高強(qiáng)絕緣防護(hù)網(wǎng)在電氣化鐵路無襯砌隧道加固中的應(yīng)用

唐文龍,邢建鑫,郭 威

(1.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100860；2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司 北京西工務(wù)段，北京 102300)

1 工程概況

受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，我國在解放前和解放初期修建了部分無襯砌隧道，俗稱“毛洞子”。一般來說，無襯砌隧道適用于Ⅰ，Ⅱ級(jí)圍巖地段，運(yùn)營初期依靠巖石的自穩(wěn)能力結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的。但隨著圍巖應(yīng)力釋放、巖石風(fēng)化、巖層裂隙發(fā)育、雨水浸潤、凍脹等自然狀況發(fā)展，加之地震、人為活動(dòng)、列車振動(dòng)等不利因素的作用，隧道內(nèi)圍巖松動(dòng)、表層巖層風(fēng)化剝落、局部巖石掉塊脫落、噴錨層掉落等病害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅行車安全[1-2]。

豐沙線8號(hào)隧道位于豐沙上行線斜河澗站—落坡嶺站區(qū)間，修建于1952年，中心里程為K28+699。隧道全長575.1 m，隧道內(nèi)線路為直線，坡度為10‰。該隧道位于電氣化區(qū)段。隧道內(nèi)距離進(jìn)洞口(北京至沙城方向)0～108 m,163～170 m,546～575 m有襯砌。而108～163 m,170～233 m,322～380 m,383～420 m,437～546 m為無襯砌段。無襯砌段隧洞寬約5.4 m,洞內(nèi)拱頂高度約6.5 m。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)地調(diào)查，隧道內(nèi)危石危害主要分布在Ⅱ級(jí)圍巖局部破碎的洞頂部位，土石方量一般0.2～0.4 m3，已墜落部位如150 m處洞頂，危石單個(gè)尺寸約1.0 m×0.5 m×0.6 m，具體情況見表1。

在隧道拱頂局部存在掉塊現(xiàn)象。根據(jù)工務(wù)段歷年檢查觀測記錄，豐沙線上行8號(hào)隧道歷年落石情況見表2。

表1 隧道內(nèi)情況調(diào)查結(jié)果

表2 豐沙線上行8號(hào)隧道歷年落石情況

經(jīng)現(xiàn)場勘查，該隧道存在局部軟弱夾層，灰?guī)r層間局部存在片理化軟弱薄層。片理化薄層本身強(qiáng)度和密度很低，風(fēng)蝕干燥條件下易風(fēng)化變成粉末狀，從而形成裂隙;潮濕條件下遇水軟化變成流塑狀,在石灰?guī)r間形成潤滑劑，造成局部地段圍巖掉塊。局部節(jié)理裂隙發(fā)育，洞頂危石及側(cè)壁欠穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體主要由裂隙控制，一般由3條裂隙斜向上切割貫通，使得頂面呈楔形的結(jié)構(gòu)體與圍巖分離，在風(fēng)化作用、振動(dòng)作用及地下裂隙水的影響下，使結(jié)構(gòu)體與圍巖連接力完全喪失而墜落。

由于上述原因，隧道內(nèi)圍巖的整體穩(wěn)定性降低，許多地段巖體松動(dòng)甚至剝落(如圖1)，被切割的塊狀巖體之間的約束能力降低，形成危石，嚴(yán)重威脅行車安全，須盡快治理。

圖1 無襯砌隧道及落石照片

2 采取的整治措施及問題

為了保證行車安全，維護(hù)部門采取了如下措施對無襯砌隧道病害進(jìn)行整治[3]：①排查、清掃危石。配備強(qiáng)光手電人工檢查，用檢查桿探查或搭設(shè)檢查腳手架對拱頂予以敲擊檢查，對發(fā)現(xiàn)的危石作出標(biāo)記，定期觀測，情況嚴(yán)重時(shí)再利用天窗點(diǎn)進(jìn)行清理。②采用工程技術(shù)措施進(jìn)行加固,如增加模筑混凝土襯砌、掛網(wǎng)噴錨加固、局部錨桿固化、吊掛膠皮、錨桿和金屬網(wǎng)加固等[4]。通過整治，在一定程度上遏制了無襯砌隧道病害的發(fā)展。

