李明領

(武廣鐵路客運專線有限責任公司,武漢 430060)

1 概述

武廣鐵路客運專線正線隧道約 172 km,占線路長度的 17.3%。隧道穿越地層復雜多變,Ⅳ、Ⅴ級圍巖占隧道總長的 57.19%,Ⅱ、Ⅲ級圍巖長度 73.7 km,占全線隧道總長度的 42.81%。

武廣鐵路客運專線隧道施工圖設計采用復合式襯砌,Ⅱ、Ⅲ級圍巖二次襯砌結構采用素混凝土,經(jīng)結構計算和經(jīng)驗類比確定結構厚度,素混凝土結構能滿足承載要求;但我國對防止素混凝土在高速列車作用下的長期開裂性及結構的疲勞性能研究較少,缺乏經(jīng)驗。為控制高速列車下混凝土結構裂縫開展,避免動載影響下結構加速老化、使用壽命降低、確保結構使用安全;在武廣鐵路客運專線前期施工的幾座隧道二襯中采用纖維混凝土進行了試驗研究,根據(jù)相關試驗研究成果及外方咨詢意見,組織專家研討,鐵道部確定武廣鐵路客運專線部分隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖二襯采用纖維混凝土。武廣鐵路客運專線 20余座隧道采用了纖維混凝土。

2 高速鐵路隧道二次襯砌加筋的必要性分析

2.1 國外高速鐵路運營情況

在國外,早期建設的高速鐵路隧道較好地層條件地段的內襯曾采用素混凝土,但隨著運營時間的推移,內襯裂縫的擴展也在不斷加大、加密,導致后期維護工程量加大,甚至影響運營。德鐵某線統(tǒng)計資料表明:素混凝土地段襯砌裂縫發(fā)育長度是鋼筋混凝土結構的近10倍,裂縫寬度也遠大于鋼筋混凝土結構。日本高鐵也曾出現(xiàn)運營期間隧道內襯混凝土剝落引發(fā)列車事故的事例。韓國對于隧道進口Ⅱ、Ⅲ級圍巖襯砌加強了加筋設計研究。近期建設的國外高速鐵路隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖內襯采用加筋結構。

從結構計算角度看,隧道設計采用素混凝土結構能滿足相應地層條件的結構安全要求。而導致維護工作量增加甚至出現(xiàn)事故的原因,主要由于素混凝土結構微裂縫擴展、切割混凝土結構,導致混凝土表層孤立、剝離。采用素混凝土結構一定程度上加大了鐵路運營的潛在安全威脅。

2.2 襯砌加筋的必要性

高速客運專線由于行車速度快,動荷載頻率增大,此外受高速列車引起的隧道內氣壓波動的影響,動荷載對隧道襯砌的影響更為突出,使結構易產生疲勞破壞,致使早期裂縫發(fā)展及后期襯砌薄弱部分發(fā)生開裂。

由于混凝土材質的特性及施工工藝等原因,微裂縫的存在不可避免。因此,必須采取適當?shù)拇胧p少微裂縫的發(fā)生、抑制裂縫的擴展,使裂縫存留在安全允許的范圍內。

3 客運專線隧道二襯混凝土結構服役期受力機理

有關資料表明:服役鐵路隧道襯砌結構病害產生的原因主要包括列車振動荷載、地質變化以及襯砌材料本身老化等。對于高速鐵路客運專線而言,有其不同之處:

(1)高速列車通過狹長隧道時產生活塞效應而附加給襯砌結構的風荷載;

(2)高速列車運行時軌道振動對襯砌結構的影響;

