玉溪至磨憨铁路高地震烈度、高地热隧道接触网基础安装用化学锚栓寿命期及安全性研究

雷偕

摘要：接触网基础是电气化铁路非常重要的受力构件，隧道内采用化学植筋的锚固技术较为成熟。本文对高地震烈度、高地热隧道使用后置化学锚栓的寿命期及安全性进行研究。

关键词：高地震烈度、高地热隧道;接触网基础;寿命期;安全性

一、研究范围

1. 工程概况

本线由在建昆玉线玉溪西站接出，在研和、峨山设站后穿万和隧道（17439m）设罗里站，后以（68m+128m+68m）连续刚构跨大开门河，于杨武镇附近下穿玉元高速公路，至立新设缓开站，穿甘庄隧道（15260m）后设元江站，展线下坡至元江设（108+152+249+152+108）连续钢桁梁跨元江，后（42+96+2×128+96+42）连续刚构跨南溪河;线路展线上坡绕避瓦纳温泉，穿通达隧道（11296m）和安定隧道（17476m）至墨江设站，再穿王岗山隧道（13510m）、平安隧道（14535m）后以（112+216+112）连续刚构跨越阿墨江，穿新华隧道（15834m）、石头寨隧道（11839m）以（88+168+88）连续刚构跨把边江，穿大金山隧道（10647m）至宁洱县老杨寨设站，跨那苏河、穿大尖山隧道（14195m）至普洱市西侧象山设站，跨木乃河，经丫口寨、勐满乡穿勐养隧道（13553m）设野象谷站，穿西双版纳隧道（10668m）、以（70+200+70）拱加劲连续梁跨越景洪澜沧江后至景洪机场东侧设西双版纳站，经飞龙再以（92+200+92）拱加劲连续刚构二次跨越澜沧江，设橄榄坝站，经曼么站穿曼么一号隧道、曼么二号隧道（9511m）后跨越南班河，跨梭罗河、穿曼木树隧道（11635）后设关累站，过勐远站、曼勒，穿勐腊隧道（13021m）过勐腊县至上龙茵设勐腊站，后至磨憨设口岸站至中（国）老（挝）国境线。

2. 设计范围

玉磨线玉溪至磨憨段站后施工图设计包含研和（不含）至磨憨国境线的所有站后工程和铺轨工程，具体范围如下：

玉磨正线：研和车站磨憨端DK4+582.897～新建铁路玉溪至磨憨线施工图设计终点D1K513+095.407，线路长499.433km。

本次工程不含玉溪西至研和先期开工段，包含玉溪西分区所及研和变电所供电线工程。

3. 地震烈度

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）及中国地震局地壳应力研究所《新建铁路玉溪至磨憨铁路沿线地震动参数区划报告》（2014年7月）划分，结合关累改线线位，沿线地震动峰值加速度如下表，相关工程需按规范要求设防。

4. 高地热隧道情况

根据地质专业提供的报告内容及施工单位现场反馈情况，本线有高地热的隧道，如下表所示：

5.隧道完成情况

玉磨铁路全线隧道共计93座，隧道全长397.64km，截止目前，隧道正洞完成106.4km，累计完成26.7%，隧道二衬混凝土强度为C30～C35。

二、设计方案情况

本线初步设计隧道内接触网基础采用后置化学锚栓方案。根据中国铁路总公司《关于进一步做好隧道接触网吊柱化学锚栓隐患排查整治的通知》（铁总运电【2017】155号）、《南昆客专隧道接触网吊柱化学锚栓松脱故障分析会会议纪要》（运供供电函【2017】313号）、《关于南昆客专隧道接触网吊柱化学锚栓松脱故障的通报》（运供供电电【2017】1556号）以及《关于隧道内接触网埋设件方案研究的报告》（鉴电签【2017】75号）等文件的要求，指挥部组织中铁二院于=结合玉磨铁路实际情况，针对玉磨线隧道内接触网设备及零部件基础锚固方案进行了研究。

1. 隧道内二衬未施工区段采用预埋槽道、二衬已施工区段采用原设计化学锚栓，投资较原施工图设计增加约9375.48万。

2. 隧道内二衬未施工区段采用预埋槽道、二衬已施工区段采用外置槽道，投资较原施工图设计增加14155.59万。

3.维持原设计后置入化学锚栓锚固方案，对原设计后置入化学锚栓锚固方式进行补强设计及锚固螺栓100%拉拔试验，费用增加1100万。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2015）及中国地震局地壳应力研究所《新建铁路玉溪至磨憨铁路沿线地震动参数区划报告》（2014年7月）划分，玉磨铁路沿线普遍处于抗震设防烈度7度（0.1～0.15g）、8度（0.2～0.25g）;同時根据地质专业反馈，玉磨铁路隧道存在高地热地质情况

