高速鐵路運(yùn)營長大隧道主要病害建模分析及整治措施

李仁強(qiáng)

摘要：國內(nèi)高速鐵路建設(shè)里程逐年增加，運(yùn)營時(shí)間越來越長，營業(yè)線既有隧道相繼發(fā)生病害情況，病害的主要表現(xiàn)形式為縱向或橫向襯砌裂縫以及拱頂局部襯砌脫空。本文依托工程實(shí)例，對既有運(yùn)營高鐵檢查維護(hù)中發(fā)現(xiàn)的隧道襯砌病害進(jìn)行有限元建模分析，確定病害對隧道運(yùn)營的安全影響，并制定了整治方案，通過整治實(shí)踐，確定分析結(jié)果準(zhǔn)確，采用的整治方案滿足運(yùn)營高鐵維修天窗內(nèi)整治的要求，整治方案簡單、快速、有效，對同類工程具有重要的指導(dǎo)意義。

Abstract： The construction mileage of high-speed railways in China has increased year by year， and the operation time has become longer and longer. The existing tunnels of business lines have different diseases. The main manifestations of the diseases are longitudinal or lateral lining cracks and partial lining of the vaults. Based on the engineering example， this paper conducts finite element modeling analysis on the tunnel lining diseases found in the existing high-speed railway inspection and maintenance， determines the safety impact of the disease on the tunnel operation， and formulates a treatment plan. Through treatment practice， the analysis results are accurate. The adopted treatment plan satisfies the requirements for the treatment of the operating high-speed rail maintenance skylight. The treatment plan is simple， fast and effective， and has important guiding significance for similar projects.

關(guān)鍵詞：高鐵;運(yùn)營隧道;病害分析;整治措施;軟件建模

Key words： high-speed railway;operating tunnel;disease analysis;treatment measures;software modeling

中圖分類號：U457+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0073-08

0 ?引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)運(yùn)營里程逐年增加，既有運(yùn)營高鐵的檢測維護(hù)工作量越來越大，尤其是高速鐵路長大隧道因隧道長度大、維修天窗時(shí)間短，檢測和維修異常困難。根據(jù)調(diào)查，目前國內(nèi)高速鐵路運(yùn)營線隧道的主要病害為襯砌出現(xiàn)的縱橫向裂縫和二襯拱頂局部脫空。分析這些病害對隧道運(yùn)營安全的影響和研究一套快速成型的整治方法勢在必行。下面我就華南某高鐵隧道的病害整治進(jìn)行有限元建模分析，并針對運(yùn)營高鐵長大隧道的特點(diǎn)總結(jié)一套施工技術(shù)方案，為鐵路運(yùn)營養(yǎng)護(hù)單位和高鐵施工單位提供一種解決方案和思路，也為后續(xù)的高鐵隧道施工提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 ?工程概況

高鐵隧道位于國內(nèi)南方某市，總長度3620m，線間距4.6m，本段是丘陵剝蝕地貌，地形起伏較大，相對高差30～120m，上覆為第四系坡殘積層粉質(zhì)黏土（Q4dl+el），厚0～4m，下伏為燕山早期第一次侵入巖花崗巖（ηγ52（3）a）夾俘虜體侏羅系上統(tǒng)南園組凝灰熔巖（J3nb），節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。地下水主要為殘積層的孔隙水及基巖裂隙水，地下水不發(fā)育，地表水及地下水水質(zhì)對砼均具弱硫酸型酸性侵蝕及弱溶出型侵蝕。測區(qū)內(nèi)地震動峰值加速度0.1g。病害情況如表1所示。

2 ?隧道病害分析

2.1 模型建立

有限元數(shù)值模擬計(jì)算采用Midas/GTS有限元軟件計(jì)算。圍巖、襯砌以摩爾-庫倫準(zhǔn)則為屈服條件;襯砌發(fā)生裂縫的部位要對劃分的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。

計(jì)算模型模擬采用頂端巖層上覆厚度約為650m，隧道底板以下范圍取100m，左側(cè)和右側(cè)分別模擬500m巖石范圍，模型的邊界約束方向設(shè)定為從左至右假定為X方向，下部為Y方向，頂部假定設(shè)置為自由面。隧道的縱向裂縫建模及裂縫處的建模如圖1、圖2所示。橫向裂縫有限元計(jì)算模型及裂縫處理如圖3、圖4所示。頂板脫空有限元計(jì)算模型及裂縫處理如圖5、圖6所示。模擬過程中在隧道施工完畢后將裂縫及脫空單元采用鈍化功能來實(shí)現(xiàn)對裂縫的模擬。

2.2 計(jì)算結(jié)果判斷依據(jù)

考慮到縱向裂縫，橫向裂縫以及二襯脫空的影響，對縱向裂縫情況進(jìn)行了二維的有限元計(jì)算;對有橫向裂縫情況進(jìn)行了三維的有限元計(jì)算。考慮模擬過程中邊界效應(yīng)對計(jì)算結(jié)果的影響，模型在平面和縱向方面都建立足夠尺寸。對于橫向裂縫和二襯脫空情況，在三維模型的縱向方向上，盡量將缺陷部位設(shè)定在襯砌結(jié)構(gòu)的中間部位。

