鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道環(huán)境適應(yīng)性研究

余 綱

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

我國中西部地區(qū)地形復(fù)雜，隧道占比較大，近年開通的西成客專、寶蘭客專隧道比均大于50%，在建的西康高鐵隧道比高達(dá)83.1%。隧道內(nèi)槽道預(yù)埋、接觸網(wǎng)設(shè)備安裝施工及運營維護(hù)環(huán)境條件差，接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)與隧道接口方式尤為重要，設(shè)計過程中更需充分考慮接口協(xié)同的適應(yīng)性、安全性、可靠性及耐久性。

1.1 影響接觸網(wǎng)槽道預(yù)埋環(huán)境因素

1.1.1 地震

中國地域遼闊，地震分布范圍大，地震頻率高，2005年至2020年，年平均5級以上地震大于30次，2008年達(dá)到了97次[1]，接觸網(wǎng)槽道預(yù)埋應(yīng)考慮地震對設(shè)備的影響。

1.1.2 高地溫和高溫?zé)崴?/p>

我國西部地區(qū)鐵路隧道埋深普遍較大，因地層內(nèi)部巖層巖漿等熱源、增溫層的存在，隧道二襯內(nèi)高地溫、高溫?zé)崴F(xiàn)象較常見。在建大瑞鐵路高黎貢山隧道地溫大于75 ℃，地表露出水溫接近100 ℃[2-3]。

高地溫產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力可能引起襯砌開裂，預(yù)埋件機械、力學(xué)性能削弱，對結(jié)構(gòu)安全及耐久性不利，持久的地?zé)嵋矊﹁F路隧道的安全運營有一定影響[4]。

1.2 高濕度

山區(qū)鐵路多處于人煙稀少地區(qū)，沿線常無化工類污染源，環(huán)境污穢等級不高，但受大氣暖流、海洋次生氣候及濕度條件等影響，顯著特點是降雨量較大，植被較好，高濕度效應(yīng)明顯，部分山區(qū)鐵路濕度見表1。

表1 鐵路沿線濕度參數(shù)

2 環(huán)境條件對預(yù)埋槽道基礎(chǔ)影響

2.1 預(yù)埋槽道的優(yōu)勢

接觸網(wǎng)專業(yè)與隧道專業(yè)接口設(shè)計，須綜合考慮安裝精度可控、綜合接地系統(tǒng)可靠、隧道內(nèi)列車活塞風(fēng)效應(yīng)(風(fēng)負(fù)壓響應(yīng))及低頻振動對設(shè)備的影響等。因此，該鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)的設(shè)備及構(gòu)筑物與隧道壁連接均采用預(yù)埋槽道方式[5]，能有效避免后期后植錨栓施工對隧道二次襯砌的破壞與擾動。

預(yù)埋槽道主要依靠錨桿與隧道頂部二次襯砌混凝土之間的握裹力為接觸網(wǎng)提供一個受力平臺，支撐接觸網(wǎng)吊柱、附加導(dǎo)線懸掛等，接觸網(wǎng)及支持結(jié)構(gòu)的自重靜載和列車行駛中與接觸網(wǎng)摩擦產(chǎn)生的動載均通過錨桿傳遞至隧道拱璧，不會產(chǎn)生混凝土錐體破壞的風(fēng)險。

2.2 預(yù)埋槽道設(shè)計及其影響因素

我國時速250 km及以上線路，隧道內(nèi)接觸網(wǎng)設(shè)備固定多采用預(yù)埋槽道方式。預(yù)埋槽道設(shè)計需結(jié)合工程特點和項目的差異性，進(jìn)行合理選材和構(gòu)造選型。隧道所處的特殊環(huán)境條件對預(yù)埋槽道選型設(shè)計及施工均有較大影響，前期設(shè)計中有必要進(jìn)行有針對性的綜合分析和研究，主要考慮因素為地溫(熱)、濕度、地震等[6-7]。

3 預(yù)埋槽道基礎(chǔ)的綜合性能分析

3.1 地溫(熱)影響

高地溫隧道處混凝土及其預(yù)埋件因表面溫度的不同，設(shè)計時應(yīng)考慮溫差引起的性能陡變與折減及對預(yù)埋槽道的耐久性影響。

3.1.1 鋼筋(錨桿)

按預(yù)埋件設(shè)計規(guī)定，混凝土表面溫度達(dá)到100 ℃時候，混凝土內(nèi)受力鋼筋應(yīng)采用Ⅱ級帶肋鋼筋，屈服不得低于355 MPa，當(dāng)?shù)販?00 ℃時，由于鋼筋的鐵素體特性，其表面溫度高于100 ℃，鋼材性能也有一定折減，折減量見表2。因此，在設(shè)計過程中應(yīng)根據(jù)環(huán)境與溫度差異考慮保證其安全裕度。

