高速铁路隧道内接触网后锚固胶粘型锚栓可行性研究

向 荣

(中铁上海设计院集团有限公司 上海 200070)

1 引言

高速铁路建设初期，铁总工管中心和鉴定中心曾召集路内设计、咨询及施工等单位的专家，对高速铁路隧道内接触网基础是采用预埋槽道，还是采用后置锚栓进行过深入研讨[1－2]。目前，高速铁路隧道内接触网基础一般采用预埋槽道，通过近十年建设应用，已成为高速铁路接触网基础的标准设计。根据«高速铁路设计规范»[3]第8.1.1条，隧道主体结构设计使用年限应为100年；«建筑结构荷载规范»[4]第3.1.3条，接触网结构应采用50年基准期。预埋槽道大多采用碳钢材质、热浸镀锌防腐工艺，隧道内空气相对潮湿，碳钢锈蚀难以避免，金属槽道很难达到与隧道混凝土结构同等寿命程度，只能更换接触网基础。因此，为寻找更换槽道的方法，研究人员对槽道结构本身进行了充分研究，如更改锚杆型式，使之具备可更换功能[5]；改变槽道本体与锚杆连接方式的可拆卸或可更换式槽道[6－7]；锚杆外部设置套管的地铁用可更换式槽道[8]等，但以上几种结构均无工程应用。另外，建设过程中隧道内预埋槽道出现不平行或精度差等质量问题[9－10]时，常采用外置槽道[11]方案。

面对接触网基础与隧道主体结构存在的寿命周期差异的问题，后隧道时代，如何处理到使用期限后的高速铁路隧道内接触网基础，不能凿挖隧道来重新预埋槽道，后锚固就成为了必然，后锚固胶粘型锚栓能否成为预埋槽道失效后的主要技术方案，有必要对此进行深入研究。

本文选取时速350 km客运专线隧道内接触网数据进行研究，参考铁路工程建设通用参考图«时速350 km高速铁路接触悬挂安装图»[12]的接触网结构尺寸，计算接触网中间柱吊柱、接触悬挂下锚底座处的荷载(AF线吊柱可参照中间柱吊柱进行设计)。根据荷载进行锚栓受力理论计算，提供工程实例，为后锚固胶粘型锚栓选型应用提供支撑。

2 计算中间柱吊柱、下锚底座的负载

2.1 接触网相关参数

牵引供电方式为AT供电，接触网采用全补偿弹性直链型悬挂。接触网的线索规格、额定张力、气象条件及单位质量等相关参数如表1所示。

表1 接触网相关参数

2.2 吊柱、下锚底座负载计算

吊柱负载指在工作状态下，吊柱基础底面处(隧道面)可能出现的最大弯矩，吊柱负载计算就是计算该最大弯矩值，其目的是根据计算结果设计能够承受负载的基础。

隧道内，接触悬挂的工作支和非工作支一般分开悬挂在不同的吊柱上，即接触网腕臂安装为中间柱形式；平面布置时，接触悬挂吊柱与附加悬挂吊柱顺线路方向错开布置，不同吊柱安装。因此，依据表1数据对中间柱吊柱、下锚底座进行负载计算，其接触网结构形式如图1所示，相关尺寸数据如表2所示。

图1 接触网结构形式

表2 中间柱吊柱结构尺寸mm

根据接触悬挂相关力学公式进行计算，负载计算结果如表3所示。

表3 中间柱吊柱、下锚底座负载

3 锚栓受力计算

3.1 隧道二次衬砌参数

锚栓锚固于隧道二次衬砌之上，其厚度、混凝土强度、钢筋规格等均与锚栓计算有关。参考铁路工程建设通用参考图«时速350 km客运专线双线铁路隧道复合式衬砌»[13]，隧道二次衬砌参数如表4所示。

表4 隧道二次衬砌参数

由表4可知，衬砌的混凝土标号在C30以上，拱墙厚度大于300 mm，根据工程经验，可满足接触网基础的需要。在设计时，接触网专业将需要设基础的位置及埋深提给隧道专业，隧道专业根据接触网基础位置情况，考虑如二次衬砌厚度不够时，一般将厚度提至500 mm左右；如为隧道素混凝土二衬结构时，进行接触网基础部位衬砌钢筋网片及三肢钢架结构加强结构设计。

3.2 接触网基础荷载计算

中间柱吊柱设计常采用(320×480)mm四栓矩形布置，下锚底座设计常采用(500×550)mm四栓矩形布置，据此分别计算群锚锚栓受拉、受剪和拉剪复合承载力。经锚栓计算软件计算锚栓需承受的剪力、轴向拉力、弯矩值，接触网基础荷载如表5所示。

表5 接触网基础荷载

3.2.1 群锚锚栓受拉计算

根据«混凝土结构后锚固技术规程»[14]，采用承载能力极限状态计算法相关公式进行群锚锚栓受拉计算。

(1)群锚锚栓受拉承载力应符合式(1)、式(2)规定:

式中:为群锚中拉力最大锚栓的拉力设计值，N；为群锚受拉区总拉力设计值，N；N为锚栓钢Rd，s材破坏受拉承载力设计值，N；NRd，c为混凝土锥体破坏受拉承载力设计值，N。

(2)锚栓钢材破坏受拉承载力设计值按式(3)、式(4)计算:

式中:NRk，s为锚栓钢材破坏受拉承载力标准值，N；γRs，N为锚栓钢材破坏受拉承载力分项系数，取1.3；As为锚栓应力截面面积，mm2；fyk为锚栓屈服强度标准值，N/mm2。