为满足运输安全需要，按照相关设计规范和总公司有关文电要求，玉磨线采用投资合理的补强方案及检测手段可靠的实施方案，现对于高地震烈度和高地热隧道的方案要进行安全性和寿命期评估。

三、隧道内接触网基础安全性和寿命期研究

玉磨线隧道内接触网吊柱采用增加斜撑的补强设计，吊柱采用6颗化学锚栓，斜撑采用4颗化学锚栓。现对化学锚栓安全性及寿命期研究如下：

1. 高地震隧道区段化学锚栓安全性

（1）规范要求：

《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）规定“当在抗震设防区承重结构中使用锚栓时，应采用后扩底锚栓或特殊倒锥形胶粘型锚栓，且仅允许用于设防烈度不高于8度并建于I、II类场地的建筑物。”

《混凝土结构后锚固技术规程》（JGJ 145-2013）中规定（见下表），当抗震设防类度≤8度，受拉、边缘受剪和拉剪复合受力，生命线工程的情况下，扩底型锚栓和特殊倒锥形化学锚栓（力矩控制式胶粘型锚栓）可应用。

（2）计算实例：

1）计算依据：按照《研究玉磨铁路隧道内接触网基础后置入化学锚栓锚固相关问题》（建管处会议纪要【2018】35号）的会议纪要， “拟同意玉磨铁路隧道内接触网基础维持原设计后置入化学锚栓锚固方案。要求对原设计后置入化学锚栓锚固方式进行补强设计”，设计方案为吊柱法兰采用6颗化学锚栓在隧道顶固定，斜撑采用4颗化学锚栓在隧道顶固定。同时根据《混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓》（JG160-2004）5.4.4专项性能要求：对锚栓由疲劳性能要求或抗震性能要求时，应按附录F进行专项性能试验。附录F“专项性能要求及试验方法”规定，锚栓需满足要求—①锚栓承受模拟地震低周反复拉力荷载作用时满足：剩余抗拉能力：，，;②锚栓承受模拟地震低周反复剪力荷载作用时满足：剩余抗剪能力≥，。

2）计算过程：

根据GB 50367-2013对吊柱底部化学锚栓进行计算。

① 性能等级为8.8级的化学锚栓抗拉强度设计值

②M20锚栓应力截面积245mm²，锚固深度170mm。

③隧道内吊柱锚栓孔布置示意及受力示意图

④受力情况（考虑斜撑作用，标准值）：

垂直线路方向弯矩Mx=12kN .m，剪力：6kN;

平行线路方向弯矩Mx=5kN .m，剪力：1kN;

垂直力：7kN。

⑤计算步骤

锚栓受力计算

群锚中锚栓拉力设计值按下式计算：

代入数据得各锚栓受力情况如下：

（2）锚栓连接的基材混凝土受拉承载力设计值

式中：—锚栓连接的基材混凝土受拉承载力设计值（kN）

—混凝土立方体抗压强度标准值，按本项目隧道衬砌最低混凝土标号C30取30。

—锚栓有效锚固深度（mm），取170;

—胶粘型锚栓对粘结强度的影响系数，取0.85

—考虑各种因素对基材混凝土受拉承载力影响的修正系数，

=0.95×1×（791700/260100）=2.89

—单根锚栓受拉且无间距、边距影响时，混凝土理想锥体破坏投影面积（mm²），取9。

—单根锚栓或群锚受拉时，混凝土实际锥体破坏投影面积（mm²），

（400+3）×（360+3）=791700

代入参数得，

锚固区总拉力为71.58kN。因kN，故混凝土基材受拉承载力满足要求。

⑥计算结果

吊柱采用6颗M20化学锚栓，按本计算单螺栓布置方式布置，埋深170mm满足本线外荷载条件使用要求。

结论：本项目地震烈度并未高于8度，采用化学锚栓方案满足本工程地震烈度情况。

2. 高地热隧道区段化学锚栓寿命性

高地热地质段严重影响着隧道工程的施工质量及进度，是隧道施工中比较常见的不良地质类型。在高地热隧道区段，隧道衬砌混凝土浇筑后，高温环境会产生较大的温度附加力，导致混凝土内外温差较大而导致衬砌表面开裂，影响整体结构及围岩的稳定性，而接触网零部件的安装是在隧道衬砌上采用后置化学锚栓，锚固胶在较高的环境温度下，材料性能是否会下降，会不会对项目后期的运营带来安全隐患，是需要评估的重点。

