纤维混凝土在武广铁路客运专线隧道中的应用试验研究

李明领

(武广铁路客运专线有限责任公司,武汉 430060)

1 概述

武广铁路客运专线正线隧道约 172 km,占线路长度的 17.3%。隧道穿越地层复杂多变,Ⅳ、Ⅴ级围岩占隧道总长的 57.19%,Ⅱ、Ⅲ级围岩长度 73.7 km,占全线隧道总长度的 42.81%。

武广铁路客运专线隧道施工图设计采用复合式衬砌,Ⅱ、Ⅲ级围岩二次衬砌结构采用素混凝土,经结构计算和经验类比确定结构厚度,素混凝土结构能满足承载要求;但我国对防止素混凝土在高速列车作用下的长期开裂性及结构的疲劳性能研究较少,缺乏经验。为控制高速列车下混凝土结构裂缝开展,避免动载影响下结构加速老化、使用寿命降低、确保结构使用安全;在武广铁路客运专线前期施工的几座隧道二衬中采用纤维混凝土进行了试验研究,根据相关试验研究成果及外方咨询意见,组织专家研讨,铁道部确定武广铁路客运专线部分隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩二衬采用纤维混凝土。武广铁路客运专线 20余座隧道采用了纤维混凝土。

2 高速铁路隧道二次衬砌加筋的必要性分析

2.1 国外高速铁路运营情况

在国外,早期建设的高速铁路隧道较好地层条件地段的内衬曾采用素混凝土,但随着运营时间的推移,内衬裂缝的扩展也在不断加大、加密,导致后期维护工程量加大,甚至影响运营。德铁某线统计资料表明:素混凝土地段衬砌裂缝发育长度是钢筋混凝土结构的近10倍,裂缝宽度也远大于钢筋混凝土结构。日本高铁也曾出现运营期间隧道内衬混凝土剥落引发列车事故的事例。韩国对于隧道进口Ⅱ、Ⅲ级围岩衬砌加强了加筋设计研究。近期建设的国外高速铁路隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩内衬采用加筋结构。

从结构计算角度看,隧道设计采用素混凝土结构能满足相应地层条件的结构安全要求。而导致维护工作量增加甚至出现事故的原因,主要由于素混凝土结构微裂缝扩展、切割混凝土结构,导致混凝土表层孤立、剥离。采用素混凝土结构一定程度上加大了铁路运营的潜在安全威胁。

2.2 衬砌加筋的必要性

高速客运专线由于行车速度快,动荷载频率增大,此外受高速列车引起的隧道内气压波动的影响,动荷载对隧道衬砌的影响更为突出,使结构易产生疲劳破坏,致使早期裂缝发展及后期衬砌薄弱部分发生开裂。

由于混凝土材质的特性及施工工艺等原因,微裂缝的存在不可避免。因此,必须采取适当的措施减少微裂缝的发生、抑制裂缝的扩展,使裂缝存留在安全允许的范围内。

3 客运专线隧道二衬混凝土结构服役期受力机理

有关资料表明:服役铁路隧道衬砌结构病害产生的原因主要包括列车振动荷载、地质变化以及衬砌材料本身老化等。对于高速铁路客运专线而言,有其不同之处:

(1)高速列车通过狭长隧道时产生活塞效应而附加给衬砌结构的风荷载;

(2)高速列车运行时轨道振动对衬砌结构的影响;

(3)由于振动导致隧道的地质变化,从而在衬砌结构上产生的影响。

铁路系统部分设计院针对列车振动引起的隧道结构动应力和空气压力变化对隧道结构的影响进行了一些计算分析,并对国内既有普速铁路隧道、日本高速铁路隧道进行相应的对比计算,并对武广铁路客运专线隧道二衬混凝土结构服役期受力机理进行了分析,得出以下初步结论:列车振动荷载对隧道衬砌结构动力响应的影响主要集中在隧道仰拱、拱脚和侧墙部位及拱腰,对拱顶部位的影响相对较小;列车振动传递至隧道衬砌结构上的振动频率较低;武广铁路客运专线隧道衬砌在高速动载下的动力响应问题本质上是衬砌结构的疲劳问题。疲劳荷载循环次数增加,应变也随之增加,开裂逐步发展,循环次数达到某一值时,试验体不能继续维持荷载,开裂急剧发展,最终达到破坏。考虑到因疲劳产生的开裂发展速度非常缓慢,在两年内进行一次全面检查可以防止剥落事故的发生。