表2 鋼材不同溫度下的折減 MPa

從表2可知，100 ℃左右，Q355的鋼材屈服強度降低約10%。為避免鋼材溫度效應(yīng)中的晶格變化，高地溫(熱)反應(yīng)區(qū)段，預(yù)埋錨桿不得采用冷加工鋼，直徑不得小于10 mm，且截面積不得小于78.5 mm2。

3.1.2 混凝土基材

接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道與混凝土(C30)握裹力校核時，須考慮高地溫(熱)對構(gòu)件壽命與耐久性的折減。混凝土表面溫度60～150 ℃時，溫度影響下軸心受壓、受拉強度設(shè)計值均有變化，見表3。

表3 混凝土不同溫度下的折減

3.1.3 預(yù)埋槽道抗剪切影響系數(shù)

接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道設(shè)計應(yīng)結(jié)合接觸網(wǎng)使用工況與隧道襯砌的實際狀態(tài)進(jìn)行綜合分析，過程中須根據(jù)環(huán)境及外界激勵，充分考慮預(yù)埋材質(zhì)和基材性能的折減，其中，承載抗剪切折減系數(shù)av計算與混凝土軸心受壓強度相關(guān)。

(1)

式中，av為錨筋(錨桿)受剪切承載系數(shù)；d為錨筋直徑；fc為混凝土軸心抗壓設(shè)計值，高地溫折減；fy為錨桿屈服強度設(shè)計值，高地溫折減。

槽道錨桿承載力受溫度影響系數(shù)計算結(jié)果見圖1。

圖1 錨桿承載力溫度影響系數(shù)av

3.2 地震荷載作用

接觸網(wǎng)槽道設(shè)計過程中，根據(jù)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》及GB 50111—2006《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，應(yīng)對隧道內(nèi)預(yù)埋構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計及驗算。

接觸網(wǎng)槽道90%的受力截面均預(yù)埋于隧道二次襯砌內(nèi)，無相對滑移，突出構(gòu)筑物頂面的小型結(jié)構(gòu)部分宜采用底部剪力法計算。因此，槽道的地震影響主要是隧道主體結(jié)構(gòu)抗震及與其連接的接觸網(wǎng)吊柱抗震響應(yīng)，槽道主體結(jié)構(gòu)可不做驗算，但吊柱地震反應(yīng)不能忽略。

3.2.1 截面抗震

地震作用按照方向及作用類別有水平地震荷載和豎向地震荷載，9度非特殊結(jié)構(gòu)可不計算豎向地震荷載，采用單質(zhì)點體系驗算地震烈度為9度水平地震[8]。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合，截面抗震應(yīng)按下式計算。

S=γGSGE+γEhSEhk+γEυSEυk+ψwγwSwk

(2)

式中，S為結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力組合的設(shè)計值，包括組合彎矩、軸向力和剪力設(shè)計值等；γG為重力荷載分項系數(shù)，一般情況應(yīng)采用1.2，當(dāng)重力荷載效應(yīng)對構(gòu)件承載能力有利時，不應(yīng)大于1.0；γEh、γEυ分別為水平、豎向地震作用分項系數(shù)，本次設(shè)計應(yīng)分別取為1.3和0.5；γW為風(fēng)荷載分項系數(shù)，應(yīng)采用1.4；SGE為重力荷載代表值效應(yīng)，有吊車時，尚應(yīng)包括懸吊物重力標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；SEhk為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；SEvk為豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)，尚應(yīng)乘以相應(yīng)的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù)；Swk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；ψw為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，一般結(jié)構(gòu)取0，風(fēng)荷載起控制作用的建筑應(yīng)采用0.2。

地震組合效應(yīng)的水平力為1.75 kN，考慮沖擊效應(yīng)后，吊柱危險截面校驗附加應(yīng)力≯20 MPa，因此，可忽略不計(除隧道主體工程引起的地震損傷)。

3.2.2 水平地震

接觸網(wǎng)吊柱受水平地震作用的計算時，分析水平地震荷載有底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法，接觸網(wǎng)支持結(jié)構(gòu)通常采用底部剪力法，按單質(zhì)點系進(jìn)行分析[9-10]。

FEk=α1Geq

(3)

(4)

ΔFn=δnFEk

(5)