（1）规范要求：

1）Q/CR 570-2017锚栓的主要技术要求5.1.6中提出：“使用温度范围为-40℃～50℃，安装温度范围为-5℃～40℃” ;

2）Q/CR 570-2017 5.2.2中规定：“力矩控制式胶粘型锚栓用锚固胶采用有机类改性乙烯基酯型锚固胶，具体性能见表3”：

注：Q/CR 570-2017 5.1.10中“力矩控制式胶粘型锚栓在安装力矩的作用下应保证倒锥形锚杆与锚固胶之间可产生相对位移”，即力矩控制式胶粘型锚栓的作用原理是不依赖于胶的粘结力的，胶的轻微老化是不影响锚栓的受力的，是靠胶杆分离后的类似机械锚栓的后续膨胀来受力;反之，如果倒锥形锚杆与锚固胶之间没有发生相对位移，即没有脱开，是完全依靠了胶的粘结力来受力，如果锚固胶一旦发生老化，锚栓的承载力下降的就会很快。

3）根据GB 50728-2011 4.1.3“工程结构用的结构胶粘剂，其设计使用年限应符合下列规定：

1  当用于既有建筑物加固时，宜为30年;

2  当用于新建工程（包括新建工程的加固改造）时应为50年;

3  当结构胶到达设计使用年限时，若其胶粘能力经鉴定未发现有明显退化者，允许适当延长其使用年限，但延长的年限须由鉴定机构通过检测，会同建筑产权人共同确定。”

4）《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013）规定“要求结构加固后的使用年限为50年时，其所使用的胶和聚合物的粘接性能，应通过耐长期应力作用能力的检验。”见如下要求。

结论：在满足各项规范规定下，化学锚栓满足本工程高地热隧道要求。

四、施工控制

1. 产品采购及施工控制

（1）化学锚栓严格按照以下要求采购：

1）锚固性能必须满足GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》、GB 50550-2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》、GB 50728-2011 《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》、JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》、JG/T 340-2011《混凝土结构工程用錨固胶》、Q/CR 570-2017《电气化铁路接触网用力矩控制式胶粘型锚栓》、TB 10421-2018《铁路电力牵引供电工程施工质量验收标准》的规定和要求。

2）化学锚栓必须进行相关技术设计联络，要求供货商提供正式有效的根据工程条件的锚栓锚固计算书及相关正式的认证报告（中文版）、检测报告等资料。

3）锚栓钢材材质不得低于GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》、JGJ 145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》、Q/CR 570-2017《电气化铁路接触网用力矩控制式胶粘型锚栓》中规定的8.8级（螺母、垫圈相应配套）;8.8级钢锚栓应采用1级热浸镀锌防腐，锚栓的局部热浸镀锌层厚度不小于50μm。

（2）化学锚栓螺杆横向中心线应与线路中心线垂直，纵向中心线与线路中心线平行，顺线路方向的施工允许偏差为±500mm，垂直线路方向的施工允许误差为±30mm。

（3）隧道区段的化学锚栓锚固抗拉拔力不应小于设计工作荷载。施工单位采用专用拉拔工具对所有化学锚栓，进行工作荷载的拉拔力检验，并做好检验记录，检验记录应经施工、监理签字汇总成册。具体非破坏检验荷载为：M12化学锚栓20KN、M16化学锚栓40KN、M20化学锚栓60KN。

（4）化学锚栓施工前，应由厂家向施工单位对施工注意事项及相关操作标准进行培训。

（5）施工单位锚栓打灌施工时，应严格按照产品说明书及验收规范进行施工。

2. 检验要求

本线采用的化学锚栓在锚栓安装、紧固或固化完毕后，应根据GB 50550-2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》的规定做破损性锚固试验（每一检验批锚固件总数的0.1%且不少于5件）及100%非破损性拉拔试验。非破损拉拔检验结果应由检测机构、监理及施工单位共同签字后移交各方存档。

五、结论

结合玉磨铁路所处的高地震烈度、高地热隧道的特点，在产品质量、施工质量及各项验收要求下，采用化学锚栓方案能满足玉磨铁路安全性及寿命期要求。

滇南铁路建设指挥部