4 高速铁路隧道二次衬砌加筋采取的方式

4.1 国内外Ⅱ、Ⅲ级围岩二次衬砌结构采取的方式

为解决高速铁路隧道运营过程中混凝土开裂掉块问题,各个国家有不同设计方法,德国采用混凝土加钢筋的方式,日本则仍采用素混凝土结构,韩国在洞口附近采用钢筋混凝土结构,在其余地段则采用素混凝土结构,但在交付运营前对高铁隧道逐座检查,发现裂缝后逐条进行处理。我国客运专线铁路隧道正处于建设高潮,十分有必要在借鉴国外经验的基础上,寻求适当的措施以抑制裂缝的产生与扩展,满足运营安全要求。

4.2 高速铁路隧道二次衬砌加筋的建议方案

二次衬砌是否需要加筋的关键有 2个方面:一是取决于是否可以有效控制或尽可能减少混凝土施工过程中的裂缝,二是二次衬砌在运营期是否会因为承受围岩压力而开裂。二次衬砌是否加筋可根据围岩条件而定,初步建议方案如下。

(1)Ⅱ级围岩衬砌:由于Ⅱ级围岩衬砌在承担围岩压力的 50%时,拱顶拉应力仍较小,一般仅为 380～480 kPa,抗拉安全系数 ＞8.0,可以不考虑运营承载开裂问题。因此,Ⅱ级围岩衬砌建议采用素混凝土结构。

(2)Ⅲ级围岩衬砌:对于Ⅲ级围岩衬砌,当考虑30%的围岩压力时,拱顶拉应力一般在 950～1 050 kPa,抗拉最小安全系数为 3.69,超出规范要求的安全系数不多,为提高结构的可靠性,建议采用纤维混凝土。

(3)Ⅳ级围岩衬砌:对于Ⅳ级围岩衬砌,当考虑30%的围岩压力时,拱顶拉应力较大,抗拉安全系数约为 3.1,基本满足规范要求;当考虑 50%的围岩压力时,拱顶拉应力很大,抗拉安全系数仅为 2.1,不满足规范要求。为此,建议采用钢筋混凝土结构或内表面设单层钢筋网方式。

4.3 我国高铁隧道二次衬砌加筋方式

抑制混凝土裂缝的发展可以采用加筋的办法,加筋的办法有以下 3种形式:采用单层钢筋网护面结构、采用钢纤维混凝土结构或采用合成纤维混凝土结构。并进行技术经济性分析。

(1)单层钢筋网护面结构

该方式通过在隧道衬砌内表面设置钢筋网,可有效防止掉块的发生,且施工方便,但造价较高。考虑施工方便,采用 3肢主筋形式,用以保证钢筋的保护层以及钢筋架立的稳定性,环向主筋采用 φ18 mm,纵向钢筋采用 φ14 mm。

(2)钢纤维混凝土结构

采用钢纤维混凝土结构也可达到控制裂缝扩展的目的,经分析,控制裂缝需要钢纤维最小掺量为 45 kg/m3,设计采用掺量为 50 kg/m3,造价也较高。钢纤维在施工中若搅拌不均,容易结团成球,影响钢纤维混凝土的质量;另外,由于掺加钢纤维在混凝土浇筑过程中容易造成防水卷材的损坏,影响防水质量。

(3)合成纤维混凝土结构

作为混凝土加筋材料,合成纤维可以有效抑制混凝土早期的塑性裂缝及干缩裂缝,提高混凝土的韧性及抗冲击能力,同时改善混凝土的抗渗性、抗冻融性能等,从而提高混凝土耐久性。纤维的材料有纤维素纤维、改性聚丙烯纤维等。掺量一般为 0.9～1.0 kg/m3,且掺加之后不改变原素混凝土配合比,施工方便;价格适中。

5 纤维混凝土试验研究

5.1 纤维素纤维基本性能

UF500纤维素纤维是由美国 Buckeye公司研发的新一代纤维,属第三代工程用纤维,取材于经基因改良的特殊树种,基于生物技术、化学技术研发而成,具有耐碱性、抗拉强度高、亲水等特点,有利于在混凝土中的分散,并提高混凝土对纤维的握裹力,且掺加之后不改变原配合比。其基本参数见表1。

国内外一些试验表明:纤维素纤维能改善混凝土的早期抗裂性能,具有混凝土后期抗裂改善作用;能提高混凝土韧性、抗弯和抗疲劳性能。

5.2 纤维混凝土施工现场试验

结合武广铁路客运专线现场施工,选择Ⅱ、Ⅲ级围岩地段进行现场试验,研究对比素混凝土和 UF500纤维素混凝土在工作性能、强度、耐久性、抗裂性能及施工工艺要求等方面的差异。