在多年的圍巖病害整治實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)上述無襯砌隧道病害整治方式存在很多局限性:①模筑加固(加設(shè)襯砌)是最徹底的加固方法，但受隧道限界的限制，且在運(yùn)營線施工行車干擾大，工程周期長，在既有線施工受到很大的制約。②掛網(wǎng)噴錨加固雖然在新隧道技術(shù)成熟，但由于運(yùn)營線隧道很難將圍巖表面清理干凈，噴射混凝土質(zhì)量難以保證。③吊掛膠皮將風(fēng)化剝落的巖石碎屑兜在膠皮內(nèi)，隨著膠皮年久老化及聚集的碎石越來越多，在重力作用下會(huì)造成膠皮脫落。④金屬防護(hù)網(wǎng)加固，在電氣化隧道須與供電和各種電纜設(shè)備保持安全距離，須將網(wǎng)片裁剪成塊因而整體性較差，且金屬網(wǎng)片會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電，須將網(wǎng)片接地放電，給隧道內(nèi)檢查作業(yè)帶來安全隱患。

鑒于以上問題，下文介紹一種高強(qiáng)、絕緣、防腐、阻燃的防護(hù)網(wǎng)。它非常適合電氣化區(qū)段無襯砌隧道的加固。

3 高強(qiáng)絕緣防護(hù)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)組成和性能指標(biāo)

3.1 結(jié)構(gòu)組成

防護(hù)網(wǎng)主要由網(wǎng)目繩、網(wǎng)綱繩和細(xì)繩組成。

網(wǎng)目繩由12股纖維編織而成，根據(jù)每股纖維的粗細(xì)不同可將網(wǎng)目繩編織成直徑3,4,5 mm等規(guī)格。將網(wǎng)目繩按照網(wǎng)眼尺寸6 cm×6 cm編織成網(wǎng)片(如圖2)，網(wǎng)片大小可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。

圖2 高強(qiáng)絕緣防護(hù)網(wǎng)片

網(wǎng)綱繩編織時(shí)所用的纖維較粗，主要是將網(wǎng)片受力分散并傳遞給錨桿，增加了整個(gè)網(wǎng)片在使用中的整體穩(wěn)定性，可編織成直徑9,10 mm規(guī)格。

細(xì)繩編織時(shí)所用的纖維較細(xì)，在防護(hù)網(wǎng)中主要起到固定網(wǎng)目繩和網(wǎng)綱繩的作用，也增加了網(wǎng)片的整體性能。直徑為1.0,1.5 mm的細(xì)繩即可滿足生產(chǎn)需要。

3.2 性能指標(biāo)

3.2.1 強(qiáng)度高

分別取型號(hào)為EJ04，EJ05的絕緣防護(hù)網(wǎng)樣品(2.5 m×2.5 m)各2片和金屬防護(hù)網(wǎng)樣品(2.5 m×2.5 m)[5-6]1片，采用100 t頂破拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。2016年2月1日試驗(yàn)測得網(wǎng)片的頂破試驗(yàn)曲線見圖3。

圖3 3種防護(hù)網(wǎng)頂破試驗(yàn)曲線

由圖3可得到防護(hù)網(wǎng)的頂破力。頂破試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 頂破試驗(yàn)結(jié)果

由表3可見，絕緣防護(hù)網(wǎng)與金屬防護(hù)網(wǎng)在非電氣化鐵路隧道無襯砌加固地段，均能夠抵擋重量70 kN以內(nèi)的落石，對既有線無襯砌隧道發(fā)生的碎石掉落能夠起到有效攔截作用。

3.2.2 密度低

絕緣防護(hù)網(wǎng)所采用的芳綸材料密度低。以3.0 m×3.5 m相同大小的金屬防護(hù)網(wǎng)和絕緣防護(hù)網(wǎng)進(jìn)行比較，金屬防護(hù)網(wǎng)質(zhì)量為20.0 kg，而絕緣防護(hù)網(wǎng)只有7.5 kg。因此，絕緣防護(hù)網(wǎng)在材料運(yùn)送、掛網(wǎng)操作等施工過程中更為便捷。

