铁路隧道衬砌波纹板套衬结构设计与应用关键技术

2021-11-08付兵先马伟斌邹文浩李尧

铁道建筑 2021年10期

付兵先马伟斌邹文浩李尧

中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京100081

随着我国铁路隧道大规模投入运营，隧道衬砌缺陷与病害问题逐渐显露，尤其是在我国东北、西南、东南地区［1］。针对隧道衬砌缺陷与病害常采用表面环氧树脂封闭或填充砂浆、黏贴碳纤维或芳纶纤维布、W 钢带+锚杆、挂网锚喷、内嵌拱架、混凝土套衬等方案进行整治。受天窗时间、操作空间、施工环境等条件的限制，现有的衬砌缺陷与病害整治方案存在工期长，施工成本高，施工风险高，总体施工工效较低的问题。

针对上述问题，波纹板技术逐步被用于铁路隧道病害整治［2］。波纹板技术于1784 年诞生于英国，最初被用来代替混凝土桥梁与涵洞。到目前为止，欧美一些国家相继建立了较为完善的波纹板加工制造、结构设计、施工以及检测评定体系，并且制定了相应的规范。相比于国外，国内波纹板技术的应用相对较晚，目前主要在公路行业得到了广泛应用。国家、行业与各地方相继出台了多部有关波纹板产品、设计及施工技术规范。与国外以及国内公路行业相比，波纹板技术目前只在铁路隧道、涵洞病害整治中得到了部分应用［3-6］。部分研究人员对波纹板加固隧道承载力性能开展了相关研究［7-10］。

尽管波纹板技术已在铁路隧道病害整治中少量应用，但是目前设计人员对该技术的认识还不够全面。因此，本文根据已有波纹板技术的研究以及应用经验，对隧道衬砌缺陷与病害波纹板套衬技术进行全面的梳理，为后期该技术的推广应用提供参考。

1 波纹板套衬技术

1.1 波纹板套衬结构原理

波纹板套衬技术是在既有含缺陷与病害隧道衬砌内侧加装一层波纹钢板结构，波纹板与既有衬砌之间通过植筋进行连接，并在其间灌注高强微膨胀水泥基灌浆料，最终形成的一种钢-混组合结构。事实上，波纹板套衬结构与拱桥结构受力类似，当上部荷载作用在该结构时，拱顶的弯矩可以忽略不计，荷载主要通过轴力传递至墙角部位。其中，沿结构环向的植筋、墙角锁脚锚杆及基础将承担所有轴力。该组合结构不但改善了结构的受力，而且对隧道衬砌起到了加固的作用。

1.2 波纹板套衬适用范围

波纹板套衬结构总体厚度较小，可以应用于受隧道建筑限界限制、无法施作钢筋混凝土套衬的地段。波纹板作为延性结构，可以应用于受冻胀力、地应力、膨胀力、水压力作用以及衬砌背后存在较大空洞且容易发生落石冲击衬砌的地段。波纹板作为一种面状结构，还可以应用于隧道衬砌开裂变形且容易发生大面积剥落、掉块的地段。除此以外，由于波纹板结构为装配式结构，将其应用于混凝土原材料、拌和用水缺乏的地段以及工期紧迫、应急抢险工程地段有显著的优势。

2 波纹板套衬结构设计

2.1 结构布置

波纹板套衬（含注浆层）结构理论总厚度为50 ～160 mm，能够满足重载铁路、客货共线铁路、普速铁路、客运专线隧道建筑基本限界要求。在曲线段需要考虑线路超高、隧道中线偏离、线路偏离等因素对波纹板结构尺寸的影响。波纹板套衬结构横断面布置见图1。

图1 波纹板套衬断面

2.2 波形选择

根据高速铁路、重载铁路、客货共线铁路以及普速铁路隧道建筑限界要求，并考虑施工可行性以及经济性因素，适宜于隧道波纹板套衬的波形主要有3类：200 mm×55 mm、230 mm ×64 mm、300 mm×110 mm。