表1 UF 500纤维素纤维基本参数

5.2.1 室内试验

(1)试验内容

按试验规程和高性能混凝土要求,在隧道衬砌混凝土配合比中掺加纤维与未加纤维的同配比混凝土做对比试验,通过试验获得以下检验项目的试验对比数据资料。

①混凝土工作性能:含气量、坍落度、常压泌水率、和易性等;

②混凝土强度:3、7、28、56d抗压强度;

③早期抗裂性能与 56d常规抗裂性能;

④28、56 d电通量(耐久性)。

(2)试验情况

①原材料基本性能

P.O 42.5水泥;中砂:细度模数 2.6;碎石:5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm级配合成;粉煤灰:Ⅰ级F类粉煤灰;塑化剂:聚羧酸高性能减水剂;纤维:UF500纤维素纤维。

②混凝土配合比(表2)

表2 混凝土配合比(C35混凝土)kg

③工作性能测定结果(表3)

表3 混凝土工作性能

④混凝土拌和及投料情况

试验室拌和均为先加入骨料、胶凝材料后再加入纤维干拌 30s,后加水、外加剂再拌和 3min;纤维混凝土坍落度比基准混凝土坍落度小 10 mm,外加剂掺量为厂家推荐掺量的上限 1.2%。

⑤混凝土抗压强度及耐久性(电通量)

对两种配合比的混凝土拌和后做出各龄期的试件,进行标准养护。测试结果见表4。

表4 各龄期混凝土强度及 56 d电通量

⑥纤维在混凝土中的分散性

纤维在混凝土中分散显微镜下的照片见图1、图2。

图1 纤维分布均匀

图2 纤维表面可见大量的水泥结晶物附着

⑦试验结果

室内试验结果表明,UF500的纤维素纤维可在不改变混凝土设计配合比和施工工艺的前提下直接掺入;掺入后对混凝土的工作性能影响很小,混凝土和易性良好,未出现离析、泌水等现象;掺入后对混凝土的早期强度有一定影响,对后期抗压强度影响不大;纤维在混凝土中分散性良好;纤维掺入后对混凝土的抗氯离子渗透的能力有所降低。

5.2.2 现场工艺试验

2007年 3月,在武广铁路客运专线天鹅岭隧道出口DK1 850+274～DK1 850+252段仰拱及二衬进行掺加纤维的混凝土工艺试验,以确定实际施工的纤维混凝土工作性能、混凝土抗压强度、混凝土抗氯离子渗透性及混凝土表观性。具体试验情况如下。

(1)原材料及配合比采用室内配比(表2)。

(2)混凝土拌和及投料

搅拌站一次拌和 1.5 m3,拌和时间为 4 min。水泥、粗细骨料、粉煤灰、外加剂和水为自动计量,纤维为人工计量直接加入拌和机,每 1.5 m3混凝土加纤维1.35 kg。

(3)混凝土工作性能测定

配合比的设计坍落度 150～180 mm,现场测试混凝土坍落度 165mm,含气量 2.3%,和易性好,无泌水。

(4)混凝土表观

拆模后现场观察,肉眼不能看出纤维混凝土与原仰拱 C35混凝土所施工的仰拱表面有明显差别。

(5)混凝土抗压强度、耐久性能

对选用的基准 C35混凝土和加入纤维的 C35混凝土在施工过程中分别取样做出各种试件,进行同条件养护,按同龄期、同条件进行试验对比(表5)。

表5 各龄期混凝土强度及 56 d电通量

(6)混凝土抗裂性试验(表6)

表6 现场抗裂试验检测结果

参照铁道部《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》铁建设[2005]160号附录 C和美国 ASTM 1579中方法对基准混凝土和纤维混凝土的抗裂性能进行平行对比试验,通过受约束的混凝土试件在规定的条件下(受热和风吹)的开裂趋势来评价混凝土的抗裂性(图3、图4)。

(7)现场衬砌纤维混凝土试验结果

图3 电烤灯及风吹情况试验

图4 基准与掺加纤维混凝土表面开裂情况

以上试验结果表明:在现场搅拌站进行纤维素纤维混凝土的拌和,搅拌时间需延长;纤维素对混凝土的工作性能没有影响,混凝土和易性良好,未出现离析、泌水等现象;纤维在混凝土中分散性良好,正常养护脱模后,混凝土表面未出现纤维露头、结团现象,外观良好;对混凝土的抗压强度影响较小;对混凝土的电通量有适当影响,但能满足设计耐久性要求。用于施工时不需改变隧道混凝土的施工工艺。

