寶成鐵路涵洞病害分析及加固措施研究

■藍(lán) 皓 ■成都鐵路局綿陽(yáng)工務(wù)段，四川 綿陽(yáng) 621000

1 涵洞病害狀況調(diào)查分析

1.1 病害狀況調(diào)查統(tǒng)計(jì)

2009年寶成線開(kāi)行“和諧號(hào)”重載列車以來(lái)，綿陽(yáng)工務(wù)段涵渠設(shè)備劣化率逐年明顯增高，且病害發(fā)展速度較快。由于重載列車的牽引噸數(shù)大幅提升，運(yùn)行中動(dòng)荷載、沖擊荷載、橫向振動(dòng)等物理效應(yīng)也相應(yīng)加劇，導(dǎo)致了涵洞洞身開(kāi)裂、管節(jié)下沉錯(cuò)臺(tái)、蓋板裂損等病害的發(fā)展。截止2012年6月7日綿陽(yáng)工務(wù)段全段病害匯總?cè)缦?08年既有涵洞病害，后期有發(fā)展共計(jì)9處;09年開(kāi)行“和諧號(hào)”新生病害并有發(fā)展共計(jì)10處;10年新生病害并有發(fā)展共計(jì)9處;11年新生病害共計(jì)27處。

1.2 涵洞病害評(píng)定及分析

針對(duì)既有涵洞類型和病害狀況，對(duì)《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中的既有涵洞評(píng)定方法進(jìn)行了細(xì)化、改進(jìn)和完善，在原有“劣化等級(jí)評(píng)定表”的基礎(chǔ)上，結(jié)合劣化類型進(jìn)行了分類，并對(duì)涵洞進(jìn)行部件劃分。蓋板箱涵對(duì)蓋板、涵身、涵底、附屬設(shè)施分類評(píng)定，拱涵對(duì)拱圈、立墻、涵地、附屬設(shè)施分別評(píng)定。另外，通過(guò)有限元軟件，建立了典型涵洞的實(shí)體計(jì)算模型，分析結(jié)構(gòu)最不利受力工況及可能出現(xiàn)病害的位置及原因。

蓋板箱涵，沿涵洞方向(軸向)的應(yīng)力，主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，考慮地基長(zhǎng)期應(yīng)力作用下不均勻沉降和圬工結(jié)構(gòu)風(fēng)化，結(jié)構(gòu)在鐵路活載作用下，易產(chǎn)生豎向裂縫。在涵洞豎向均為壓應(yīng)力，應(yīng)力值沒(méi)有達(dá)到材料的容許壓應(yīng)力值，一般不會(huì)引起邊墻的破壞。在垂直于涵洞的方向上，邊墻主要是受壓力，同時(shí)也有拉應(yīng)力出現(xiàn)，但是值非常小，不會(huì)引起結(jié)構(gòu)破壞，但對(duì)于圬工結(jié)構(gòu)容易造成灰縫的脫落。

拱涵，沿涵洞方向(軸向)的應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，在涵洞出、入口處會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，這個(gè)方向的拉壓應(yīng)力值都比較小，一般不會(huì)引起此方向裂縫出現(xiàn)。涵洞豎直方向受到的應(yīng)力值全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在活載作用區(qū)域的拱腳處，應(yīng)力值較小，一般不會(huì)引起破壞。在垂直于涵洞方向上，拱涵還是主要受壓應(yīng)力的作用，壓應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在活載作用范圍內(nèi)的拱頂處，此外左、右邊墻均出現(xiàn)了拉應(yīng)力，其中在左邊墻底部出現(xiàn)的拉應(yīng)力的值較大，為MU50石料與M10的砂漿砌筑的漿砌片石的設(shè)計(jì)彎曲拉力值的50%，雖然計(jì)算值并沒(méi)有超過(guò)次設(shè)計(jì)容許值，但考慮到此拱涵為過(guò)水涵洞，受到水的侵蝕，材料的抗拉強(qiáng)度會(huì)下降，以及“和諧號(hào)”重載列車的頻繁作用，很有可能在邊墻上產(chǎn)生橫向的裂縫。這與典型涵洞出現(xiàn)的病害相吻合。

2 加固措施

2.1 蓋板涵加固措施

(1)封閉裂縫.涵身裂縫、蓋板裂縫是綿陽(yáng)工務(wù)段蓋板涵存在的主要病害。部分出現(xiàn)的裂縫較寬，長(zhǎng)度較長(zhǎng)。國(guó)內(nèi)外規(guī)范和實(shí)踐說(shuō)明，處在無(wú)侵蝕性介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)，只要裂縫寬度在0.2mm以下，鋼筋不會(huì)發(fā)生銹蝕。針對(duì)涵身、蓋板裂縫，宜對(duì)寬度超過(guò)0.2mm的縱向裂縫采用優(yōu)質(zhì)灌縫膠或環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行灌縫封閉處理。灌縫封閉時(shí)，裂縫內(nèi)應(yīng)保持干燥，封閉完成后進(jìn)行表面涂裝，防止發(fā)生鋼筋銹蝕，以提高蓋板、立墻的耐久性。