式中，F(xiàn)Ek為結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；α1為相應(yīng)于結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)值；Geq為結(jié)構(gòu)等效總重力荷載，單質(zhì)點應(yīng)取總重力荷載代表值，多質(zhì)點可取總重力荷載代表值的85%；Fi為質(zhì)點i的水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值；Gi，Gj分別為集中于質(zhì)點i，j重力荷載代表值的85%。計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和；Hi，Hj分別為集中質(zhì)點，i，j的計算高度；δn為頂部附加地震作用系數(shù)，按照地震加速度折算取值見表4。

表4 頂部附加地震作用系數(shù)

計算地震作用下錨栓構(gòu)件的最大內(nèi)力及結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)，選用Midas Civil建立有限元模型，對模型輸入模擬計算區(qū)段地震波，進(jìn)行地震時程反應(yīng)分析。計算工況按水平加豎向組合，加載后對錨桿、螺栓內(nèi)力和接觸網(wǎng)位移響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行處理。

建立吊柱懸掛有限元模型，如圖2所示?；炷敛捎肅30，接觸網(wǎng)支架鋼材為Q355，螺栓為Q235[11]。上端混凝土固結(jié)，吊柱底板與混凝土之間螺栓用frame單元模擬，結(jié)構(gòu)的自振特性見表5。

圖2 接觸網(wǎng)懸掛模型

表5 模型自振周期與頻率

經(jīng)過結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)模擬計算[12]，吊柱底部螺栓因地震作用產(chǎn)生的豎向荷載(軸力)范圍為2.6～6.8 kN。吊柱底部產(chǎn)生的水平位移最大0.21 mm，接觸網(wǎng)腕臂端部最大位移6.22 mm。

3.3 預(yù)埋槽道螺栓布置

構(gòu)筑物基礎(chǔ)設(shè)計時，一般按照其額定荷載進(jìn)行校驗，接觸網(wǎng)吊柱螺栓布置按TB/T 2075.22—2020《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件第22部分：隧道支撐及定位裝置》規(guī)定值進(jìn)行校驗，并將地震附加軸力6.8 kN和剪切力1.75 kN施加于槽道螺栓組。

3.3.1 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)吊柱螺栓布置模型

計算混凝土粘結(jié)時，以最大拉力作為計算校驗荷載，計算螺栓鋼材強度時以最大拉力及剪力作為最大計算校驗荷載。錨栓與混凝土黏結(jié)的錨固強度及鋼材破壞校核荷載設(shè)計值按下式取值。

錨栓組中單個錨栓最大受拉力

Fmax={F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4，F(xiàn)5，F(xiàn)6}

(6)

錨栓組中單個錨栓最大剪切力

(7)

預(yù)埋槽道與吊柱底板的連接固定采用T形螺栓，其布置型式直接影響槽道本體的單點受力狀態(tài)。在接觸網(wǎng)的實際荷載情況下，螺栓的單質(zhì)點最大拉力決定了槽道選型。吊柱底板處螺栓布置及抗拉力分布見圖3。

圖3 吊柱底板處螺栓布置及抗拉力分布(單位：mm)

3.3.2 T形螺栓受力分析及數(shù)量選擇

T形螺栓受力計算結(jié)果見表6。單線隧道吊柱底板上T形螺栓宜采用6根，間距200 mm，滿足荷載要求[13]。雙線隧道吊柱底板上T形螺栓布置為8根時可不設(shè)置支撐，但底板尺寸需加大，吊柱本體與底板差較大，底板過長導(dǎo)致?lián)锨仍黾?，安裝時與隧道密貼性變差，影響吊柱及底座接地效果，見圖4。

表6 不同工況下T形螺栓受力 kN

圖4 吊柱底板8根T形螺栓布置(單位：mm)

考慮施工與檢修維護(hù)方便，單線、雙線隧道的底板宜一致。因此，雙線隧道吊柱宜采用6根，并設(shè)置斜撐與加強線共用底座，見圖5。

圖5 吊柱底板6根T形螺栓布置(單位：mm)

4 預(yù)埋槽道接地

該鐵路隧道二襯凈空高度較高，澆筑前接地鋼筋引接焊接困難，襯砌鋼筋綁扎完畢后，槽道后部錨桿處間隔焊接“L”形鋼筋或鋼板(接地引接板)，見圖6，與環(huán)向鋼筋可靠連接(焊接)，接地電阻應(yīng)不大于0.5 Ω。槽道安裝完成后，進(jìn)行接地電阻和貫通電阻檢查，電阻值符合要求后方可進(jìn)行混凝土灌注[14]。

圖6 隧道內(nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道接地鋼筋

接地焊接宜采用雙面角焊縫，圓鋼與板，圓鋼與圓鋼，板與板焊接，其焊接后的機械、力學(xué)、電氣效果均不同，結(jié)構(gòu)及焊接形式如圖7所示。

圖7 接地引接結(jié)構(gòu)