(3)由于振動導致隧道的地質變化,從而在襯砌結構上產生的影響。

鐵路系統(tǒng)部分設計院針對列車振動引起的隧道結構動應力和空氣壓力變化對隧道結構的影響進行了一些計算分析,并對國內既有普速鐵路隧道、日本高速鐵路隧道進行相應的對比計算,并對武廣鐵路客運專線隧道二襯混凝土結構服役期受力機理進行了分析,得出以下初步結論:列車振動荷載對隧道襯砌結構動力響應的影響主要集中在隧道仰拱、拱腳和側墻部位及拱腰,對拱頂部位的影響相對較小;列車振動傳遞至隧道襯砌結構上的振動頻率較低;武廣鐵路客運專線隧道襯砌在高速動載下的動力響應問題本質上是襯砌結構的疲勞問題。疲勞荷載循環(huán)次數(shù)增加,應變也隨之增加,開裂逐步發(fā)展,循環(huán)次數(shù)達到某一值時,試驗體不能繼續(xù)維持荷載,開裂急劇發(fā)展,最終達到破壞。考慮到因疲勞產生的開裂發(fā)展速度非常緩慢,在兩年內進行一次全面檢查可以防止剝落事故的發(fā)生。

4 高速鐵路隧道二次襯砌加筋采取的方式

4.1 國內外Ⅱ、Ⅲ級圍巖二次襯砌結構采取的方式

為解決高速鐵路隧道運營過程中混凝土開裂掉塊問題,各個國家有不同設計方法,德國采用混凝土加鋼筋的方式,日本則仍采用素混凝土結構,韓國在洞口附近采用鋼筋混凝土結構,在其余地段則采用素混凝土結構,但在交付運營前對高鐵隧道逐座檢查,發(fā)現(xiàn)裂縫后逐條進行處理。我國客運專線鐵路隧道正處于建設高潮,十分有必要在借鑒國外經(jīng)驗的基礎上,尋求適當?shù)拇胧┮砸种屏芽p的產生與擴展,滿足運營安全要求。

4.2 高速鐵路隧道二次襯砌加筋的建議方案

二次襯砌是否需要加筋的關鍵有 2個方面:一是取決于是否可以有效控制或盡可能減少混凝土施工過程中的裂縫,二是二次襯砌在運營期是否會因為承受圍巖壓力而開裂。二次襯砌是否加筋可根據(jù)圍巖條件而定,初步建議方案如下。

(1)Ⅱ級圍巖襯砌:由于Ⅱ級圍巖襯砌在承擔圍巖壓力的 50%時,拱頂拉應力仍較小,一般僅為 380～480 kPa,抗拉安全系數(shù) ＞8.0,可以不考慮運營承載開裂問題。因此,Ⅱ級圍巖襯砌建議采用素混凝土結構。

(2)Ⅲ級圍巖襯砌:對于Ⅲ級圍巖襯砌,當考慮30%的圍巖壓力時,拱頂拉應力一般在 950～1 050 kPa,抗拉最小安全系數(shù)為 3.69,超出規(guī)范要求的安全系數(shù)不多,為提高結構的可靠性,建議采用纖維混凝土。

(3)Ⅳ級圍巖襯砌:對于Ⅳ級圍巖襯砌,當考慮30%的圍巖壓力時,拱頂拉應力較大,抗拉安全系數(shù)約為 3.1,基本滿足規(guī)范要求;當考慮 50%的圍巖壓力時,拱頂拉應力很大,抗拉安全系數(shù)僅為 2.1,不滿足規(guī)范要求。為此,建議采用鋼筋混凝土結構或內表面設單層鋼筋網(wǎng)方式。

4.3 我國高鐵隧道二次襯砌加筋方式

抑制混凝土裂縫的發(fā)展可以采用加筋的辦法,加筋的辦法有以下 3種形式:采用單層鋼筋網(wǎng)護面結構、采用鋼纖維混凝土結構或采用合成纖維混凝土結構。并進行技術經(jīng)濟性分析。

(1)單層鋼筋網(wǎng)護面結構

該方式通過在隧道襯砌內表面設置鋼筋網(wǎng),可有效防止掉塊的發(fā)生,且施工方便,但造價較高。考慮施工方便,采用 3肢主筋形式,用以保證鋼筋的保護層以及鋼筋架立的穩(wěn)定性,環(huán)向主筋采用 φ18 mm,縱向鋼筋采用 φ14 mm。