3.2.3 絕緣性能良好

1)不導(dǎo)電。取絕緣防護(hù)網(wǎng)片試驗(yàn)樣品采用 100 kV 介電強(qiáng)度測試儀進(jìn)行測試。結(jié)果顯示，防護(hù)網(wǎng)繩擊穿電壓均大于35 kV(大于鐵路供電設(shè)備電壓27.5 kV)，不具有導(dǎo)電性。

2)高電阻。取絕緣防護(hù)網(wǎng)片試驗(yàn)樣品采用數(shù)字高阻計(jì)進(jìn)行電阻測試。結(jié)果顯示，電阻均大于3.2×109Ω，說明絕緣防護(hù)網(wǎng)片位于絕緣體之列，具有良好的絕緣性能。

在電氣化鐵路隧道無襯砌地段，采用金屬防護(hù)網(wǎng)時(shí)，受鐵路電氣化影響較大，網(wǎng)片容易產(chǎn)生感應(yīng)電，在施工和運(yùn)營期間都存在人身和行車安全隱患。而芳綸防護(hù)網(wǎng)良好的絕緣性能，在電氣化鐵路隧道無襯砌地段進(jìn)行加固時(shí)，不需考慮與供電和各種電纜設(shè)備的安全距離，不需裁剪，整體性好，施工結(jié)束后網(wǎng)片不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電，不需要將其接地放電。

3.2.4 阻燃性能良好

取芳綸防護(hù)網(wǎng)片試驗(yàn)樣品采用UL94耐燃燒試驗(yàn)裝置進(jìn)行測試，測試?yán)m(xù)燃時(shí)間、引燃時(shí)間、滴落物等。水平燃燒測試結(jié)果表明，火焰前端均未超過25 mm。垂直燃燒測試結(jié)果表明：防護(hù)網(wǎng)初始引燃后10 s內(nèi)均無滴落，均未引燃棉絮;二次引燃后10 s內(nèi)仍無滴落，未引燃棉絮且續(xù)燃加陰燃長度未達(dá)到夾持點(diǎn)。

測試結(jié)果顯示，防護(hù)網(wǎng)繩水平燃燒和垂直燃燒均處于HB和V-0水平級(jí)別，即不燃燒，說明其具有良好的阻燃性能。芳綸材料不同于人們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降哪猃埐牧?，它不具有燃燒性能，反而阻燃?/p>

3.2.5 耐腐蝕性能良好

取經(jīng)過海水浸泡2年的芳綸纖維樣品，采用Instron拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，測量纖維在海水浸泡前后的拉伸強(qiáng)度，測試結(jié)果見表4。

表4 耐腐蝕性能測試結(jié)果

由表4可知，防護(hù)網(wǎng)繩經(jīng)過海水浸泡前后斷裂強(qiáng)度及延伸率無明顯降低(下降幅度<15%)，說明耐腐蝕性能良好。

4 施工工藝

4.1 施工順序與方法

1)清理圍巖表面

規(guī)整隧道襯砌邊界，清除浮土，清理松散圍巖，保證錨桿的有效性和端部穩(wěn)定性。

2)布置錨桿孔位

以拱部中心線為基準(zhǔn)線，放線布置錨桿孔位，宜設(shè)于天然凹坑處。

3)鉆孔作業(yè)

①鉆孔。根據(jù)圍巖風(fēng)化松散程度進(jìn)行深度設(shè)計(jì)，鉆鑿錨桿孔，孔徑不應(yīng)小于32 mm，深度宜略大于錨桿長度。鉆孔順序宜先上后下。鉆孔時(shí)，錨桿應(yīng)盡可能垂直于隧道圍巖表面且與水平面的夾角不應(yīng)小于15°。②清孔。鉆孔完成后應(yīng)清理孔內(nèi)殘?jiān)Ｒ瞬捎酶邏猴L(fēng)清孔，可避免用水清孔時(shí)對帶電設(shè)備的不良影響。

