鄒文浩，付兵先，馬偉斌，李 堯，郭小雄，安哲立

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

鐵路涵洞是指在鐵路工程建設(shè)中為了使鐵路順利通過水渠，設(shè)于路基下且修筑于軌面以下的過水通道(過水涵)，或橫跨大小道路作為人、畜和車輛的立交通道(交通涵)。鐵路涵洞是鐵路工程的重要組成部分，其工程數(shù)量和工程造價占比均較高。在平原地區(qū)平均每千米有1～3座涵洞，在山嶺重丘區(qū)平均每千米有4～6座涵洞，占橋涵總數(shù)的60%～70%。小橋涵工程造價占橋涵造價總額的50%，在小橋涵中涵洞所占比例又比較高[1]。

由于鋼筋混凝土涵洞長期處于冰凍、高溫、高濕等自然環(huán)境中，且承受鐵路列車荷載的反復沖擊作用，導致蓋板涵出現(xiàn)開裂、錯位、滲漏水、掉塊等病害，涵洞的承載能力逐漸下降。裂縫的出現(xiàn)使得涵內(nèi)配筋受到潮濕空氣及雨雪的侵蝕，導致病害進一步發(fā)展，嚴重威脅行車安全。上海鐵路局淮南線秋檢資料顯示多座蓋板涵出現(xiàn)病害，病害涵洞數(shù)量占區(qū)段涵洞總數(shù)的15%[2]。截至2012年，寶成線綿陽工務(wù)段全段蓋板涵共計出現(xiàn)55處病害[3]。大秦線大量既有涵洞特別是蓋板涵，存在著不同程度的病害[4]。朔黃鐵路大量涵洞同樣出現(xiàn)鋼筋混凝土蓋板及側(cè)墻開裂、露筋腐蝕、涵洞內(nèi)積水等病害[5]。

涵洞病害的整治措施有內(nèi)套框構(gòu)、更換蓋板、裂縫灌漿封閉等[6]。內(nèi)套框構(gòu)法會大幅減少涵洞凈空，導致過水或通行能力下降，并且施工時間長，需封鎖線路才能施工。更換蓋板法需暫停線路通行，天窗時間要求高，嚴重影響線路的正常運營。裂縫灌漿封閉法只是對裂縫進行修補，延緩裂縫的發(fā)展，對提高涵洞現(xiàn)有承載能力無明顯效果。

針對鐵路涵洞病害特點以及現(xiàn)有整治措施存在的缺陷，本文提出一種適用于鐵路涵洞嚴重病害整治的波紋板加固技術(shù)。采用有限元模擬方法對列車荷載作用下波紋板加固后的涵洞結(jié)構(gòu)受力和變形進行數(shù)值分析，以確定整治方案。

1 工程概況

一涵洞位于河北省肅寧縣境內(nèi)，為交通蓋板涵，涵長29.2 m，凈寬6.0 m，凈高5.5 m。涵洞兩側(cè)墻身材料為M10漿砌片石，頂部為C20鋼筋混凝土蓋板，涵洞設(shè)計縱斷面見圖1。

圖1 涵洞設(shè)計縱斷面(單位：cm)

調(diào)查發(fā)現(xiàn)該涵混凝土蓋板及側(cè)墻出現(xiàn)多處裂縫，滲漏水嚴重，有的位置鋼筋露出、銹蝕，見圖2。另外，涵內(nèi)出現(xiàn)積水，地基長期處于浸泡狀態(tài)，涵洞的承載能力明顯下降，穩(wěn)定性差，嚴重威脅行車安全。

圖2 蓋板涵病害情況

從涵洞凈空、加固效果、經(jīng)濟性以及工期角度考慮，采用套涵、粘貼鋼板或更換蓋板的方法性價比較低。經(jīng)資料分析和現(xiàn)場調(diào)查后，針對該病害涵洞掉塊、露筋、腐蝕等情況提出了波紋板加固方案。

2 加固方案的設(shè)計

波紋板加固技術(shù)主要是利用適當增大截面尺寸來提高抗彎剛度的原理，將復合材料、鋼質(zhì)、鋁合金質(zhì)等板材在受力方向加工成不同尺寸的波紋，而在非受力方向加工成拱(圓)、橢圓、矩形等結(jié)構(gòu)形式，常用于新建承載結(jié)構(gòu)及病害結(jié)構(gòu)加固工程中。

本文主要分析采用加固方案后涵洞結(jié)構(gòu)以及波紋板結(jié)構(gòu)在列車振動荷載作用下的受力、變形情況，并與加固前涵洞結(jié)構(gòu)受力、變形情況進行對比分析，以驗證加固方案的合理性。

2.1 加固方案

為了保證波紋板結(jié)構(gòu)的加工精度，加固前利用三維激光掃描儀對涵洞進行了精細化勘測，以確定涵洞的實際跨徑、凈高以及病害情況。根據(jù)掃描結(jié)果進行了波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定了其截面形狀(波距、波高、回轉(zhuǎn)半徑等)、板型、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式等參數(shù)，見圖3。

2.2 數(shù)值模擬

1)數(shù)值模型

采用ANSYS建立了涵洞-波紋板三維模型，模型共劃分了單元 144 320 個，節(jié)點 143 877 個。

2)本構(gòu)模型及計算參數(shù)

波紋板、涵洞蓋板及邊墻的本構(gòu)模型采用線彈性模型；過渡段土體采用塑性損傷模型。計算時依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[7]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)[8]和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB 10091—2017)[9]，材料物理力學參數(shù)見表1。

