大秦线重载运营桥隧病害情况及原因分析、处理对策方法

王哲峰

摘要：大秦线是我国第一条重载铁路和双线电气化运煤专用线，西起大同枢纽，全长653.02km，大秦线大部分线路地处山区，华稍营至桑干河峡谷和军都山至摩天岭地段桥隧相连，隧道成群，铁路途经桑干河峡谷的地形十分险峻，桥隧涵所设地段处于强风化地带，石质破碎施工相当困难，整个工程艰巨工期紧迫，一期工程1988年开通，二期工程1992年开通。

关键词：桥隧；原因分析；处理；对策方法

大秦线共有隧道52座67公里，其中2000米以上隧道13座，最长的军都山隧道8460米，有桥梁495座66公里，有涵渠1984座53公里。其中盖板涵1253座30公里。桥隧总长占线路50%。到目前为止桥梁、隧道和涵渠随运量的持续发展病害不断加剧，特别是无填土盖板涵的病害发展十分迅速，继续发展有可能成为影响大秦线安全运输的重要问题。

大秦线自1988年开通2012年已运营24年，年运量4亿吨，跨两省两市，地质情况复杂，桥隧涵病害随着运量的不断增加，病害逐年显现并呈现严重趋势，表现如下：

一、桥梁病害

1、单线高桥墩桥（大于15m）震幅超限，如大秦线307#桥、333#桥、300#桥等。

2、混凝土梁体裂损、劣化严重，横隔板开裂、掉块、漏筋。主要反映在小于16m的梁体，特别是8m长度的梁型。列车通过时振动频率大，疲劳加剧，造成圬工梁裂损严重，如大秦线213#桥、214#桥。

3、圬工梁防水层失效，桥面排水不畅，漏水污染严重造成桥上线路板结。梁体污染腐化严重，严重时混凝土面出现风化和剥落现象。

4、32m预应力混凝土梁上拱度衰减变小

5、支座位移超限

造成危害：

大秦线单线高桥墩振幅超限引起的梁体横向振幅加大，桥体晃动加剧，对轨道的磨损加大，养护工作量加大，尤其是曲线桥曲上股钢轨磨损远比其他桥磨损的快，支座由于梁体的横向振幅和晃动加大后，横向的作用力加大，造成了支座偏移，位移加大，出现超限情况，对列车的运行形成长期的隐患。同时桥上晃动加大，事必造成供电接触网钢柱的晃动加大，接触网导线晃动严重（俗称鞭稍现象）。机车受电弓与接触网导线接触变化加大，可能造成导线与受电弓的不同程度的不均匀磨损，甚至出现虚接打火现象，对列车运行形成极大危害。以上诸种超限形成的病害是一个长期劣化过程，会减少桥梁的寿命，这种情况是大秦线多数桥梁普遍存在的问题，到一定时候，会发生桥梁同时报废的现象。

分析原因：

1、桥梁振幅超限主要反映在单柱的高桥墩及15m以上的高桥墩。经测试后表明墩顶的横向振幅和桥墩自振频率不能满足《桥检规》通常值的要求，分析主要原因是设计时采用的规范偏低，当时采用86桥规，而多数为76年的桥梁标准图，对日后的重载没有深入的研究。另外，当时的标准图只有单线做法，对于双线同桥的情况还很少，只是简单的叠加，有的还是并排的两座单座桥梁，另一个因素，大秦线属于单元重载，一侧为轻车线，一侧为重车线，而且方向都是很单一的，这样的标准使天生形成的特点使得结构物受力很单一，双线同时过车时作用力很复杂，振幅的超限反映出当时的设计缺陷。另外，随着轴重不断加大，车也越来越长，列车对桥冲击越来越大，加上养护的缺陷，桥梁整孔整孔换渣不及时，桥上线路不能及时清筛，线路板结，道床弹性消失，对梁体冲击加大。桥面防水层的裂损，造成了梁体排水不良，承渣槽积水。梁体多年的负重多处裂纹、水的侵蚀、钢筋的部分发生腐蚀严重，同时梁体的上拱出现了变小的情况非常突出，主要原因是梁体受力状态不良，超负荷疲劳运行造成的。预应力的损失沿主筋裂纹情况增多，使沿预应力筋裂纹的梁体也是由此原因造成的，主要表现在图号叁标桥2019型梁，由于轻重车分离，桥墩振幅超限情况很多，受力不均，次应力增加形成32m、24m、16m梁体横隔板开裂现象。