2.3 连接及拼装方式

采用波纹板套衬技术时，从结构受力、加工便捷性、隧道限界等角度考虑，建议波纹板板块之间采用搭接方式。波纹板每环由多块板构成，可根据隧道轮廓情况采用通缝或错缝拼装方式。

2.4 螺栓防松动

列车通过波纹板套衬区段产生的振动对波纹板的影响主要表现为沿承压面的横向振动，在此横向振动作用下螺栓可能存在掉落的风险。前期实测结果表明，列车通过隧道时衬砌拱部振动加速度基本在0.1 m/s2以内，几乎对衬砌无影响。从运营安全管理角度考虑，螺栓可采取防松动设计方案，见图2。

图2 螺栓防松动设计方案（单位：mm）

2.5 基础设计

采用波纹板套衬技术时，需要占用隧道部分电缆沟槽，并在其底部进行植筋，然后重新施作基础。波纹板基础见图3。

图3 波纹板基础（单位：cm）

3 波纹板套衬防腐设计

3.1 腐蚀环境分析

波纹板套衬结构作为部分埋置结构主要受隧道内大气环境（工业大气腐蚀［11］、海洋大气腐蚀、城郊大气腐蚀等）、衬砌背后围岩（土壤腐蚀，包括杂电流）以及粉尘颗粒的影响。因此，必须与普通钢制管道一样做防腐处理，进而延长波纹板套衬结构的寿命。

3.2 防腐技术

美国钢铁学会、美国材料学会、加拿大钢波纹管协会等国家对波纹管的腐蚀技术进行了研究，并提出了相应的防腐措施［12-14］。较为典型的防腐措施见表1。另外，电气化铁路除需考虑波纹板材料的防腐问题外，还应考虑波纹板的绝缘性。

表1 现有典型防腐措施

4 波纹板套衬过渡措施设计

4.1 洞室及接触网立柱过渡

波纹板加工前应对洞室，接触网立柱的实际位置、长度及高度进行现场测量，板片加工时应预留窗口，待整环拼装完成后再对窗口进行封闭处理。

4.2 回流线过渡

波纹板套衬施工影响到既有回流线时，受套衬影响段供电回流线恢复后距波纹板的距离应不小于10 cm。不满足要求时可采用瓷瓶或者绝缘支架进行迁改处理。

4.3 底部电力、通信线缆过渡

波纹板套衬施工时，可采用防护措施对其线缆进行保护，有条件时也可将部分电缆迁改至侧沟或靠轨道侧电缆槽内。

4.4 波纹板套衬接地设计

波纹板套衬施工完成后须进行接地处理，接入隧道综合接地系统，接地后的电阻不大于1 Ω。

5 波纹板套衬结构检算

5.1 截面强度检算

5.1.1 截面参数获取

由于波纹板套衬结构为构造上正交的各向异性板，其截面参数可采用积分法、几何公式法、CAD 生成法以及自定义截面法获取。

5.1.2 结构内力计算

波纹板套衬结构主要受到围岩压力、结构自重以及特殊荷载的作用。深、浅埋地段的检算荷载应按照TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》中的要求取值；膨胀岩、高地应力及高水压等特殊地段应根据实测荷载或工程类比确定。

波纹板套衬结构内力计算可采用理论或数值方法。采用理论方法进行结构内力计算时，将波纹板结构简化为均布荷载或径向均布荷载作用下的拱形结构，按照位移法、力法或能量法计算波纹板结构内力。采用数值方法进行结构内力计算时按照荷载-结构或地层-结构法进行［14］。

5.1.3 截面检算方法

采用波纹板套衬技术整治隧道衬砌缺陷与病害时，既有隧道衬砌结构的剩余承载力难以确定。因此，可按照既有衬砌结构失效和未失效两种情况进行截面强度校核。

1）不考虑二衬结构承载力，结构失效

既有隧道衬砌完全失效，且波纹板背后注浆不饱满，波纹板结构与注浆层、既有衬砌之间后期产生滑移。此种工况下，建议只考虑波纹板作为承载结构，验算波纹板截面承载力。此时，波纹板结构截面强度检算公式为