5.3 纤维混凝土在隧道二衬服役期抗裂性能试验

以武广铁路客运专线隧道二衬为项目背景,基于对客运专线隧道二衬混凝土结构服役期受力机理的研究,建立受疲劳荷载作用下的衬砌混凝土服役期试验模型,对基准混凝土和 UF500纤维混凝土的力学性能、抗渗性能进行进一步研究,以表征荷载作用下混凝土在客运专线隧道二次衬砌服役期的抗裂性能。

混凝土渗透性是因为混凝土内部的微细裂纹存在和扩展造成的,因此用混凝土结构的抗渗透性能可以反映出混凝土内部微细裂纹存在的多少以及在荷载作用下的扩展程度。因此,将采用疲劳试验下混凝土结构的抗渗透性能来表征荷载作用下混凝土在客运专线隧道二次衬砌服役期的抗裂性能。

考虑到服役期受力情况,所加上限荷载为极限荷载的 15%、30%,构件经 50万次循环后卸荷,对疲劳试验后的试件参照《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(GBJ82—85)进行抗渗性能测试(气渗法),见表7。

表7 二衬服役期抗裂性能研究课题试验结果

由表7可知,UF500纤维混凝土能够有效提高武广铁路客运专线二次衬砌混凝土结构服役期间的抗裂性能,从而整体改善混凝土的服役工作性能。

6 现场纤维混凝土应用

通过研究理论分析和前期现场室内外试验成果,通过专家评审和部审查,决定对武广铁路客运专线部分隧道Ⅱ、Ⅲ围岩衬砌采用纤维素纤维混凝土。

2009年 3月 ～4月,对武广铁路客运专线 20座隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩地段二次衬砌混凝土表观现象进行了调查,其中包括素混凝土、加纤维素纤维混凝土、单层护面钢筋混凝土。现场核查表明:无论是素混凝土、纤维混凝土、单层钢筋网混凝土,二衬基本上都没有裂缝,仅极少数素混凝土地段衬砌发现少量宽度小于0.2 mm的裂纹。现场实际掺量为 0.9～1.2 kg/m3,添加纤维素纤维不需改变配合比,纤维分散性好,拌和、施工方便,添加后的衬砌表观光滑,部分施工单位反应掺加纤维素纤维后混凝土黏稠度有所增加,坍落度损失较素混凝土略大;实测抗压强度基本相当;掺加纤维混凝土比不掺实测电通量略大。

7 结论及建议

(1)高速铁路隧道运营过程中裂缝发展的主要原因之一是由于隧道气动效应的影响,其本质是衬砌结构的抗拉疲劳问题。

(2)武广铁路客运专线现场试验表明,UF500纤维素纤维可以在不改变原有基准混凝土配合比的情况下直接掺入,且对混凝土的工作性能基本无影响,混凝土和易性良好;纤维在混凝土中分散性良好,混凝土表面光洁,未出现纤维露头、结团现象;对混凝土抗压强度影响很小;纤维素纤维能较好的改善混凝土的早期抗裂性能;可对后期混凝土裂纹发展起到抑制作用;能够提高客运专线二次衬砌混凝土结构服役期间的抗裂性能,从而整体改善混凝土的服役工作性能。

(3)为防止运营期高速铁路隧道产生开裂掉块现象,首先应保证二次衬砌不会在运营期因承载而开裂,并应采取有效措施控制混凝土在施工过程中的裂缝。混凝土材料选择可根据围岩条件而定,建议高速铁路部分隧道Ⅱ、Ⅲ级围岩衬砌可采用纤维素纤维混凝土,以减少微裂缝的发生、抑制裂缝的扩展,使裂缝存留在安全允许的范围内。

(4)对采用纤维混凝土的实际效果在武广铁路客运专线投入运营中需进一步跟踪观测考察,同时在推广应用纤维混凝土中需要从设计、原材料、配合比以及施工工艺等方面综合采取措施。可进一步重点对动载疲劳、空气动力效应作用下的衬砌混凝土开裂进行试验研究。

[1] 关宝树编著.隧道工程维修管理要点集[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 铁道部工程设计鉴定中心编著.高速铁路隧道[M].北京:中国铁道出版社,2006.

[3] 铁建设[2007]47号,新建时速 300～350km客运专线铁路设计暂行规定[S].

[4] 熊华伦,毛宇飞.太行山隧道喷射微纤维混凝土施工技术[J].铁道标准设计,2007(4).