4)安裝錨桿并注漿

①安裝錨桿。檢查錨桿通透性，若堵塞及時(shí)處理。錨桿設(shè)固定裝置，保證錨桿在孔內(nèi)的中心，不與孔壁相接觸。設(shè)置6 mm硬塑排氣管，與錨桿捆綁安裝一同插入孔內(nèi)。排氣管上端應(yīng)高于錨桿出漿口且不能頂住巖石影響排氣，下端應(yīng)外露，保證排氣。清理錨桿頭并使其裸露長度為10～18 cm?？卓谟迷鐝?qiáng)型錨固劑封堵。②注漿。待封口錨固劑達(dá)到強(qiáng)度后，經(jīng)中空錨桿向孔內(nèi)注漿。注漿采用加固型TGRM水泥基特種灌漿料，注漿壓力不宜大于2 kPa，孔內(nèi)漿液由下而上把孔內(nèi)空氣經(jīng)排氣管擠壓排出，當(dāng)排氣管口流出注漿液，可確定孔內(nèi)漿液飽滿(注漿可多次灌注，間隔1～3 min)，停止注漿。③養(yǎng)護(hù)。為確保注漿料達(dá)到使用強(qiáng)度，在進(jìn)行下一道工序前注漿體養(yǎng)護(hù)不少于3 d。

5)鋪設(shè)芳綸防護(hù)網(wǎng)

①鋪網(wǎng)。根據(jù)拱頂實(shí)際情況及設(shè)計(jì)要求，合理定制網(wǎng)片大小,設(shè)置網(wǎng)片具體位置。鋪網(wǎng)時(shí)應(yīng)始終從同一端向另一端鋪設(shè)(由上而下)，保證端部順直。鋪網(wǎng)要緊貼圍巖表面，保證緊繃。②縫合連接。相鄰網(wǎng)片的邊沿網(wǎng)孔間采用φ9網(wǎng)繩進(jìn)行縫合。

6)錨墊板安裝

安裝錨墊板，并擰緊螺母施加預(yù)應(yīng)力，使芳綸防護(hù)網(wǎng)張緊并緊貼圍巖表面，網(wǎng)片邊緣搭接部位縫合繩必須有錨墊板進(jìn)行卡壓,螺母須作防脫設(shè)計(jì)并可拆卸，以方便后期使用中清理落石。

4.2 施工流程

施工準(zhǔn)備→清理風(fēng)化圍巖表面→布置錨桿孔位→鉆孔→清孔→安裝錨桿、封錨→注漿、養(yǎng)護(hù)→鋪設(shè)芳綸防護(hù)網(wǎng)→安裝錨墊板、防脫螺母。

4.3 施工注意事項(xiàng)

①施工應(yīng)在封閉點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行，嚴(yán)格按照相關(guān)鐵路施工規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。②芳綸防護(hù)網(wǎng)施工作業(yè)，施工人員必須經(jīng)嚴(yán)格培訓(xùn)后方能上崗操作。③確保作業(yè)機(jī)具、材料碼放整齊，不得侵限，保證列車運(yùn)行安全。④施工過程中必須做好各項(xiàng)安全措施，確保施工和人身安全。⑤芳綸防護(hù)網(wǎng)施工采用中空式注漿錨桿，錨桿長1.0～1.5 m。⑥錨桿間距可以適當(dāng)調(diào)整，錨桿孔位不能位于可能因鉆孔作業(yè)而發(fā)生掉落的巖塊上，同時(shí)也要避開隧道壁面上局部凸起的巖體和貫通裂縫。⑦在電氣化區(qū)段施工時(shí)供電臂絕緣子附近錨桿打眼和注漿過程中，要對接觸網(wǎng)供電臂絕緣子進(jìn)行防護(hù)，注漿完成后要對其進(jìn)行清理。

豐沙線上行8號(hào)隧道已完成的絕緣防護(hù)網(wǎng)加固工程效果如圖4，目前使用良好。

圖4 豐沙線上行8號(hào)隧道絕緣防護(hù)網(wǎng)施工后

5 結(jié)語

芳綸防護(hù)網(wǎng)較好地避免了金屬防護(hù)網(wǎng)在電氣化隧道無襯砌區(qū)段加固施工時(shí)的不安全因素。其施工便捷，不用考慮與供電和各種電纜設(shè)備的安全距離，不必裁剪，整體性好，使用中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電，不必將網(wǎng)片接地放電，解決了施工中和使用時(shí)對人身和行車構(gòu)成的安全隱患。