(2)鋼纖維混凝土結構

采用鋼纖維混凝土結構也可達到控制裂縫擴展的目的,經(jīng)分析,控制裂縫需要鋼纖維最小摻量為 45 kg/m3,設計采用摻量為 50 kg/m3,造價也較高。鋼纖維在施工中若攪拌不均,容易結團成球,影響鋼纖維混凝土的質量;另外,由于摻加鋼纖維在混凝土澆筑過程中容易造成防水卷材的損壞,影響防水質量。

(3)合成纖維混凝土結構

作為混凝土加筋材料,合成纖維可以有效抑制混凝土早期的塑性裂縫及干縮裂縫,提高混凝土的韌性及抗沖擊能力,同時改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍融性能等,從而提高混凝土耐久性。纖維的材料有纖維素纖維、改性聚丙烯纖維等。摻量一般為 0.9～1.0 kg/m3,且摻加之后不改變原素混凝土配合比,施工方便;價格適中。

5 纖維混凝土試驗研究

5.1 纖維素纖維基本性能

UF500纖維素纖維是由美國 Buckeye公司研發(fā)的新一代纖維,屬第三代工程用纖維,取材于經(jīng)基因改良的特殊樹種,基于生物技術、化學技術研發(fā)而成,具有耐堿性、抗拉強度高、親水等特點,有利于在混凝土中的分散,并提高混凝土對纖維的握裹力,且摻加之后不改變原配合比。其基本參數(shù)見表1。

國內外一些試驗表明:纖維素纖維能改善混凝土的早期抗裂性能,具有混凝土后期抗裂改善作用;能提高混凝土韌性、抗彎和抗疲勞性能。

5.2 纖維混凝土施工現(xiàn)場試驗

結合武廣鐵路客運專線現(xiàn)場施工,選擇Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段進行現(xiàn)場試驗,研究對比素混凝土和 UF500纖維素混凝土在工作性能、強度、耐久性、抗裂性能及施工工藝要求等方面的差異。

表1 UF 500纖維素纖維基本參數(shù)

5.2.1 室內試驗

(1)試驗內容

按試驗規(guī)程和高性能混凝土要求,在隧道襯砌混凝土配合比中摻加纖維與未加纖維的同配比混凝土做對比試驗,通過試驗獲得以下檢驗項目的試驗對比數(shù)據(jù)資料。

①混凝土工作性能:含氣量、坍落度、常壓泌水率、和易性等;

②混凝土強度:3、7、28、56d抗壓強度;

③早期抗裂性能與 56d常規(guī)抗裂性能;

④28、56 d電通量(耐久性)。

(2)試驗情況

①原材料基本性能

P.O 42.5水泥;中砂:細度模數(shù) 2.6;碎石:5～10 mm、10～20 mm、16～31.5 mm級配合成;粉煤灰:Ⅰ級F類粉煤灰;塑化劑:聚羧酸高性能減水劑;纖維:UF500纖維素纖維。

②混凝土配合比(表2)

表2 混凝土配合比(C35混凝土)kg

③工作性能測定結果(表3)

表3 混凝土工作性能

④混凝土拌和及投料情況

試驗室拌和均為先加入骨料、膠凝材料后再加入纖維干拌 30s,后加水、外加劑再拌和 3min;纖維混凝土坍落度比基準混凝土坍落度小 10 mm,外加劑摻量為廠家推薦摻量的上限 1.2%。

⑤混凝土抗壓強度及耐久性(電通量)