接地焊接形式、基材結(jié)構(gòu)形式、焊縫類型對接地均有直接關(guān)系，同時兼顧焊接內(nèi)應(yīng)力(剪切)影響。目前，預(yù)埋槽道接地焊接均采用對稱角焊縫，在同樣的焊接工藝、工況下，3種接地模式其內(nèi)應(yīng)力及截面通過的電流趨勢比不同，見圖8。橫坐標(biāo)1～3表示不同截面形式，1為板-板，2為圓鋼-圓鋼，3為圓鋼-板。

圖8 不同焊接結(jié)構(gòu)接地差異

為防止“L”形焊接直角時電流流過的趨膚效應(yīng)折射導(dǎo)致載流量的衰減，建議截面為長方形，即采用鋼板代替常用的接地圓鋼。采用差比概率方法計算，較接地圓鋼，采用鋼板焊接應(yīng)力可提高36.3%，接地安全可靠度可提高37%。

5 預(yù)埋槽道防腐要求及成品保護(hù)

預(yù)埋槽道外露部分在常溫大氣環(huán)境中，鋼材受大氣中水分、氧和污染物的作用會被腐蝕。大氣相對濕度在60%以下時，鋼材的腐蝕較輕微，但相對濕度增加至某一數(shù)值時，鋼材的腐蝕速度會突然升高，這一數(shù)值稱為臨界濕度。常溫下，一般鋼材的臨界濕度為60%～70%。當(dāng)空氣被污染或沿海地區(qū)空氣中含鹽時，臨界濕度會降低，鋼材表面易形成水膜。此時如焊渣和未處理干凈的銹層形成陰極，構(gòu)件(母材)為陽極，會在水膜中發(fā)生電化學(xué)腐蝕。大氣中水分吸附在鋼材表面形成的水膜是造成鋼材腐蝕的主要原因；大氣的相對濕度和污染物含量是影響大氣腐蝕程度的重要因素[15-16]。

GB/T50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了相對濕度下(一定的氣態(tài)介質(zhì))構(gòu)件裸露部分腐蝕等級。部分鐵路所處地區(qū)雖大氣污穢影響小，無強腐蝕介質(zhì)，但濕度大于70%，仍應(yīng)關(guān)注鐵素體外露構(gòu)件的腐蝕。

按TB/T 2073—2010《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件技術(shù)條件》及TB/T 3329—2013《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》規(guī)定，接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道采用3級熱浸鍍鋅，厚度80 μm。根據(jù)GBT 13912—2020《金屬覆蓋層鋼鐵制件熱浸鍍鋅層技術(shù)要求及試驗方法》規(guī)定的鍍鋅損失速率，鋅層每年耗損2.1～4.2 μm，在19～38年鍍層失效。

鐵路隧道施工所處環(huán)境復(fù)雜且工期長，槽道銹蝕及蟄伏損耗是建設(shè)過程中需關(guān)注的重點。預(yù)埋槽道可結(jié)合目前國內(nèi)鍍鋅工藝現(xiàn)狀，對防腐措施進(jìn)行加強，槽道鍍鋅層厚度不低于150 μm，且在施工期間采取刷漆等保護(hù)措施。

6 結(jié)論

鐵路隧道沿線地質(zhì)條件及氣候環(huán)境復(fù)雜，對設(shè)備安全可靠性要求高。通過對地震、地?zé)帷穸拳h(huán)境條件下隧道內(nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道適應(yīng)性進(jìn)行了研究。有針對性地提出槽道在復(fù)雜環(huán)境下的性能折減應(yīng)對措施，主要結(jié)論和建議如下。

(1)高地溫環(huán)境下，槽道基礎(chǔ)的混凝土強度、預(yù)埋槽道力學(xué)性能均有不同程度折減。折減后建議預(yù)埋槽道采用Q355材質(zhì)，錨桿直徑10 mm，截面積≮78.5 mm2。

(2)地震條件下，預(yù)埋槽道主體結(jié)構(gòu)可不做驗算，但須考慮地震組合效應(yīng)的水平力及沖擊效應(yīng)。槽道及T形螺栓因地震作用傳遞到接觸網(wǎng)吊柱豎向荷載2.6～6.8 kN，吊柱底部最大水平位移約0.21 mm，接觸網(wǎng)腕臂端部最大位移6.22 mm。

(3)單線、雙線隧道的吊柱底板選型宜一致，均采用6根T形螺栓。

(4)槽道間接地連接，采用鋼板較接地圓鋼可靠性可提高約37%。

(5)建議對槽道防腐措施加強，槽道鍍鋅層厚度不低于150 μm，且考慮增加期間保護(hù)措施。