高速鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)后錨固膠粘型錨栓可行性研究

向 榮

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

高速鐵路建設(shè)初期，鐵總工管中心和鑒定中心曾召集路內(nèi)設(shè)計(jì)、咨詢(xún)及施工等單位的專(zhuān)家，對(duì)高速鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)是采用預(yù)埋槽道，還是采用后置錨栓進(jìn)行過(guò)深入研討[1－2]。目前，高速鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)一般采用預(yù)埋槽道，通過(guò)近十年建設(shè)應(yīng)用，已成為高速鐵路接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。根據(jù)?高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范?[3]第8.1.1條，隧道主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為100年；?建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范?[4]第3.1.3條，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)采用50年基準(zhǔn)期。預(yù)埋槽道大多采用碳鋼材質(zhì)、熱浸鍍鋅防腐工藝，隧道內(nèi)空氣相對(duì)潮濕，碳鋼銹蝕難以避免，金屬槽道很難達(dá)到與隧道混凝土結(jié)構(gòu)同等壽命程度，只能更換接觸網(wǎng)基礎(chǔ)。因此，為尋找更換槽道的方法，研究人員對(duì)槽道結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行了充分研究，如更改錨桿型式，使之具備可更換功能[5]；改變槽道本體與錨桿連接方式的可拆卸或可更換式槽道[6－7]；錨桿外部設(shè)置套管的地鐵用可更換式槽道[8]等，但以上幾種結(jié)構(gòu)均無(wú)工程應(yīng)用。另外，建設(shè)過(guò)程中隧道內(nèi)預(yù)埋槽道出現(xiàn)不平行或精度差等質(zhì)量問(wèn)題[9－10]時(shí)，常采用外置槽道[11]方案。

面對(duì)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)與隧道主體結(jié)構(gòu)存在的壽命周期差異的問(wèn)題，后隧道時(shí)代，如何處理到使用期限后的高速鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)，不能鑿?fù)谒淼纴?lái)重新預(yù)埋槽道，后錨固就成為了必然，后錨固膠粘型錨栓能否成為預(yù)埋槽道失效后的主要技術(shù)方案，有必要對(duì)此進(jìn)行深入研究。

本文選取時(shí)速350 km客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)隧道內(nèi)接觸網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，參考鐵路工程建設(shè)通用參考圖?時(shí)速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖?[12]的接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算接觸網(wǎng)中間柱吊柱、接觸懸掛下錨底座處的荷載(AF線(xiàn)吊柱可參照中間柱吊柱進(jìn)行設(shè)計(jì))。根據(jù)荷載進(jìn)行錨栓受力理論計(jì)算，提供工程實(shí)例，為后錨固膠粘型錨栓選型應(yīng)用提供支撐。

2 計(jì)算中間柱吊柱、下錨底座的負(fù)載

2.1 接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)

牽引供電方式為AT供電，接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性直鏈型懸掛。接觸網(wǎng)的線(xiàn)索規(guī)格、額定張力、氣象條件及單位質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)相關(guān)參數(shù)

2.2 吊柱、下錨底座負(fù)載計(jì)算

吊柱負(fù)載指在工作狀態(tài)下，吊柱基礎(chǔ)底面處(隧道面)可能出現(xiàn)的最大彎矩，吊柱負(fù)載計(jì)算就是計(jì)算該最大彎矩值，其目的是根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)能夠承受負(fù)載的基礎(chǔ)。

隧道內(nèi)，接觸懸掛的工作支和非工作支一般分開(kāi)懸掛在不同的吊柱上，即接觸網(wǎng)腕臂安裝為中間柱形式；平面布置時(shí)，接觸懸掛吊柱與附加懸掛吊柱順線(xiàn)路方向錯(cuò)開(kāi)布置，不同吊柱安裝。因此，依據(jù)表1數(shù)據(jù)對(duì)中間柱吊柱、下錨底座進(jìn)行負(fù)載計(jì)算，其接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

圖1 接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式

表2 中間柱吊柱結(jié)構(gòu)尺寸mm

根據(jù)接觸懸掛相關(guān)力學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算，負(fù)載計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 中間柱吊柱、下錨底座負(fù)載

3 錨栓受力計(jì)算

3.1 隧道二次襯砌參數(shù)

錨栓錨固于隧道二次襯砌之上，其厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋規(guī)格等均與錨栓計(jì)算有關(guān)。參考鐵路工程建設(shè)通用參考圖?時(shí)速350 km客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)雙線(xiàn)鐵路隧道復(fù)合式襯砌?[13]，隧道二次襯砌參數(shù)如表4所示。

表4 隧道二次襯砌參數(shù)

