波纹钢-混凝土组合明洞在双线铁路隧道洞口防护中的应用

2021-10-14王君顺

铁道建筑 2021年9期

王君顺

兰州铁道设计院有限公司，兰州730070

我国西部高山峡谷区地势陡峭，铁路及公路穿越该区通常需要修建大量隧道。受建设期地质条件、地形地貌、工程造价、设计理念、施工条件等的限制，个别服役隧道口存在刷坡范围大、边坡防护不到位、防护明洞结构过短或应设未设等情况。加之降雨、风化、地震等自然因素影响，隧道洞口可能产生危岩落石、边仰坡表层坍塌失稳滑落等工程地质灾害，严重威胁着线路的运营安全［1］。

铁路运营期诸多隧道洞口不良地质问题的凸显已引起工程技术人员对洞口工程安全的日益重视［2-3］。新建隧道常采用接长明洞、棚洞、设置主动防护网、被动防护网等综合方式进行有效防护［4-5］。对于已运营的线路，尤其双线线路，受洞口场地狭小、繁忙干线天窗点少、钢筋混凝土结构施工工期长、工序复杂、安全风险高等因素影响，常采用主、被动柔性防护网进行防护。上述方法对于崩塌落石的运动轨迹和滑坡体的范围很难定位，往往是治标不治本。明洞具有结构刚度大、抗冲击能力强、防护范围大、结构抗滑移性强等优点，因而，如何快速、高效、安全地接长既有干线铁路隧道洞口明洞成为急需解决的工程难题。

近年来，专家学者对隧道洞口采用的波纹板防护技术进行了大量研究［6］。付兵先等［7］利用足尺试验分析不同冲击能量下隧道洞口波纹板防护结构内力、变形及基础受力特性，应用LS⁃DYNA动力学软件建立落石冲击波纹板防护结构动力学分析模型，对落石冲击作用下波纹板防护结构的内力、变形及基础压力进行了分析。王伟等［8］提出采用三维激光扫描技术对钢波纹板套衬加固前后的隧道段进行扫描，建立包括外业扫描和内业处理的标准化工作流程。杜锋涛［9］以汉中市108国道槐树关隧道波纹钢板拱在隧道套拱加固技术中的应用为例，分析总结波纹钢板拱定位、拼装的施工方法和加固后的效果。陈望祺等［10］提出使用波纹钢板套衬的衬砌加固方法，使用化学锚栓将波纹钢板与衬砌混凝土连接，并在中间添加填充材料，对加固效果进行有限元数值分析。

本文在已有研究工作的基础上，以兰青铁路二线一运营双线铁路隧道洞口工程为依托，采用现场调查、理论分析、数值模拟等手段，对波纹钢-混凝土组合式明洞应用于既有线隧道洞口防护的关键技术开展研究，为类似工程提供参考。

1 工程概况

兰青铁路二线为联系甘肃和青海的铁路干线，设计速度为160 km/h，2008年开通。该隧道洞口位于河流北岸高阶地前缘近坡脚地带，地形起伏较大，地面相对高差约120 m，主要地层为砂质黄土、卵石层、泥岩。洞口明洞长15 m，斜切式洞门，仰坡设有被动防护网，线路右侧的高阶地黄土陡坎设有挡土桩，洞口段路基边坡设有重力式挡墙、锚索等防护结构。

兰青铁路二线开通运营多年来，由于受降雨、地震、风化、温度等因素作用，隧道洞口病害频发，经多次病害整治，均未能有效消除直立状陡坎崩塌对既有铁路运营安全的威胁。通过现场调研，总结出隧道洞口病害类型如下：

1）直立黄土陡坎风化剥落。在洞口顶部及线路右侧的高阶地上分布有长约100 m，高约30～50 m的砂质黄土层，其下部粗圆砾层及泥岩层风化剥落严重，砂质黄土层多呈近直立状的陡坎，在降雨、地震等灾害作用下，极易失稳崩塌。运营期多次进行坡面加固，铺设防水布、增设抗滑桩，在隧道洞口仰坡上方仍有剥落崩塌体。

2）边坡风化开裂。洞口坡面喷射混凝土开裂剥落，围岩裸露，喷锚失效，边坡顶部局部位置出现较深滑塌、溜坍，体积较大。

3）支挡结构变形开裂。隧道洞口重力式挡墙局部开裂，形成错台，裂缝最大3 mm，错台高5 cm。

2 组合式明洞结构设计

既有线为繁忙干线，天窗时间短（2～3 h），为减小既有线施工对线路造成的干扰，结合洞口地形地质条件，隧道出口设置长107.5 m波纹钢-混凝土组合式明洞结构，衬砌断面见图1。明洞为C35钢筋混凝土，厚80 cm，内模采用300 mm×110 mm×7 mm镀锌钢波纹板，为减小拆模及对运营干扰，提高施工效率，现场进行预制拼装。