通過開挖支護(hù)的模擬計(jì)算，計(jì)算出二襯的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，從而按照鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的平截面假定來判斷二襯是否滿足要求。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的正截面承載力四個基本假定來進(jìn)行混凝土的參數(shù)選擇。

2.3 縱向裂縫計(jì)算結(jié)果

2.3.1 縱向裂縫驗(yàn)算模擬過程

模擬過程：①形成自重應(yīng)力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化裂縫單元。

2.3.2 縱向裂縫條件下初襯驗(yàn)算結(jié)果（圖7）

2.3.3 縱向裂縫條件下二襯驗(yàn)算結(jié)果（圖8）

2.4 橫向裂縫計(jì)算結(jié)果

2.4.1 橫向裂縫驗(yàn)算模擬過程

模擬過程：①形成自重應(yīng)力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化裂縫單元。

2.4.2 橫向裂縫條件下初襯驗(yàn)算結(jié)果（圖9）

2.4.3 橫向裂縫條件下二襯驗(yàn)算結(jié)果（圖10）

2.5 頂板脫空計(jì)算結(jié)果

2.5.1 頂板脫空驗(yàn)算模擬過程

模擬過程：①形成自重應(yīng)力場，位移清零;②開挖隧道土體;③形成初襯;④形成二襯;⑤鈍化脫空單元。

2.5.2 頂板脫空條件下初襯驗(yàn)算結(jié)果（圖11）

2.5.3 頂板脫空條件下二襯驗(yàn)算結(jié)果（圖12）

2.6 襯砌安全性評價(jià)

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）中規(guī)定：C25耐腐蝕混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值11.9MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27MPa。C20混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值9.6MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.1MPa。將2.3-2.6中初襯和二襯計(jì)算結(jié)果與《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的設(shè)計(jì)值進(jìn)行對比進(jìn)而判斷其安全性。

2.7 分析結(jié)論

①縱向裂縫條件下，初襯最大拉應(yīng)力為29kPa<1.1MPa，最大壓應(yīng)力為41kPa<9.6MPa，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，初襯強(qiáng)度能夠滿足要求。二襯最大拉應(yīng)力為13kPa<1.27MPa，最大壓應(yīng)力為26kPa<11.9MPa，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，二襯強(qiáng)度能夠滿足要求。

②橫向裂縫條件下，初襯最大拉應(yīng)力為179kPa<1.1MPa，最大壓應(yīng)力為1649kPa<9.6MPa，C20混凝土最大抗拉壓應(yīng)力分別為和，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，初襯強(qiáng)度能夠滿足要求。二襯最大拉應(yīng)力為16kPa<1.27MPa，最大壓應(yīng)力為20kPa<11.9MPa，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，二襯強(qiáng)度能夠滿足要求。

③頂板脫空條件下，初襯最大拉應(yīng)力為152kPa<1.1MPa，最大壓應(yīng)力為1403kPa<9.6MPa，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，初襯強(qiáng)度能夠滿足要求。二襯最大拉應(yīng)力為18kPa<1.27MPa，最大壓應(yīng)力為18kPa<11.9MPa，計(jì)算應(yīng)力小于規(guī)范應(yīng)力，二襯強(qiáng)度能夠滿足要求。

3 ?整治方案

3.1 作業(yè)平臺搭設(shè)

采用平板車作為運(yùn)輸工具，結(jié)合本次整改工作量和隧道長度綜合考慮，要求作業(yè)平臺自帶動力、剎車和絕緣裝置。

作業(yè)平臺采用拼裝式腳手架，腳手架每節(jié)搭設(shè)高度1.8m，并設(shè)人行上下梯步，頂部設(shè)置工作平臺，頂部工作平臺四側(cè)設(shè)置高度不小于1.0m的圍欄，確保作業(yè)人員的安全?？紤]到作業(yè)平臺較高，要求作業(yè)平臺設(shè)置四條纜風(fēng)繩，纜風(fēng)繩固定在鋼軌上，要求纜風(fēng)繩具有絕緣功能。腳手架不得直接放到鋼軌上，以防止溜滑，同時(shí)防止出現(xiàn)軌道短路出現(xiàn)紅光帶。（圖13）

3.2 隧道拱頂襯砌脫空及背后不密實(shí)病害處理

在二次襯砌位置從低到高每間隔1.5m確定一處鉆孔點(diǎn)，并在襯砌表面進(jìn)行標(biāo)識，當(dāng)空洞寬度超過1.5m時(shí)，每1.5m設(shè)置一個鉆孔點(diǎn)，每處空洞不少于3個鉆孔點(diǎn)。鉆孔采用沖擊鉆，深度深入脫空處或不密實(shí)處，結(jié)合襯砌評估報(bào)告鉆孔。采用工地上常規(guī)注漿材料，42mm鋼花管進(jìn)行注漿作業(yè)。