(2)內(nèi)套框.針對(duì)蓋板強(qiáng)度下降，砌石邊墻裂損、失穩(wěn)的現(xiàn)狀，采用“口”形鋼筋混凝土框構(gòu)和鋼筋混凝土“門”形剛構(gòu)方法進(jìn)行加固處理，具有施工不影響行車、不需要點(diǎn)慢行或封閉線路的特點(diǎn)，特別適用于運(yùn)輸繁忙的鐵路干線如寶成鐵路。施工時(shí)在既有邊墻布置梅花式釬釘，現(xiàn)澆鋼筋骨架聯(lián)結(jié)，保證與既有構(gòu)筑物的整體性。加固后凈高能夠滿足既有通行條件下，優(yōu)先選用“口”形鋼筋混凝土框構(gòu)加固;凈高不富裕條件下，應(yīng)選擇鋼筋混凝土“門”形剛構(gòu)加固。灌注混凝土應(yīng)按0.8～1.0m從中間向兩邊逐步灌注，待頂板混凝土終凝后，填搗半干硬性砂漿，使現(xiàn)澆頂板與既有蓋板底保持密實(shí)。采用半干硬性砂漿填搗具有一定的塌落度，不能保證套拱頂部與既有板底的密實(shí)性，既有蓋板在動(dòng)載作用下仍有撓度問(wèn)題。

(3)減緩沖擊，保證縱向平順過(guò)渡.涵洞頂部要求有一定厚度的填土，以保證涵洞與路基上的軌道豎向剛度縱向平順過(guò)渡，一方面是為降低列車荷載對(duì)涵洞的沖擊作用，另一方面是防止軌道豎向剛度出現(xiàn)突變，影響列車運(yùn)行的平穩(wěn)性。針對(duì)部分涵洞頂部填土嚴(yán)重不夠的實(shí)際，制定以下技術(shù)措施。

2.2 拱涵加固措施

(1)基礎(chǔ)注漿.《維修規(guī)則》中推薦加固方式，著重解決基礎(chǔ)承載能力不足這一問(wèn)題。由于基礎(chǔ)不均勻沉降使主拱圈產(chǎn)生較大應(yīng)力，是導(dǎo)致拱腳豎向變位，拱圈開(kāi)裂的一個(gè)主要原因，本報(bào)告推薦對(duì)基礎(chǔ)采取花管注漿的方式進(jìn)行加固。

對(duì)拱涵采用靠近涵臺(tái)進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度一般不小于4m，推薦采用水灰比為1∶1的普通硅酸鹽水泥漿向孔內(nèi)注漿，同時(shí)注漿時(shí)的瞬間壓力不得超過(guò)1.5MPa，穩(wěn)定壓力為1.2MPa，，而且為了確保施工時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性及注漿的密實(shí)性，施工時(shí)采用反復(fù)間歇性注漿。注漿時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙的順序進(jìn)行，注漿完畢后花管不拆除。

(2)臺(tái)身加固.由于拱涵側(cè)向約束偏薄弱，可能引起拱涵橫向和斜向變位，主拱圈開(kāi)裂。一般采用原拱涵內(nèi)側(cè)臺(tái)身增設(shè)鋼筋混凝土補(bǔ)強(qiáng)層進(jìn)行加固。

加固前應(yīng)先通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定所需的斷面尺寸、鋼筋及混凝土數(shù)量，方可據(jù)此進(jìn)行施工。在施工過(guò)程中，首先要鑿除原結(jié)構(gòu)表面的松散砂漿，同時(shí)沖洗干凈，并在新結(jié)構(gòu)施工前進(jìn)行連接鋼筋的植入，為保持新增結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)的整體性，植入深度不得小于15cm，同時(shí)為了保證原結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，建議封閉原結(jié)構(gòu)表面裂縫。

2.3 耐久性問(wèn)題

根據(jù)我國(guó)運(yùn)營(yíng)鐵路混凝土梁中性化的普查結(jié)果，C20及以下強(qiáng)度等級(jí)的混凝土梁，使用不到40年保護(hù)層中性化已至鋼筋，導(dǎo)致梁體混凝土嚴(yán)重開(kāi)裂、鋼筋銹蝕、保護(hù)層脫落。因此從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面考慮，并與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范一致，規(guī)定預(yù)應(yīng)力混凝土梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C40，鋼筋混凝土梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于C30，以保證混凝土梁設(shè)計(jì)使用年限。

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修補(bǔ)及防護(hù)分:鋼筋銹蝕修補(bǔ)、混凝土破損修補(bǔ)、混凝土裂縫修補(bǔ)，應(yīng)符合《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性修補(bǔ)及防護(hù)》(TB/T3228－2010)要求。加固處理有表面補(bǔ)強(qiáng)、墩臺(tái)身包箍、固化土壤、加深或擴(kuò)大基礎(chǔ)、換填卸載等。圬工表層風(fēng)化、剝落、裂縫比較細(xì)密且面積較大時(shí)，可用掛網(wǎng)噴射水泥砂漿、鋼纖維水泥砂漿和纖維等表面補(bǔ)強(qiáng)修補(bǔ)加固。對(duì)墩臺(tái)身可根據(jù)具體情況，采用在墩臺(tái)身周圍包鋼筋混凝土環(huán)形箍或整體套箍加固，混凝土強(qiáng)度不小于C30，鋼筋配筋率應(yīng)不小于0.2%。墩臺(tái)基底承載力不足時(shí)，可采用固化土壤進(jìn)行加固。

3 結(jié)論

寶成鐵路涵洞建成時(shí)間較久，近年來(lái)由于提速、重載的影響，涵洞邊墻開(kāi)裂、頂板壓潰等病害較為突出，對(duì)列車運(yùn)行構(gòu)成極大安全隱患。面對(duì)量大面廣的涵洞病害，若單純采用架空線路、重新改建的方案，費(fèi)用高、工期長(zhǎng)、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)運(yùn)輸秩序影響大。本報(bào)告針對(duì)寶成鐵路綿陽(yáng)工務(wù)段涵洞病害特點(diǎn)，對(duì)病害原因進(jìn)行分析，結(jié)合現(xiàn)有施工工藝，提出封閉裂縫、內(nèi)套框架加固、基礎(chǔ)注漿、拱涵臺(tái)身和主拱圈加固等措施。

［1］《鐵路橋隧建筑物修理規(guī)則》［S］.北京:人民鐵道出版社，2014.