對兩種配合比的混凝土拌和后做出各齡期的試件,進行標準養(yǎng)護。測試結果見表4。

表4 各齡期混凝土強度及 56 d電通量

⑥纖維在混凝土中的分散性

纖維在混凝土中分散顯微鏡下的照片見圖1、圖2。

圖1 纖維分布均勻

圖2 纖維表面可見大量的水泥結晶物附著

⑦試驗結果

室內試驗結果表明,UF500的纖維素纖維可在不改變混凝土設計配合比和施工工藝的前提下直接摻入;摻入后對混凝土的工作性能影響很小,混凝土和易性良好,未出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象;摻入后對混凝土的早期強度有一定影響,對后期抗壓強度影響不大;纖維在混凝土中分散性良好;纖維摻入后對混凝土的抗氯離子滲透的能力有所降低。

5.2.2 現(xiàn)場工藝試驗

2007年 3月,在武廣鐵路客運專線天鵝嶺隧道出口DK1 850+274～DK1 850+252段仰拱及二襯進行摻加纖維的混凝土工藝試驗,以確定實際施工的纖維混凝土工作性能、混凝土抗壓強度、混凝土抗氯離子滲透性及混凝土表觀性。具體試驗情況如下。

(1)原材料及配合比采用室內配比(表2)。

(2)混凝土拌和及投料

攪拌站一次拌和 1.5 m3,拌和時間為 4 min。水泥、粗細骨料、粉煤灰、外加劑和水為自動計量,纖維為人工計量直接加入拌和機,每 1.5 m3混凝土加纖維1.35 kg。

(3)混凝土工作性能測定

配合比的設計坍落度 150～180 mm,現(xiàn)場測試混凝土坍落度 165mm,含氣量 2.3%,和易性好,無泌水。

(4)混凝土表觀

拆模后現(xiàn)場觀察,肉眼不能看出纖維混凝土與原仰拱 C35混凝土所施工的仰拱表面有明顯差別。

(5)混凝土抗壓強度、耐久性能

對選用的基準 C35混凝土和加入纖維的 C35混凝土在施工過程中分別取樣做出各種試件,進行同條件養(yǎng)護,按同齡期、同條件進行試驗對比(表5)。

表5 各齡期混凝土強度及 56 d電通量

(6)混凝土抗裂性試驗(表6)

表6 現(xiàn)場抗裂試驗檢測結果

參照鐵道部《鐵路混凝土工程施工質量驗收補充標準》鐵建設[2005]160號附錄 C和美國 ASTM 1579中方法對基準混凝土和纖維混凝土的抗裂性能進行平行對比試驗,通過受約束的混凝土試件在規(guī)定的條件下(受熱和風吹)的開裂趨勢來評價混凝土的抗裂性(圖3、圖4)。

(7)現(xiàn)場襯砌纖維混凝土試驗結果

圖3 電烤燈及風吹情況試驗

圖4 基準與摻加纖維混凝土表面開裂情況

以上試驗結果表明:在現(xiàn)場攪拌站進行纖維素纖維混凝土的拌和,攪拌時間需延長;纖維素對混凝土的工作性能沒有影響,混凝土和易性良好,未出現(xiàn)離析、泌水等現(xiàn)象;纖維在混凝土中分散性良好,正常養(yǎng)護脫模后,混凝土表面未出現(xiàn)纖維露頭、結團現(xiàn)象,外觀良好;對混凝土的抗壓強度影響較小;對混凝土的電通量有適當影響,但能滿足設計耐久性要求。用于施工時不需改變隧道混凝土的施工工藝。

5.3 纖維混凝土在隧道二襯服役期抗裂性能試驗

以武廣鐵路客運專線隧道二襯為項目背景,基于對客運專線隧道二襯混凝土結構服役期受力機理的研究,建立受疲勞荷載作用下的襯砌混凝土服役期試驗模型,對基準混凝土和 UF500纖維混凝土的力學性能、抗?jié)B性能進行進一步研究,以表征荷載作用下混凝土在客運專線隧道二次襯砌服役期的抗裂性能。