3)數(shù)值計算結(jié)果

重載列車荷載作用下涵洞頂部沉降云圖見圖4。

圖3 波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計

材料類型密度/(kg/m3)變形模量/GPa泊松比摩擦角/(°)黏聚力/kPa波紋板785021003蓋板250028002涵洞邊墻220012502過渡段1850015044550

圖4 涵洞頂部沉降云圖(單位：mm)

可知，加固前涵頂蓋板跨中撓度為2.57 mm，加固后則為0.42 mm，降低了84%，換算活載撓跨比為1/14 285，遠小于普通高度鋼筋混凝土梁豎向撓跨比的通常值1/4 000，能夠滿足列車通行要求。

重載列車荷載作用下波紋板受力云圖見圖5。可知，涵洞跨中波紋板最大主應(yīng)力為6.3 MPa，遠小于Q345鋼材的容許應(yīng)力125 MPa。重載列車荷載作用下波紋板變形云圖見圖6?？芍纯缰胁y板撓度最大值僅為0.33 mm，換算活載撓跨比為1/18 182。

圖5 波紋板受力云圖(單位：Pa)

圖6 波紋板變形云圖(單位：m)

3 病害整治方案的實施

涵洞波紋板加固施工從2017年10月28日開始，11月10日結(jié)束，共計耗時14 d。

3.1 施工流程

圖7 波紋板加固施工流程

波紋板加固施工流程見圖7。具體步驟和方法：①對涵洞頂部蓋板和邊墻的裂縫、滲水等情況進行統(tǒng)計，測試列車荷載作用下涵洞蓋板的受力和變形，掌握涵洞實際服役狀態(tài)；②采用三維掃描儀對涵洞斷面尺寸進行高精度測量，以保證加工的波紋板尺寸和涵洞結(jié)構(gòu)匹配；③按照設(shè)計要求開鑿波紋板基礎(chǔ)，清理墻面并鑿毛；④清理開鑿后的基槽，進行基底植筋；⑤清理原有施工縫，重建涵洞排水系統(tǒng)；⑥安裝波紋板，波紋板間的連接為螺栓搭接，波紋板底部通過角鋼與涵洞原有基礎(chǔ)連接；⑦用素混凝土澆筑基礎(chǔ)并養(yǎng)護；⑧對涵洞兩端波紋板和涵洞結(jié)構(gòu)間的縫隙進行封堵，采用高強度、微膨脹漿液對板后孔隙進行填充；⑨測試加固后涵洞蓋板、波紋板的受力和變形。

3.2 現(xiàn)場測試

為了驗證波紋板的加固效果，在涵洞蓋板重車線下方測試了3處鋼筋應(yīng)變及1處跨中撓度，取各應(yīng)變及撓度測點的最大值進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，測點布置和現(xiàn)場測試分別見圖8、圖9。

圖8 測點布置

圖9 現(xiàn)場測試

加固前后蓋板涵鋼筋應(yīng)變時程曲線見圖10?？芍?，加固前跨中頂板鋼筋應(yīng)變最大值為112.3×10-6，加固后跨中頂板鋼筋應(yīng)變最大值為61.3×10-6，鋼筋應(yīng)變下降了45.4%，鋼筋受力下降幅度明顯。

圖10 加固前后蓋板涵鋼筋應(yīng)變時程曲線

加固前后蓋板涵跨中撓度時程曲線見圖11?？芍庸糖傲熊嚭奢d作用下重車線正下方蓋板跨中撓度為2.10 mm；加固后跨中撓度最大值為0.18 mm，整體撓度降低了91.4%，波紋板加固效果顯著。

圖11 加固前后蓋板跨中撓度時程曲線

4 結(jié)論

1)波紋板加固后，涵洞沉降量與加固前相比有明顯降低；板材最大主應(yīng)力為6.3 MPa，遠小于Q345的容許應(yīng)力，波紋板自身具有較大安全冗余。

2)列車荷載作用下，加固前、后鋼筋應(yīng)變分別為112.3×10-6，61.3×10-6，下降幅度為45.4%，蓋板受力大幅降低；加固前、后蓋板跨中撓度分別為2.10 mm，0.18 mm，下降幅度為91.4%；波紋板加固顯著，極大改善了涵洞的服役狀態(tài)，保障了鐵路線路的安全運營。

3)波紋板加固技術(shù)既提高了既有涵洞的承載能力，恢復了涵洞的服役性能，又具有施工速度快、斷面損失少、幾乎不影響通行等突出特點，可作為鐵路涵洞病害整治的主要措施之一。

[1]徐湘.公路涵洞常見病害分析與防治措施[J].中華建設(shè)，2008(9)：138-139.

[2]劉先鋒.淮南線涵洞病害產(chǎn)生原因與整治措施[J].路基工程，2011(6)：37-39.

[3]藍皓.寶成鐵路涵洞病害分析及加固措施研究[J].江西建材，2015(5)：133-133.

[4]苑存宇，邱寶魚.大秦重載鐵路既有蓋板涵洞的加固對策[C]//高速重載與普通鐵路橋隧運營管理與檢測修理技術(shù)論文集(上冊).北京：中國鐵道學會，2010：11-18

[5]馬騫.朔黃線K549+014涵洞病害原因分析與加固技術(shù)[J].鐵道建筑，2017，57(1)：84-86.

[6]孫巧云.涵洞蓋板三種加固方法的簡單介紹[J].交通世界：運輸，2013 (增1)：99-100.

[7]中華人民共和國鐵道部.TB 10002.1—2005 鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2005.

[8]中華人民共和國建設(shè)部，中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2003.

[9]國家鐵路局.TB 10091—2017 鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017.