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

2.3 模型隧道襯砌應力

為分析模型試驗中隧道襯砌在加載工況下的承載狀態(tài),對工況3～5下模型隧道鋼筋混凝土襯砌應變進行測試。隧道襯砌應變采用在同一測試斷面中兩側邊墻內(nèi)、外側分別粘貼相互正交應變片方式進行測試。隧道襯砌同一橫斷面兩側邊墻內(nèi)、外側應變測點布置如圖11所示。以工況3下隧道襯砌測點B內(nèi)側應變?yōu)槔?實測其應變隨加載時間變化關系曲線如圖19所示。

圖19 隧道襯砌測點B內(nèi)側應變隨時間變化關系曲線

由圖19可知,工況3下測點B內(nèi)側最大壓應變?yōu)?10.09με。對各工況下測定的模型隧道襯砌上測點A,B處橫向最大應變進行分析,最大壓應變測試結果如表4所示。

表4 隧道襯砌測點處應變

足尺模型試驗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中隧道襯砌各點測定壓應變代入式(2),即可計算得到隧道襯砌各測點處相應加載工況下壓應力,如表5所示。

表5 隧道襯砌測點處壓應力

結合表5所得模型試驗中隧道襯砌測點內(nèi)、外側壓應力分析,足尺模型試驗中混凝土襯砌沿隧道環(huán)向壓應力最大值在測點A處外側,為1.41MPa。對于C35鋼筋混凝土襯砌抗壓強度,其軸心抗壓強度設計值為16.7MPa,模型試驗中隧道襯砌混凝土壓應力遠小于其軸心抗壓強度設計值。對于隧道襯砌,若襯砌橫斷面上內(nèi)側應力為σin、外側應力為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)行鐵路隧道設計規(guī)范[8],當隧道襯砌橫截面處內(nèi)力引起的偏心距e0≤0.2H時,隧道襯砌安全性由混凝土抗壓強度Ra控制,襯砌安全系數(shù)可根據(jù)式(5)計算;而當偏心距e0>0.2H時,隧道襯砌安全系數(shù)由混凝土抗拉強度Rl控制,襯砌安全系數(shù)由式(6)計算得到:

KN≤φαRaBH

(5)

(6)

式中:K為安全系數(shù);φ為構件縱向彎曲系數(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。

將足尺模型試驗相應工況下隧道襯砌測點處測得的內(nèi)、外側應力代入式(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件。隧道襯砌C35鋼筋混凝土抗壓極限強度Ra=26MPa。將各參數(shù)和測點內(nèi)力代入式(5)即可計算得到模型試驗中隧道襯砌測試斷面處安全系數(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,模型試驗中隧道襯砌在相應工況測點處截面安全系數(shù)均大于《鐵路隧道設計規(guī)范》中對鋼筋混凝土構件抗壓極限強度安全系數(shù)≥2.0的要求,且足尺模型試驗中隧道襯砌有足夠的安全性。因此,隧道襯砌結構在模擬拱部襯砌掉塊模型試驗中安全。因此,模型試驗中隧道襯砌結構受模擬的拱部襯砌掉塊影響較小,隧道襯砌結構處于安全狀態(tài)。

3 結語

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隧道內(nèi)列車高速和安全運行產(chǎn)生嚴重影響,也是高速鐵路隧道結構設計和運維中所關注的重點課題之一。本文采用足尺模型試驗方法,將熱鍍浸鋅鋼板用于高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治,設計了模擬隧道拱頂?shù)魤K的5種工況,通過測試相應工況下支撐混凝土掉塊的浸鋅鋼板、化學錨栓和隧道鋼筋混凝土襯砌應變,分析其應力特性和安全狀況,得出如下結論。

1)在足尺模型試驗中,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力學效應的共同作用下,浸鋅鋼板內(nèi)部所引起的拉應力測試值為13.83～109.18MPa,壓應力測試值為24.03～48.01MPa,浸鋅鋼板拉應力和壓應力均小于Q345B材質(zhì)鋼板拉伸屈服強度。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置時的剛度較小,受隧道內(nèi)潮濕和陰暗環(huán)境的影響易發(fā)生化學腐蝕和生物侵蝕,同時考慮到運營期隧道內(nèi)拱部架設有接觸網(wǎng)及在洞內(nèi)運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置。

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

3)在模型試驗中,錨固浸鋅鋼板的M24化學錨栓在加載期間承受拉力,測試得到單根錨栓最大拉力為13.4kN,其所承受的拉力小于M24化學錨栓破壞拉力,所采用的M24化學錨栓具有較強抗拉破壞能力,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工況下,隧道襯砌在相應工況下環(huán)向處于受壓狀態(tài),測試斷面上測點處混凝土壓應力最大值為1.41MPa,小于C35鋼筋混凝土軸心抗壓強度設計值。此外,在5種加載試驗工況下,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力學效應的影響較小,模型試驗中隧道鋼筋混凝土襯砌具有較高安全儲備。

5)浸鋅鋼板具有較強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,能為鐵路運營單位在長期運營時拱部發(fā)生掉塊等病害時采取措施提供警示和預報。通過足尺模型試驗的測試與分析,浸鋅鋼板可作為高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治的應急措施,設置時其厚度宜≥10mm。