2、支座病害突显，也由于振幅超限，晃动加大，梁体出现不均衡的横向力，使得支座销钉折断，位移超限，随着运量的加大，大秦线已更换近百个支座。

病害处理方法及对策：

1、加固桥墩：①针对两桥墩墩帽已联接，基础无联接的情况，应加固桥墩墩身，采用抱箍的方法加大墩身的自重，并加入上下行桥墩的联体梁，使两桥墩整体受力。如大秦线122#桥。②联接墩帽，针对两桥基础已联接，但墩帽无联接的情况，采用联接墩帽、拉锚预应力的方法形成加固。如大秦线307#桥、354#桥。

2、梁体横向加固（32m、16m、24m）。采用横向张拉预应力横隔板的方法，解决原桥梁体标准低、横向振幅大以及两片梁原横隔板开裂、梁上拱度不一致的情况，如大秦线已对32m、24m、16m梁进行加固，效果良好。

3、支座更换

4、梁体裂纹封闭（JJ型材料），如大秦线354#、360#、361#桥，防止了水的侵入腐化，延长钢筋的使用寿命。

5、整治托盘墩帽裂纹主要采用钢板贴合注胶的方法，如大秦线122#桥。

6、墩台裂纹采用粘贴碳素纤维布法加固和注浆法，如大秦线121#桥。

二、隧道病害

1、隧道基底吊空病害，以军都山、九山隧道最具典型。隧道基底吊空病害造成线路的高底水平严重不良，尤其在动载作用下病害现象更为明显，九山隧道曾经出现了突然塌陷基底的现象，对正常行车造成很大的威胁，列车到病害区段不得不限速行驶，影响了正常的运输行车。

2、隧道漏水，大秦线隧道不同程度都存在漏水现象，一部分是长大隧道的地表水和山体裂隙水漏水情况，如：军都山、景忠山、大黑山、天马山隧道等；另一部分为浅埋隧道的季节性漏水，如：国各庄、陈庄、郭沟隧道等。

3、由于施工质量造成的隧道衬砌混凝土标号不足，厚度不夠，形成的裂损劣化，如：白家湾隧道衬砌质量严重不足，边墙混凝土劣化严重。

4、隧道煤屑污染，由于是运煤专线，且无防尘措施，隧道煤屑污染严重，造成边墙混凝土煤屑化学侵蚀，道床板结翻浆冒泥，钢轨及配件锈蚀，水沟堵塞排水不畅。如：庄户庙、摩天岭隧道等，以长大坡道的隧道较为严重。

造成危害：

隧道的以上病害，对大秦线造成长期的隐患。首先，隧道空吊和突然塌陷，由于具有突发性，出现前很难预测，已成为对铁路运行安全的直接危险，如九山隧道的情况，到现在还在限速运行。另外，空吊情况造成线路方向高低不良，养路工作量加大，投入的人力、物力加大。

隧道漏水对衬砌的影响逐年显现，由于水的侵蚀作用，加之衬砌的质量差，对混凝土衬砌的腐化日渐严重，对隧道的寿命有严重影响，现已成为不可忽视的病害。

由于隧道的漏水和污染作用，造成水沟堵塞排水不畅，雨季时外界和山体内部的水大量，使隧道排水不畅，水可能严重侵蚀道床，加上道床污染板结严重，线路发生多处的翻浆冒泥，线路几何尺寸变化大，三角坑等病害频繁出现，线路难以稳定。另外，由于施工质量的影响，衬砌厚度不足，质量不高，特别是拱顶厚度严重不足，多年运营后，拱顶出现掉块、龟裂现象，曾经在军都山隧道发生掉块砸坏机车的事件。这种情况，长期对机车、人身形成威胁。

分析原因：

隧道在重载线路下突出的病害，首先是隧道基底深陷现象，屡次发生，而且没有前兆、无规律发生，如大秦线九山隧道、天马山隧道、大黑山、军都山等隧道都出现。初步分析是重载震动和隧道的漏水结合，有可能发生基底突然沉降现象，经过08年对大秦线涿鹿-西张庄间隧道的检测发现，一是施工质量多为不良，二是隧道背后与山体不能密贴，形成分离的空间，使隧道漏水严重，列车运行震动对衬砌的损害严重，形成了隧道衬砌的裂损，这样的状态主要和施工质量有很大的关系，如超挖太大，衬砌厚度不足，质量不高，混凝土的标号不够，山体裂纹和隧道背后的防水层不合格，防水板年久老化，回填背后盲沟堵塞不起作用，都是形成漏水的主要原因。