图1 明洞衬砌断面（单位：cm）

板材分为A型和B型两种，板材之间采用M24高强度螺栓连接，钢波纹板每环纵向搭接不小于5 cm，环向搭接不小于12.5 cm，每环拼装方式展开如图2。

图2 每环波纹钢展开（单位：mm）

为增强波纹钢-混凝土组合明洞整体强度及稳定性，考虑运营接触网安全及明洞衬砌自重变形，将衬砌断面半径加大5 cm，明洞钢筋混凝土结构下部设置承台梁基础，承台梁顶面背靠背设置一对L形角钢，通过预埋地脚螺栓固定。为控制钢波纹板变形，提高钢波纹板与混凝土间的黏结力，增加钢与混凝土组合结构的整体性，在波纹板上设置剪力钉和U形锁扣，见图3。钢波纹板外围设置劲性钢筋骨架，剪力钉将波纹板与混凝土连接，U形锁扣将钢波纹板与劲性钢筋骨架连接，混凝土与劲性钢筋骨架握裹。

图3 波纹钢-混凝土连接方式（单位：mm）

3 明洞结构数值分析

3.1 计算模型

选取代表性里程K61+050—K61+083段明洞为典型断面，进行施工过程和运营期抗冲击荷载数值分析。根据设计资料，采用ANSYS建立有限元模型，见图4。

图4 整体有限元模型（单位：m）

模型宽75.6 m，左边界高30 m，右边界高50 m，边坡高20 m，坡顶平台和坡脚平台长20 m。模型底边界约束水平（x轴）和竖向（y轴）位移，两个侧边界约束法向（z轴）位移。回填土石、明洞混凝土衬砌、边墙、承台梁和地层均采用四节点平面单元plane42模拟，波纹钢板采用beam3梁单元模拟。设计中波纹钢板与混凝土衬砌采用剪力钉连接，因此假设二者共同受力，协调变形，采用共节点方式连接。

计算模型中回填土石、人工填土、强风化泥岩采用DP模型。明洞混凝土衬砌、承台基础梁、边墙、波纹钢板（Q345）、基岩（弱风化泥岩）采用弹性模型。波纹钢板根据刚度等效原理，将其等效为矩形截面梁。计算公式为

式中：I为波纹钢板惯性矩；A为波纹钢板截面面积；b为等效矩形截面宽度，平面模型取1 m；h为等效矩形截面高度。

计算模型中采用的波纹钢型号为波距300 mm-波高110 mm-厚度7 mm，在CAD中建立几何模型，可换算得到单位波距上的惯性矩I=7.91×0-6m4，截面面积A=0.010 16 m2，代入式（1）可得等效矩形截面高度h。计算材料参数根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》［11］选取，具体参数见表1。

表1 计算参数

计算中考虑两种阶段，即明洞施工阶段和运营阶段。施工阶段采用ANSYS中生死单元法进行模拟，运营阶段在施工阶段的计算分析基础上，施加落石冲击荷载。

3.2 落石冲击荷载

明洞建成运营期间，要承受偶然发生的落石冲击荷载，冲击力的确定是明洞结构设计的关键因素。由于落石冲击过程是一个复杂的高度非线性问题，冲击力与落石形态、冲击能量（速度）、冲击接触时间、回弹效应、运动形态（如平动、滚动、滑动、弹跳）、垫层力学参数等密切相关，国内外学者针对冲击荷载的确定进行了深入研究，提出了不同的计算方法，如我国铁路隧道设计手册法［12］、日本算法［13］、瑞士算法［14］、澳大利亚算法［15］、杨其新法［16］等。但由于问题的复杂性，即使对于同一工程不同方法得到的计算结果差异性也很大［17］。

为简化计算分析，假设落石为自由落体运动，势能全部转换为冲击动能，并且落石冲击后不发生回弹，与垫层密切接触。根据能量原理和冲量定理有

式中：Q为落石冲击能量；m为落石质量；g为重力加速度；v为落石冲击速度；F为落石冲击力；Δt为落石冲击时间。

落石冲击时间Δt可采用文献［11］建议的弹性压缩波理论求解，即

式中：H为垫层厚度；C为压缩波波速；E为垫层的弹性模量；ρ为垫层密度；μ为垫层泊松比。

假定落石形状为直径1.0 m的球体，密度为2 500 kg/m3，质量为1 309 kg。根据实际工程，确定合理的冲击能量，将表1中回填土层参数代入式（2）和式（3），可确定冲击力。计算中假设落石冲击力以集中力形式施加于明洞拱顶正上方回填土层（厚度2 m）节点上。

根据Muraishi等［18］对日本某铁路沿线发生的落石冲击能量的统计分析，落石能量大致呈正态分布，大部分统计样本分布在1～100 kJ区间内，小于1 000 kJ的样本大致占90%。实际工程中，较大体积的落石（即冲击能量大）可采用工程手段进行清除，因此本文计算时落石冲击能量最大值取100 kJ，冲击力计算工况见表2。