式中：σ为截面应力；A为单位长度截面积；N0为截面处板所受轴力；M为截面处所受弯矩；W为抗弯模量；[σ]为钢板容许应力。

2）考虑二衬结构承载力，结构未失效

当二衬结构未失效且注浆层饱满时，可将二衬、波纹板及注浆层视为钢-混组合结构，按照平截面假定进行正截面承载力计算。此时，应遵循的假定为：①假定植筋起到了锚固作用，注浆层与波纹板之间不发生滑移，各种材料之间的变形是协调的。②波纹板套衬结构正截面平均应变分布应当能保持为平面，组合结构受力可等效为矩形应力图式。忽略受拉区混凝土（含新填充混凝土）的抗拉强度。③波纹板套衬结构受拉波纹板屈服的同时受压区混凝土被压碎为界限破坏形态。④混凝土受压应力应变关系采用Rüsch1960 年提出的二次抛物线加水平直线模型。另外，钢筋、波纹板材料本构模型采用理想弹塑性模型。

按照以上假定，波纹板套衬结构在受拉侧主要存在4种破坏形态（4种形态下受压区混凝土全部屈服）：受拉钢筋屈服、受拉波纹板屈服、受拉钢筋与波纹板均屈服、受拉钢筋与波纹板均未屈服。以下以第1 种破坏形态为例进行论述，其他3 类破坏形式按此进行分析即可。

第1 类破坏形态为：偏心距e≤ξb，受压侧混凝土和钢筋均达到极限压应变εcu、ε′y，受拉侧钢筋达到极限应变εy，受拉侧波纹板应变εcp未屈服，见图4。

图4 波纹板套衬破坏形式

根据力学平衡，偏心条件下正截面承载力公式为

式中：ξb为受压区高度；β为等效矩形应力图特征参数，取为0.8；εcu为混凝土极限压应变，取为0.003 3；εy为受拉钢筋极限应变；fy，fy′分别为原衬砌受拉、压区纵向钢筋抗压、拉强度设计值；Es为钢筋弹性模量；N为衬砌加固后轴力设计值；fcm为原衬砌混凝土弯曲抗压强度设计值，取值为1.1fc，fc为混凝土棱柱体抗压强度设计值；l为波纹板波距；xub为混凝土受压区高度；A′s为原衬砌受压较大边纵向钢筋截面面积；As为原衬砌受拉边纵向钢筋截面面积；Acp为受拉波纹板截面积；σcp为受拉波纹板应力；h为加固前衬砌原截面总高度；h2为受拉波纹板截面形心至原构件截面近边的距离；as、a′s分别为原构件受拉边或受压较小边纵向钢筋合力点至原截面近边的距离；Ecp为波纹板弹性模量。

以上部分是对受拉侧进行的分析，对于受压侧同样存在4 种破坏形态：受压钢筋屈服、受压波纹板屈服、受压钢筋与波纹板均屈服、受压钢筋与波纹板均未屈服，具体正截面承载力的分析可按照前述进行即可。

5.2 结构稳定性检算

波纹板套衬结构作为各向异性正交拱形结构同样存在面内屈曲问题，出现不同的屈曲模态。关于波纹板结构屈曲荷载的计算，目前国内外主要依照加拿大公路桥梁设计规范与美国钢铁协会的规范［12，14］。事实上，隧道波纹板套衬结构为无铰等截面深拱结构［15］。针对波纹板套衬结构的失稳问题，应验算临界荷载或荷载系数、屈曲应力、屈曲模态等参数，必要时还需验算屈曲发生的位置以及对应的圆心角，以便为后期部位加强提供理论依据。