病害处理方法及對策：

1、基底吊空和塌陷处理

①基底吊空由于在大密度的列车运行条件下施工，采用大面积注浆工艺来弥补隧道基底吊空的方法。从而提高道床的承载力，使得空洞得以密实，这种方法只是没有办法的办法，如军都山、大黑山、桃园隧道使用过此方法。

②基底塌陷存在的病害，此种病害的出现，可能是仰拱或铺底的断裂和沉降，多采用钢轨架空线路翻修仰拱的方法，但在大密度运行条件下很难实现，且进度很慢。曾经在九山隧道翻修88m，但施工难度极大、造价很高、作业条件艰苦。

2、加固拱顶衬砌。此方法时针对拱顶开裂掉块、衬砌厚度不足的隧道，采用钢骨架套隧，喷混凝土或模注的方法补强隧道。如大秦线李家嘴隧道，加固拱顶开裂掉块，采用此法只做了43m，用了一年的时间（2次集中修），代价昂贵。

3、隧道排水不畅引发的翻浆冒泥现象，多采用清理水沟及清理淤积的方法。在长大隧道解决隧道地下水排水问题时，采用密井暗顶侧沟的方法，把道床下仰拱上的地表水渗入两侧密井中排走，同时连同隧道衬砌后的盲沟，形成无沙管渗流汇水后排水，效果也不错。2000年在大秦线景忠山隧道处理过，但现在由于运量加大，天窗少，基本上在大秦线很难实现。

三、无土盖板涵洞病害

大秦线无填土盖板涵设备存在病害的基本情况

大秦线盖板涵自开行两万吨以来设备病害发展十分迅速。从2006年开始试验到2012年随着开行对数的持续增加，盖板涵大量出现浆砌片石边墙变形外鼓、混凝土帽石压溃、钢筋混凝土盖板裂纹、掉块漏筋等病害。目前存在病害的盖板涵累计达到303座，大秦线盖板涵病害按照孔径分析具有明显的规律，病害首先发生在填土小于1m，孔径为3至5米的涵洞。

大秦线盖板涵病害发展有明显的时间特征，开行万吨车初期劣化发展与普通线路相当，开行两万吨以后，盖板涵的浆砌片石边墙开裂、外鼓加速发展，过重载列车时的振动明显加大，随后盖板出现裂纹掉块。边墙开裂位置多在边墙高度1/2以上部位。裂纹及边墙病害多发生在重车线一侧。根据病害程度大秦线盖板涵可分为一般病害和安全病害两类。

1、大秦线无填土盖板涵设备存在的一般病害

①板顶保护层、防水层失效：表现在雨季道床积水自板缝间、墙身帽石顶与板底间流淌。

②板底砼保护层裂损、脱落，钢筋锈蚀。

③板体出现垂直线路方向的受拉裂缝。

④雨季时石砌墙体有雨水自路基侧向涵洞边墙渗出。

2、大秦线无填土盖板涵设备存在的安全病害

①边墙、翼墙裂损、内倾。

②墙顶砼支撑帽石压溃。

③列车通过时，线下盖板动载挠度大（6m跨度盖板最大下挠度达8mm，3m跨度盖板最大下挠度达4mm），挠跨比超限；动载作用下板体砼、钢筋伴有异样声响。

④板体砼不实，结构内部渗漏水。

盖板涵病害的原因分析

1、板顶填土厚度不足，重载列车冲击力对涵洞的破坏较大。

原《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-99）规定：“涵洞顶至轨底的填土厚度不宜小于1m”；现执行的《铁路桥涵设计基本规范》（TB10002.1-2005）规定：“涵洞顶至轨底的填土厚度不宜小于1.2m”。显见高速、重载铁路对桥涵的动力性能要求已经越来越高，根本原因是在进行桥涵动力系数计算时，当填土厚度等于或大于1m时，由于竖向活载的冲击能量可以被填土吸收，可不计列车活载对涵洞的竖向动力作用；而当填土厚度小于1m时，冲击系数取值1+u=1+6a/（30+L）、且a=4（1-填方厚度）≤2，对于普通线路，由于轴重和行车速度较底，这个问题不突出，但对大秦线通行轴重25t、编组长达2672m 的2万吨组合列车，这个问题就凸现出来，低填土既有板涵在频繁又巨大的冲击力作用下极容易造成上述病害的发生。