表2 计算工况

3.3 计算结果分析

图5为不同阶段下明洞结构第一主应力（主拉应力）云图。可以看出两种阶段第一主应力分布规律大致相同，在明洞拱圈与边墙连接处和明洞靠山侧外缘应力较为集中。明洞建成后，第一主应力最大值约为358 kPa，施加落石冲击荷载后最大值约为690 kPa，比施工阶段增加了92.7%。这说明落石冲击荷载对明洞结构主拉应力产生了显著影响。

图5 不同阶段下明洞结构第一主应力云图（单位：Pa）

图6为不同阶段下明洞结构位移云图。可以看出两种阶段位移云图分布规律相似。明洞建成后，位移最大值为2.444 mm，施加落石冲击荷载后，位移最大值为2.672 mm，与施工阶段相比增加了9.3%，与图5主拉应力相比，位移增加量较小，说明落石冲击对结构应力影响更为显著。

图6 不同阶段下明洞结构位移云图（单位：m）

图7为明洞混凝土衬砌主应力最大值与冲击能量关系曲线，图中冲击能量为0代表施工工况（即只有自重作用）。可以看出随着冲击能量的增加，主拉应力和主压应力在0～20 kJ内呈非线性增加，超过20 kJ时大致呈线性增加。并且冲击荷载产生的主应力增量相比自重作用增长巨大，因此冲击荷载是明洞结构设计的关键指标。若以C35混凝土单轴抗拉强度设计值为控制标准，则本明洞结构的抗冲击性能大致为70 kJ。

图7 明洞结构混凝土主应力最大值与冲击能量关系曲线

图8为波形钢板主应力最大值与冲击能量关系曲线。可以看出，冲击能量超过10 kJ时，随着冲击能量的增加，主应力最大值呈现线性增加趋势，且主压应力普遍高于主拉应力，但波形钢板应力数值均较小，远小于屈服强度345 MPa。

图8 波形钢板主应力最大值与冲击能量关系曲线

4 现场实施要点

1）按照铁路部门评审过的施工方案组织进场实施。利用天窗点拆除既有洞门帽檐、挡墙。天窗点结束后，清理现场废弃材料，确保未拆除混凝土块不会掉落。

2）波纹钢板6 m为一环，分段吊装施工。吊装前用螺栓紧固拼装成型后，测定一次截面形状，达到标准再继续拼装，达不到标准及时调整。拼装合格后，应在空旷场地试吊，确保拼装形状、螺栓紧固，预紧力扭矩控制值270～410 N·m。

3）波纹钢板每环质量11.3 t，采用50 t吊车进行试吊合格后，选择天窗时间，接触网停电进行吊装作业。吊装时应保证起吊高度（距接触网高度不小于50 cm），严禁与接触网发生碰触。

4）波纹钢板环向搭接长度不小于15 cm，纵向搭接长度不小于5 cm，且为防止衬砌混凝土浇筑及后期运营时水泥浆及雨水渗漏，在每环波纹板的纵向接缝、环向接缝以及变形缝处铺设橡胶止水带，并且现场进行闭水试验验证。

5）衬砌钢筋绑扎时，每隔1.5 m绑扎劲性格栅钢架，采用锁扣钢筋与钢波纹板焊接牢靠，进一步增强钢波纹板的刚度和稳定性。在钢波纹板的保护下，外部脚手架绑扎或拆除、混凝土浇筑、外模架立等施工均不会因倾倒、坠落、悬空等意外对既有铁路运营造成干扰，如图9所示。

图9 钢波纹板与格栅钢架连接

6）明洞衬砌在衬砌断面变化、地层软硬分界处设置变形缝，变形缝结合施工缝设置。施工时为防止杂散电流引起事故，在每一处变形缝的钢波纹板脚部焊接有接地钢筋，接地钢筋插入基础承台梁中进行接地。

7）绑扎衬砌钢筋，对称浇筑衬砌混凝土，施作明洞外防水卷材及土工布。

8）明洞回填。明洞外防水层施作完成且衬砌混凝土达到100%设计强度后，应从结构两侧分层、对称回填，回填土石时应尽量采用人工回填。为避免对防水卷材及土工布破坏，应分层夯实，每层厚度不大于0.3 m。两侧回填土石的高度不得大于0.5 m，回填至与拱顶齐平后，再分层满铺填筑至设计高度。采用机械回填时，应在人工夯填超过拱顶1.0 m以后进行，机械压实采用静压方式施工，严禁采用振动式压路机施工，压实系数不小于0.9。

对于既有明洞仰坡段，为减小对既有高边坡山体扰动，维护既有明洞稳定，不再开挖既有明洞已存在的回填土体，仅对既有明洞暴露部分表面刮涂3 cm厚水泥砂浆保护层后，进行土石回填。回填面应与既有明洞边仰坡及新增设明洞回填面顺接，并做好复合防水层的施作，严防外部水体渗入。