5.3 结构变形检算

波纹板套衬结构变形可采用赛代尔推导出的波纹板等效刚度的近似公式进行分析，获得其主刚度后，利用弹性理论公式即可得出拱形结构的径向位移。还可直接采用荷载-结构或地层-结构模型进行波纹板结构变形计算。

5.4 连接件承载力检算

波纹板套衬结构板块之间采用高强螺栓连接，连接件主要为承压型连接。承压型高强度螺栓的抗剪强度主要由螺栓杆受剪和孔壁承压两种破坏模式控制，应根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》相关规定分别计算，取其最小值进行设计或者建立有限元模型进行承载力分析。

连接件承载力计算还可以建立有限元模型进行分析，螺栓采用实体Solid45 单元、波纹板采用shell63单元进行模拟。

5.5 螺栓防松动检算

横向载荷（垂直于螺栓轴向）是引起螺纹连接结构松动的主要原因。对螺栓松动性能最直接的评价是通过螺栓防松动试验。现有的试验机由于夹具的问题不能直接进行连接件防松动试验，改装后方可进行试验。试验加载振动频率在无实测数据下可取12.5 Hz 进行横向振动试验。另外，连接件施加扭矩时，应考虑不同防腐措施下扭矩系数差异性，尤其是非金属涂层扭矩系数建议依据扭矩试验结果设定，试验样品及结果见图5。

由图5 可知：M20 防松垫圈在保证施工预紧力的情况下，预紧力损失最大为5.9%；M20 连接件在保证施工扭矩的情况下，预紧力损失最大为9.6%；在振动工况下预紧力损失小，正是因为螺纹不容易松动，其施加最大预紧力时的螺栓长度不会变化，所以预紧力能长时间保持。总体而言，M20 防松垫圈及连接件的预紧力保持在90%以上，预紧力损失较小，后期螺栓不会发生振动掉落的问题。

5.6 基础承载力检算

波纹板套衬结构钢筋混凝土条形基础建议简化为支撑在刚性地基上的弹性梁结构，可采用经典的弹性力学计算公式获取基础结构内力，并依据混凝土结构设计规范进行配筋计算。也可直接采用荷载-结构模型计算结构内力，进行配筋计算。

6 波纹板套衬空气动力学效应

采用波纹板套衬结构后，隧道净空断面积的减少可能会降低车内乘客的舒适度以及影响洞口微气压波量值。因此，采用CFX 空气动力学软件，分析了复兴号标准动车组分别以350、300 km/h 速度级在隧道中心（套衬中心）交会时隧道壁面和动车组车体表面的气动效应，见图6。可知：复兴号动车组以350 km/h及以下速度级通过不同波纹板套衬长度下地段时，列车空气动力学性能、隧道气动效应均满足相关标准要求。另外，列车振动与气动效应耦合振动下，作用在波纹板结构上振动加速度小于0.5 m/s2，波纹板套衬结构安全。

图6 波纹板套衬空气动力学效应

7 波纹板套衬施工工艺

采用波纹板进行套衬施工时，由于隧道作业空间受限，加上隧道内天窗主要为垂停或垂停+V 停模式，须要根据天窗实际情况，提出相应的安装方法。波纹板套衬结构施工工艺见图7。

图7 波纹板套衬施工工艺

8 波纹板套衬质量控制

1）波纹板板片进场后，应对板片数量、尺寸、螺栓孔距等外观进行检查，同时还应核查出厂检验报告、合格证等资料，确保板片质量与安装精度。

2）高分子涂层表面应均匀光滑、连续、肉眼少见可分辨的小孔、空间、孔隙、裂缝、脱皮及其他缺陷，且涂层单面厚度应在设计范围之内。

3）依据设计要求，待波纹板拼装完毕且未进行植筋及注浆工序时，应对套衬限界进行复核，确保套衬后结构不侵入各类限界。

4）为保证螺栓扭矩Th达到设计值，随机抽取结构上纵缝2%的螺栓，按照扭矩法或转角法进行抽检试验，扭矩系数应在0.90Th～1.05Th内，超过了给定的扭矩范围则应抽检纵向和环向接缝所有螺栓的5%。如果上述试验的90%以上满足要求则认定安装是合格的，否则应重新复核，以确定扭矩值是否满足要求。