由表4可知，襯砌的混凝土標(biāo)號(hào)在C30以上，拱墻厚度大于300 mm，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，可滿(mǎn)足接觸網(wǎng)基礎(chǔ)的需要。在設(shè)計(jì)時(shí)，接觸網(wǎng)專(zhuān)業(yè)將需要設(shè)基礎(chǔ)的位置及埋深提給隧道專(zhuān)業(yè)，隧道專(zhuān)業(yè)根據(jù)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)位置情況，考慮如二次襯砌厚度不夠時(shí)，一般將厚度提至500 mm左右；如為隧道素混凝土二襯結(jié)構(gòu)時(shí)，進(jìn)行接觸網(wǎng)基礎(chǔ)部位襯砌鋼筋網(wǎng)片及三肢鋼架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)荷載計(jì)算

中間柱吊柱設(shè)計(jì)常采用(320×480)mm四栓矩形布置，下錨底座設(shè)計(jì)常采用(500×550)mm四栓矩形布置，據(jù)此分別計(jì)算群錨錨栓受拉、受剪和拉剪復(fù)合承載力。經(jīng)錨栓計(jì)算軟件計(jì)算錨栓需承受的剪力、軸向拉力、彎矩值，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)荷載如表5所示。

表5 接觸網(wǎng)基礎(chǔ)荷載

3.2.1 群錨錨栓受拉計(jì)算

根據(jù)?混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程?[14]，采用承載能力極限狀態(tài)計(jì)算法相關(guān)公式進(jìn)行群錨錨栓受拉計(jì)算。

(1)群錨錨栓受拉承載力應(yīng)符合式(1)、式(2)規(guī)定:

式中:為群錨中拉力最大錨栓的拉力設(shè)計(jì)值，N；為群錨受拉區(qū)總拉力設(shè)計(jì)值，N；N為錨栓鋼Rd，s材破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值，N；NRd，c為混凝土錐體破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值，N。

(2)錨栓鋼材破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值按式(3)、式(4)計(jì)算:

式中:NRk，s為錨栓鋼材破壞受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值，N；γRs，N為錨栓鋼材破壞受拉承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；As為錨栓應(yīng)力截面面積，mm2；fyk為錨栓屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2。

(3)混凝土錐體破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值按式(5)～式(7)計(jì)算:

對(duì)于開(kāi)裂混凝土:

式中:NRk，c為混凝土錐體破壞受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值，N；為單根錨栓受拉時(shí)，混凝土理想錐體破壞受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值，N；γRc，N為混凝土錐體破壞受拉承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.5；fcu，k為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2；hef為錨栓有效錨固深度，mm；A0c，N 為單根錨栓受拉且無(wú)間距、邊距影響時(shí)，混凝土理想錐體破壞投影面面積，mm2；Ac，N為單根錨栓或群錨受拉時(shí)，混凝土實(shí)際錐體破壞投影面面積，mm2；ψs，N為邊距c對(duì)受拉承載力的影響系數(shù)，取1.0；ψre，N為混凝土因密集配筋的剝離作用對(duì)受拉承載力的影響系數(shù)，取1.0；ψec，N為荷載偏心eN對(duì)受拉承載力的影響系數(shù)，取1.0。

3.2.2 群錨錨栓受剪計(jì)算

根據(jù)隧道吊柱安裝條件，錨栓邊距通過(guò)調(diào)整安裝位置達(dá)到大于10hef，所有錨栓均勻分?jǐn)偧羟泻奢d，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，按此條件進(jìn)行群錨錨栓受剪計(jì)算。

(1)群錨錨栓受剪承載力應(yīng)符合式(8)、式(9)規(guī)定:

式中:為群錨中剪力最大錨栓的剪力設(shè)計(jì)值，N；為群錨總剪力設(shè)計(jì)值，N；V為錨栓鋼材破壞受Rd，s剪承載力設(shè)計(jì)值，N；VRd，c為混凝土邊緣破壞受拉承載力設(shè)計(jì)值，N。

(2)錨栓鋼材破壞受剪承載力設(shè)計(jì)值按式(10)、式(11)計(jì)算:

式中:NRk，s為錨栓鋼材破壞受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值，N；γRs，V為錨栓鋼材破壞受剪承載力分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；As為錨栓應(yīng)力截面面積，mm2；fyk為錨栓屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，N/mm2。

利用以上公式及錨栓計(jì)算軟件，對(duì)中間柱吊柱基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如下:

