鄒文浩，付兵先，馬偉斌，李 堯，郭小雄，安哲立

(中國(guó)鐵道科學(xué)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(guò)水渠，設(shè)于路基下且修筑于軌面以下的過(guò)水通道(過(guò)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(jià)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(jià)占橋涵造價(jià)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(zhǎng)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(fù)沖擊作用，導(dǎo)致蓋板涵出現(xiàn)開(kāi)裂、錯(cuò)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(dǎo)致病害進(jìn)一步發(fā)展，嚴(yán)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(yáng)工務(wù)段全段蓋板涵共計(jì)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(kāi)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(huì)大幅減少涵洞凈空，導(dǎo)致過(guò)水或通行能力下降，并且施工時(shí)間長(zhǎng)，需封鎖線路才能施工。更換蓋板法需暫停線路通行，天窗時(shí)間要求高，嚴(yán)重影響線路的正常運(yùn)營(yíng)。裂縫灌漿封閉法只是對(duì)裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，延緩裂縫的發(fā)展，對(duì)提高涵洞現(xiàn)有承載能力無(wú)明顯效果。

針對(duì)鐵路涵洞病害特點(diǎn)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(yán)重病害整治的波紋板加固技術(shù)。采用有限元模擬方法對(duì)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(jìn)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(zhǎng)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(jì)縱斷面見(jiàn)圖1。

圖1 涵洞設(shè)計(jì)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(yán)重，有的位置鋼筋露出、銹蝕，見(jiàn)圖2。另外，涵內(nèi)出現(xiàn)積水，地基長(zhǎng)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(yán)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(jì)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(jià)比較低。經(jīng)資料分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，針對(duì)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(jì)

波紋板加固技術(shù)主要是利用適當(dāng)增大截面尺寸來(lái)提高抗彎剛度的原理，將復(fù)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(dòng)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(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)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(duì)涵洞進(jìn)行了精細(xì)化勘測(cè)，以確定涵洞的實(shí)際跨徑、凈高以及病害情況。根據(jù)掃描結(jié)果進(jìn)行了波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jiàn)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(gè)，節(jié)點(diǎn) 143 877 個(gè)。

2)本構(gòu)模型及計(jì)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(guò)渡段土體采用塑性損傷模型。計(jì)算時(shí)依據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)[7]、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2003)[8]和《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10091—2017)[9]，材料物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

3)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

重載列車荷載作用下涵洞頂部沉降云圖見(jiàn)圖4。

圖3 波紋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)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(yuǎn)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(jiàn)圖5?？芍纯缰胁y板最大主應(yīng)力為6.3 MPa，遠(yuǎn)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(jiàn)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(shí)施

涵洞波紋板加固施工從2017年10月28日開(kāi)始，11月10日結(jié)束，共計(jì)耗時(shí)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(jiàn)圖7。具體步驟和方法：①對(duì)涵洞頂部蓋板和邊墻的裂縫、滲水等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，測(cè)試列車荷載作用下涵洞蓋板的受力和變形，掌握涵洞實(shí)際服役狀態(tài)；②采用三維掃描儀對(duì)涵洞斷面尺寸進(jìn)行高精度測(cè)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(jì)要求開(kāi)鑿波紋板基礎(chǔ)，清理墻面并鑿毛；④清理開(kāi)鑿后的基槽，進(jìn)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(guò)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(hù)；⑧對(duì)涵洞兩端波紋板和涵洞結(jié)構(gòu)間的縫隙進(jìn)行封堵，采用高強(qiáng)度、微膨脹漿液對(duì)板后孔隙進(jìn)行填充；⑨測(cè)試加固后涵洞蓋板、波紋板的受力和變形。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了驗(yàn)證波紋板的加固效果，在涵洞蓋板重車線下方測(cè)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(cè)點(diǎn)的最大值進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)點(diǎn)布置和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分別見(jiàn)圖8、圖9。

圖8 測(cè)點(diǎn)布置

圖9 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

加固前后蓋板涵鋼筋應(yīng)變時(shí)程曲線見(jiàn)圖10?？芍庸糖翱缰许敯邃摻顟?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(shí)程曲線

加固前后蓋板涵跨中撓度時(shí)程曲線見(jiàn)圖11?？芍?，加固前列車荷載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(shí)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(yuǎn)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(yùn)營(yíng)。

3)波紋板加固技術(shù)既提高了既有涵洞的承載能力，恢復(fù)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(diǎn)，可作為鐵路涵洞病害整治的主要措施之一。

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[4]苑存宇，邱寶魚(yú).大秦重載鐵路既有蓋板涵洞的加固對(duì)策[C]//高速重載與普通鐵路橋隧運(yùn)營(yíng)管理與檢測(cè)修理技術(shù)論文集(上冊(cè)).北京：中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)，2010：11-18

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

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

[8]中華人民共和國(guó)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50017—2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

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