2、墙身顶部帽石的结构设计强度低。

盖板涵盖板设计是按简支梁受力分析来设计的，而简支梁的受力状况及使用寿命要求其端部支撑面必须有足够的强度，因此简支梁的支撑面多设计为钢性或钢筋砼材质。而大秦线铁路涵洞建造时，鉴于当时的规划运量和运输组织方式，仍沿用了当时常规的铁路盖板涵帽石浇注40cm厚C20普通素砼的标准，现在看无疑留下了致命欠缺（新的设计规范为涵洞宜采用框架涵），没有充分考虑重载运煤列车对结构可能造成的破坏，由于盖板端部支撑面的强度不足和裂损，造成板体受力“三条腿”，进而出现动载作用下承载能力不足动挠度超限等安全问题。

3、板顶防水设计等级低、施工质量不高。

①肆桥-5009盖板涵标准图对板顶防水层设计为当板顶填土厚度小于1.0m，宜在板顶满铺甲种防水层（一层沥青浸制麻布+二层石棉沥青），以保证盖板不至于因冲击影响可能出现和扩大裂缝及钢筋的锈蚀。而实际的结果是由于防水层外没有设计保护层，受冲击作用影响，大秦线开通5—8年后，其防水层就基本完全失效，雨季道床积水顺板间缝隙及板底与墙身顶部间空隙流淌侵蚀板体，进而造成防水层劣化、板内钢筋锈蚀乃至砼裂损脱落。

②受当时建筑安装起重机械的制约，肆桥-5009盖板涵标准图中跨度4.0m盖板涵，板体结构设计宽1.0m，跨中布筋净距仅32—34mm，板底主筋砼保护层（净距）厚度20mm；而實际现场预制盖板作业，考虑到施工误差，为了不影响板体安装，板宽实际尺寸多为0.97—0.99m，如此由于受布筋间距的限制，板底保护层浇注实际级配粗骨料（石子）很少，而又由于震捣棒无法深入配筋下部，其板底保护层实际就是水泥砂浆体，其强度很难达到设计要求的。

4、预制和安装的盖板涵单板受力差异很大。

据铁道科学研究院2004年“大秦线2万吨货车条件下线桥设备强化对策的试验研究”，对大秦线K464+157、1—4m 钢筋砼盖板涵4块单片1m宽盖板，在2万吨列车动载作用下进行的挠度测试分析结论为：4块板体受力分配比例为6.2%、44.7%、32.1%、17%，可见单板受力相差悬殊，结构整体性差，线下主要受力的2块板发生疲劳破坏的机率很大。

5、盖板涵的养护维修不良。

无填土盖板涵的设备病害，与工务养护部门的日常维护不善和对重载运输影响缺乏经验有很大关系。无填土盖板涵在未开行万吨和2万吨组合列车之前，就已出现的盖板防水层失效、板缝间填塞物脱落、板底保护层裂损掉快及箍筋锈蚀等病害，工务段仅凭经验头疼医头，对板顶防水层失效的整治，因运量极其繁忙影响运输受阻，一定程度延误了时机，使上述病害互为因果发展至板跨动载条件下竖向变位明显加大和板体钢筋、砼应力巨增，给大秦铁路的安全畅通带来潜在的设备隐患

病害处理方法及对策：

1、钢板贴合法：板顶裂纹、板强度不足、承载力下降、挠度大的板，采用钢板贴合法加固，用贴合加固补强原有强度不足的板，用12-15mm的钢板，采用高强贴合胶与原有板联接补强的工艺，提高板的强度。如大秦线120#涵、338#涵。效果都不错，但工艺要求原有混凝土标号高、质量高。

2、整体套框加固：针对板涵边墙外鼓、边墙混凝土浆砌片石开裂，造成的病害采用整体框构加固的方法，缺点是减小孔径，减弱了原有涵洞的功能。

四、对设计和施工单位的建议

1、在设计上提高标准，充分考虑重载的特殊性，充分考虑运营时的维护和养护的可操作性

2、施工注意重载铁路地基的特殊处理，尤其是对水的处理，要考虑运营后动态变化时对设备养护的条件。

3、施工预留日后桥隧检测的位置，以方便日后养护时的观测

4、加强隧道的施工工艺，提高质量，加强管理，严格按照设计进行施工，充分考虑长久的设备使用寿命，和运营日后养护的难度和整治的代价。因为，有的病害在施工时留下的可能是永久的病害，是运营后无法整治或整治需要负出非常昂贵代价的。

参考文献：

[1]《铁路桥隧建筑物修理规则》中华人民共和国铁道部2010年北京