群錨中拉力最大錨栓的拉力設(shè)計(jì)值＝23.63 kN。

群錨受拉區(qū)總拉力設(shè)計(jì)值＝47.26 kN。

群錨中剪力最大錨栓的剪力設(shè)計(jì)值＝0.86 kN。

群錨總剪力設(shè)計(jì)值＝3.44 kN。

同理，對(duì)下錨底座基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表6所示。

表6 錨栓受力設(shè)計(jì)計(jì)算值 kN

3.2.3 拉剪復(fù)合承載力驗(yàn)算

(1)拉剪復(fù)合受力下，錨栓鋼材破壞承載力按下式驗(yàn)算:

(2)拉剪復(fù)合受力下，混凝土破壞承載力按下式驗(yàn)算:

根據(jù)?電氣化鐵路接觸網(wǎng)用力矩控制式膠粘型錨栓?[15]選用錨栓，參考在鐵路成熟應(yīng)用的相關(guān)品牌的力矩控制式膠粘型、材質(zhì)為碳鋼8.8級(jí)的錨栓設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)式(12)、式(13)拉剪復(fù)合最不利情況下，驗(yàn)算錨栓鋼材破壞和混凝土破壞承載力是否滿(mǎn)足要求，計(jì)算結(jié)果如表7、表8所示。

表7 中間柱吊柱錨栓承載力驗(yàn)算

表8 下錨底座錨栓承載能力驗(yàn)算

4 錨栓計(jì)算結(jié)論分析

以中間柱吊柱M16錨栓為例進(jìn)行分析，錨栓的拉剪復(fù)合驗(yàn)算利用率為45.8%，表明冗余充分。根據(jù)表7、表8可知:鋼材受拉破壞最大利用率為29.3%，鋼材受剪破壞最大利用率為15.2%，混凝土錐體受拉破壞最大利用率為54.5%。據(jù)以上分析可知，研究選用的力矩控制式膠粘型錨栓承載能力滿(mǎn)足要求。

為了便于管理和施工，工程設(shè)計(jì)時(shí)錨栓規(guī)格應(yīng)盡量統(tǒng)一，考慮安全，建議拉剪復(fù)合利用率控制在60%～70%以下，保留40%～30%以上的冗余度。根據(jù)以上研究，綜合高速鐵路隧道二襯混凝土基材厚度(最小厚度300 mm)條件和其他需求(如安全、防火、抗震)，推薦力矩控制式膠粘型M16×125 mm或M20×170 mm兩款錨栓作為接觸網(wǎng)基礎(chǔ)。

除上述承載力計(jì)算外，還應(yīng)考核力矩控制式膠粘型錨栓的膠粘劑、螺桿的性能，尤其是在特殊的環(huán)境下，如高濕熱、沿海等環(huán)境，需要評(píng)估長(zhǎng)期應(yīng)力下環(huán)境對(duì)產(chǎn)品耐久性的影響。

5 工程案例

案例1:合肥至蚌埠鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)。東蘆山隧道全長(zhǎng)1 366 m，設(shè)計(jì)時(shí)速350 km。接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性直鏈型懸掛，接觸網(wǎng)基礎(chǔ)全部采用后錨固膠粘型錨栓M20×250，自2010年開(kāi)通十年來(lái)運(yùn)行良好。

案例2:淮蕭客車(chē)聯(lián)絡(luò)線(xiàn)。古尚村隧道全長(zhǎng)2 380 m，設(shè)計(jì)時(shí)速250 km。接觸網(wǎng)采用全補(bǔ)償彈性直鏈型懸掛。原設(shè)計(jì)為預(yù)埋槽道，隧道施工完成后存在諸多問(wèn)題，導(dǎo)致接觸網(wǎng)設(shè)備無(wú)法安裝；后全部改為外置槽道，固定外置槽道的錨栓采用力矩控制式膠粘型錨栓M20×170 mm，2017年開(kāi)通以來(lái)運(yùn)行良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)后錨固膠粘型錨栓可滿(mǎn)足高速鐵路運(yùn)營(yíng)要求，用后錨固膠粘型錨栓基礎(chǔ)(錨栓組或外置槽道錨栓組)更換達(dá)到壽命周期后的預(yù)埋槽道基礎(chǔ)，技術(shù)方案可行。

(2)對(duì)于目前常用的錨栓匹配外置槽道方案，其應(yīng)用的錨栓數(shù)量較多，一套中間柱吊柱外置槽道配力矩控制式膠粘型錨栓約30套。施工打孔數(shù)量多，安裝時(shí)間長(zhǎng)，再加上膠粘劑的固化時(shí)間，需天窗點(diǎn)的時(shí)間更多，對(duì)于運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路的施工成本非常高。后置錨栓組在降低施工成本的同時(shí)，縮短了對(duì)天窗點(diǎn)的要求。

(3)本文的研究結(jié)果可為既有隧道內(nèi)接觸網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、施工和事故搶修等提供技術(shù)支撐。