(3)混凝土锥体破坏受拉承载力设计值按式(5)～式(7)计算:

对于开裂混凝土:

式中:NRk，c为混凝土锥体破坏受拉承载力标准值，N；为单根锚栓受拉时，混凝土理想锥体破坏受拉承载力标准值，N；γRc，N为混凝土锥体破坏受拉承载力分项系数，取1.5；fcu，k为混凝土立方体抗压强度标准值，N/mm2；hef为锚栓有效锚固深度，mm；A0c，N 为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面积，mm2；Ac，N为单根锚栓或群锚受拉时，混凝土实际锥体破坏投影面面积，mm2；ψs，N为边距c对受拉承载力的影响系数，取1.0；ψre，N为混凝土因密集配筋的剥离作用对受拉承载力的影响系数，取1.0；ψec，N为荷载偏心eN对受拉承载力的影响系数，取1.0。

3.2.2 群锚锚栓受剪计算

根据隧道吊柱安装条件，锚栓边距通过调整安装位置达到大于10hef，所有锚栓均匀分摊剪切荷载，为了简化计算，按此条件进行群锚锚栓受剪计算。

(1)群锚锚栓受剪承载力应符合式(8)、式(9)规定:

式中:为群锚中剪力最大锚栓的剪力设计值，N；为群锚总剪力设计值，N；V为锚栓钢材破坏受Rd，s剪承载力设计值，N；VRd，c为混凝土边缘破坏受拉承载力设计值，N。

(2)锚栓钢材破坏受剪承载力设计值按式(10)、式(11)计算:

式中:NRk，s为锚栓钢材破坏受剪承载力标准值，N；γRs，V为锚栓钢材破坏受剪承载力分项系数，取1.3；As为锚栓应力截面面积，mm2；fyk为锚栓屈服强度标准值，N/mm2。

利用以上公式及锚栓计算软件，对中间柱吊柱基础进行计算，计算结果如下:

群锚中拉力最大锚栓的拉力设计值＝23.63 kN。

群锚受拉区总拉力设计值＝47.26 kN。

群锚中剪力最大锚栓的剪力设计值＝0.86 kN。

群锚总剪力设计值＝3.44 kN。

同理，对下锚底座基础进行计算，计算结果如表6所示。

表6 锚栓受力设计计算值 kN

3.2.3 拉剪复合承载力验算

(1)拉剪复合受力下，锚栓钢材破坏承载力按下式验算:

(2)拉剪复合受力下，混凝土破坏承载力按下式验算:

根据«电气化铁路接触网用力矩控制式胶粘型锚栓»[15]选用锚栓，参考在铁路成熟应用的相关品牌的力矩控制式胶粘型、材质为碳钢8.8级的锚栓设计参数，根据式(12)、式(13)拉剪复合最不利情况下，验算锚栓钢材破坏和混凝土破坏承载力是否满足要求，计算结果如表7、表8所示。

表7 中间柱吊柱锚栓承载力验算

表8 下锚底座锚栓承载能力验算

4 锚栓计算结论分析

以中间柱吊柱M16锚栓为例进行分析，锚栓的拉剪复合验算利用率为45.8%，表明冗余充分。根据表7、表8可知:钢材受拉破坏最大利用率为29.3%，钢材受剪破坏最大利用率为15.2%，混凝土锥体受拉破坏最大利用率为54.5%。据以上分析可知，研究选用的力矩控制式胶粘型锚栓承载能力满足要求。

为了便于管理和施工，工程设计时锚栓规格应尽量统一，考虑安全，建议拉剪复合利用率控制在60%～70%以下，保留40%～30%以上的冗余度。根据以上研究，综合高速铁路隧道二衬混凝土基材厚度(最小厚度300 mm)条件和其他需求(如安全、防火、抗震)，推荐力矩控制式胶粘型M16×125 mm或M20×170 mm两款锚栓作为接触网基础。

除上述承载力计算外，还应考核力矩控制式胶粘型锚栓的胶粘剂、螺杆的性能，尤其是在特殊的环境下，如高湿热、沿海等环境，需要评估长期应力下环境对产品耐久性的影响。

5 工程案例

案例1:合肥至蚌埠铁路客运专线。东芦山隧道全长1 366 m，设计时速350 km。接触网采用全补偿弹性直链型悬挂，接触网基础全部采用后锚固胶粘型锚栓M20×250，自2010年开通十年来运行良好。

案例2:淮萧客车联络线。古尚村隧道全长2 380 m，设计时速250 km。接触网采用全补偿弹性直链型悬挂。原设计为预埋槽道，隧道施工完成后存在诸多问题，导致接触网设备无法安装；后全部改为外置槽道，固定外置槽道的锚栓采用力矩控制式胶粘型锚栓M20×170 mm，2017年开通以来运行良好。

6 结束语

(1)后锚固胶粘型锚栓可满足高速铁路运营要求，用后锚固胶粘型锚栓基础(锚栓组或外置槽道锚栓组)更换达到寿命周期后的预埋槽道基础，技术方案可行。

(2)对于目前常用的锚栓匹配外置槽道方案，其应用的锚栓数量较多，一套中间柱吊柱外置槽道配力矩控制式胶粘型锚栓约30套。施工打孔数量多，安装时间长，再加上胶粘剂的固化时间，需天窗点的时间更多，对于运营线路的施工成本非常高。后置锚栓组在降低施工成本的同时，缩短了对天窗点的要求。

(3)本文的研究结果可为既有隧道内接触网基础设计、施工和事故抢修等提供技术支撑。