混凝土滲透性是因為混凝土內部的微細裂紋存在和擴展造成的,因此用混凝土結構的抗?jié)B透性能可以反映出混凝土內部微細裂紋存在的多少以及在荷載作用下的擴展程度。因此,將采用疲勞試驗下混凝土結構的抗?jié)B透性能來表征荷載作用下混凝土在客運專線隧道二次襯砌服役期的抗裂性能。

考慮到服役期受力情況,所加上限荷載為極限荷載的 15%、30%,構件經(jīng) 50萬次循環(huán)后卸荷,對疲勞試驗后的試件參照《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》(GBJ82—85)進行抗?jié)B性能測試(氣滲法),見表7。

表7 二襯服役期抗裂性能研究課題試驗結果

由表7可知,UF500纖維混凝土能夠有效提高武廣鐵路客運專線二次襯砌混凝土結構服役期間的抗裂性能,從而整體改善混凝土的服役工作性能。

6 現(xiàn)場纖維混凝土應用

通過研究理論分析和前期現(xiàn)場室內外試驗成果,通過專家評審和部審查,決定對武廣鐵路客運專線部分隧道Ⅱ、Ⅲ圍巖襯砌采用纖維素纖維混凝土。

2009年 3月 ～4月,對武廣鐵路客運專線 20座隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段二次襯砌混凝土表觀現(xiàn)象進行了調查,其中包括素混凝土、加纖維素纖維混凝土、單層護面鋼筋混凝土。現(xiàn)場核查表明:無論是素混凝土、纖維混凝土、單層鋼筋網(wǎng)混凝土,二襯基本上都沒有裂縫,僅極少數(shù)素混凝土地段襯砌發(fā)現(xiàn)少量寬度小于0.2 mm的裂紋?，F(xiàn)場實際摻量為 0.9～1.2 kg/m3,添加纖維素纖維不需改變配合比,纖維分散性好,拌和、施工方便,添加后的襯砌表觀光滑,部分施工單位反應摻加纖維素纖維后混凝土黏稠度有所增加,坍落度損失較素混凝土略大;實測抗壓強度基本相當;摻加纖維混凝土比不摻實測電通量略大。

7 結論及建議

(1)高速鐵路隧道運營過程中裂縫發(fā)展的主要原因之一是由于隧道氣動效應的影響,其本質是襯砌結構的抗拉疲勞問題。

(2)武廣鐵路客運專線現(xiàn)場試驗表明,UF500纖維素纖維可以在不改變原有基準混凝土配合比的情況下直接摻入,且對混凝土的工作性能基本無影響,混凝土和易性良好;纖維在混凝土中分散性良好,混凝土表面光潔,未出現(xiàn)纖維露頭、結團現(xiàn)象;對混凝土抗壓強度影響很小;纖維素纖維能較好的改善混凝土的早期抗裂性能;可對后期混凝土裂紋發(fā)展起到抑制作用;能夠提高客運專線二次襯砌混凝土結構服役期間的抗裂性能,從而整體改善混凝土的服役工作性能。

(3)為防止運營期高速鐵路隧道產生開裂掉塊現(xiàn)象,首先應保證二次襯砌不會在運營期因承載而開裂,并應采取有效措施控制混凝土在施工過程中的裂縫?；炷敛牧线x擇可根據(jù)圍巖條件而定,建議高速鐵路部分隧道Ⅱ、Ⅲ級圍巖襯砌可采用纖維素纖維混凝土,以減少微裂縫的發(fā)生、抑制裂縫的擴展,使裂縫存留在安全允許的范圍內。

(4)對采用纖維混凝土的實際效果在武廣鐵路客運專線投入運營中需進一步跟蹤觀測考察,同時在推廣應用纖維混凝土中需要從設計、原材料、配合比以及施工工藝等方面綜合采取措施?？蛇M一步重點對動載疲勞、空氣動力效應作用下的襯砌混凝土開裂進行試驗研究。

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