5）采用锁脚锚杆将波纹板与衬砌进行连接，其锚杆长度、入岩深度以及单根锚杆拉拔力应满足设计要求。

6）在不同标高位置布置的植筋，其植入深度、单根植筋拉拔力应满足设计要求。

7）波纹板套衬施工完毕后，应对接地电阻进行测量，须满足设计要求。

9 波纹板套衬养护维修

一般情况下，波纹板套衬结构在设计使用年限内因超荷载使用而遭到破坏的概率很小。波纹板套衬结构损坏大多是施工期间安装不当造成的，部分是因锈蚀造成结构力学性能和物理性能降低。根据前期实际应用效果，针对波纹板结构，建议5 ～10年作为一个维护保养周期。养护维修的主要内容为：①涂层日常维护检查、涂层的修复与更新；②螺栓日常检查、螺栓维护及修复。

10 波纹板套衬与混凝土套衬性能对比

波纹板作为一种轻质钢结构，与混凝土结构承载力相比，具有众多优势。从经济性及施工可行性角度出发，以200 mm×55 mm×6 mm 型号波纹板为例，从材料性能方面与C35混凝土套衬（30 cm）进行对比。

1）在抗压方面，按照承载力极限状态设计，波纹板材料分项系数取1.5，混凝土材料分项系数取1.4，波纹板套衬与混凝土套衬抗压性能对比见表2。采用混凝土或波纹板套衬均能满足承载力要求。

表2 抗压性能对比

2）Q345 钢板抗拉极限强度为490 ～ 620 MPa，C35混凝土抗拉极限为2.4 MPa，每延米200 mm×55 mm×6 mm相当于100 cm的C35混凝土。

3）在发生同等挠度情况下，每延米200 mm ×55 mm × 6 mm 波纹板相当于 15 cm 的 C35 混凝土，考虑波纹板背后5 ～15 cm 的特种灌浆层后，发生同等变形下，波纹板钢混套衬结构相当于20 ～30 cm 的混凝土。但是，当混凝土发生同等过大变形时，已经出现开裂，严重时结构出现掉块等安全隐患，波纹板具有延性，能够适应较大变形，即使二衬结构出现大面积开裂，波纹板也可以将其“兜住”不会出现掉块风险。

4）波纹板套衬在施工简便性、工期、造价等方面具有显著的优势。①波纹板套衬方案的优点是：承载力满足要求，效果较好；结构为厂制装配式结构，产品质量能得到保证；施工工期短，工期只有混凝土套衬的一半，施工风险小；造价较混凝土套衬低40% ～60%。施工中一般不需要对接触网设备进行拆换及迁改处理；侵占隧道内轮廓较小，占用15 cm 左右，后期如有问题，还可以利用剩余15 cm 空间进行加固。有效净空面积占用较少，满足空气动力学指标要求；施工期间列车不用限速，施工对运营无影响。缺点是：结构耐久性理论上大于100 年，实际上较混凝土略低（采用耐候钢除外）；超过一定服役年限后建议对结构进行养护（如螺栓检查、必要时涂层修复）；施工过程中要避免破坏涂层；需要专业队伍施作。②混凝土套衬方案优点是：承载力满足要求，效果好；混凝土耐久性好；后期易于养护维修。缺点是：施工工期较长，造价较高；施工需要对接触网等四电设备进行拆换，且工序复杂，施工风险大；全部利用隧道工程技术作业空间，侵占隧道内轮廓，有效净空面积降为92.8 m2，后期套衬地段若出现问题无修复空间；混凝土容易开裂，严重时发生掉块；施工期间列车要限速，施工对运营影响较大。