在鋼花管口安裝止?jié){閥門，灌漿先灌注空洞下部，依次向上灌注，水泥漿按P42.5水泥與水1：1比例配制，并加入適量水玻璃，水玻璃與水泥漿的比例為0.5：1，灌漿的壓力需要控制在0.3到0.5MPa之間，灌注過程要從低到高的壓力漸變控制，觀察高處的灌漿孔，有漿液溢出結(jié)束灌漿，封閉止?jié){閥。在灌注相鄰高處的鉆孔，一直到所有灌漿孔注滿為止。到最后一個灌漿孔時(shí)，注漿壓力逐漸提升到1.0MPa左右，直到不再進(jìn)漿為止。

注漿工作結(jié)束后組織驗(yàn)收，檢查合格方可拆除注漿嘴。空洞區(qū)域以及周邊1m范圍壁面進(jìn)行清理，先采用鋼絲刷清除表面附著物、油污及強(qiáng)度不足部分，并對突出部分進(jìn)行磨除，保持壁面平整，最后用毛刷清除粉塵，確保襯砌面干凈整潔。注漿前要做好各項(xiàng)工作準(zhǔn)備，雙倍配置注漿器材，一旦發(fā)生故障及時(shí)更換或排除，保證施工快速連續(xù)。具體設(shè)置見圖14。

3.3 裂縫處理

因隧道裂縫通過計(jì)算能夠滿足強(qiáng)度要求，處理裂縫的思路為采用環(huán)氧類高分子材料高壓灌注裂縫，保證裂縫處混凝土重新粘合完整，裂縫修補(bǔ)后強(qiáng)度超出原混凝土強(qiáng)度。主要工藝為采用單液高壓灌漿機(jī)配合灌漿針頭進(jìn)行高壓灌漿作業(yè)，先用高壓水清洗裂縫，并用高壓風(fēng)吹干，用膠封閉裂縫，用手持鉆機(jī)沿裂縫處每隔20cm鉆孔一處，鉆孔與混凝土面成45度角，打入注漿針頭，用扳手?jǐn)Q緊，全部打完后開始注漿作業(yè)，注漿前先把高分子材料A組分和B組分融合攪拌，加入注漿機(jī)，注入針頭，周圍針頭溢漿后，灌注下一針頭，從下到上，依次灌注。待強(qiáng)度達(dá)到要求時(shí)，取芯試驗(yàn)，檢驗(yàn)注漿成果。

3.4 操作流程

施工準(zhǔn)備→施工負(fù)責(zé)人向工務(wù)段調(diào)度員申請施工→工務(wù)段調(diào)度員下達(dá)給點(diǎn)命令→施工人員提前達(dá)到隧道進(jìn)口附近準(zhǔn)備，施工負(fù)責(zé)人清點(diǎn)人員、機(jī)具及材料，并編號→施工負(fù)責(zé)人接到進(jìn)洞許可后，帶領(lǐng)施工人員進(jìn)洞→施工負(fù)責(zé)人下達(dá)作業(yè)命令→搭設(shè)施工平臺→進(jìn)行病害整治施工作業(yè)→撤平臺、收拾現(xiàn)場，清點(diǎn)人員、機(jī)具及相關(guān)物品→工務(wù)段、供電段和施工單位檢查現(xiàn)場→提前15分鐘工人開始撤至安全區(qū)域→工務(wù)段調(diào)度員登記銷點(diǎn)。

4 ?結(jié)論

①在驗(yàn)算中縱向裂縫進(jìn)行二維驗(yàn)算。其余橫向裂縫和脫空根據(jù)其實(shí)際位置進(jìn)行三維驗(yàn)算。缺陷部位處于Ⅳ級圍巖條件下，模擬計(jì)算中采用地層結(jié)構(gòu)法，地下水情況，深部巖體水平應(yīng)力情況以及襯砌開裂機(jī)理和原因尚未知，故計(jì)算結(jié)果可能存在一定誤差。②既有設(shè)備安全關(guān)系到鐵路運(yùn)營安全，要求隧道病害的整治處理必須在絕對保證既有設(shè)備安全的前提下進(jìn)行。既有設(shè)備的防護(hù)主要有高壓接觸網(wǎng)及支架、洞內(nèi)照明線及設(shè)備、鋼軌及配件、道床、其他設(shè)備。③隧道襯砌拱頂脫空及縱橫向裂縫通過理論計(jì)算可以通過常規(guī)隧道整治方案來進(jìn)行整改，關(guān)鍵點(diǎn)在于運(yùn)營高鐵線維修天窗時(shí)間短，大多在深夜，對于物資運(yùn)輸及平臺搭設(shè)的時(shí)間盡量壓縮，需要對操作工人做長時(shí)間培訓(xùn)，并在線路外進(jìn)行多次演練，培訓(xùn)合格后方可上線作業(yè)，當(dāng)天整治工作完成后所有整治物資運(yùn)輸洞外安全區(qū)存放，不得在洞內(nèi)留存任何物資，避免發(fā)生因震動等原因造成物資位移影響行車安全。

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