付兵先 馬偉斌 鄒文浩 李堯

中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京100081

隨著我國鐵路隧道大規(guī)模投入運營，隧道襯砌缺陷與病害問題逐漸顯露，尤其是在我國東北、西南、東南地區(qū)［1］。針對隧道襯砌缺陷與病害常采用表面環(huán)氧樹脂封閉或填充砂漿、黏貼碳纖維或芳綸纖維布、W 鋼帶+錨桿、掛網(wǎng)錨噴、內嵌拱架、混凝土套襯等方案進行整治。受天窗時間、操作空間、施工環(huán)境等條件的限制，現(xiàn)有的襯砌缺陷與病害整治方案存在工期長，施工成本高，施工風險高，總體施工工效較低的問題。

針對上述問題，波紋板技術逐步被用于鐵路隧道病害整治［2］。波紋板技術于1784 年誕生于英國，最初被用來代替混凝土橋梁與涵洞。到目前為止，歐美一些國家相繼建立了較為完善的波紋板加工制造、結構設計、施工以及檢測評定體系，并且制定了相應的規(guī)范。相比于國外，國內波紋板技術的應用相對較晚，目前主要在公路行業(yè)得到了廣泛應用。國家、行業(yè)與各地方相繼出臺了多部有關波紋板產品、設計及施工技術規(guī)范。與國外以及國內公路行業(yè)相比，波紋板技術目前只在鐵路隧道、涵洞病害整治中得到了部分應用［3-6］。部分研究人員對波紋板加固隧道承載力性能開展了相關研究［7-10］。

盡管波紋板技術已在鐵路隧道病害整治中少量應用，但是目前設計人員對該技術的認識還不夠全面。因此，本文根據(jù)已有波紋板技術的研究以及應用經驗，對隧道襯砌缺陷與病害波紋板套襯技術進行全面的梳理，為后期該技術的推廣應用提供參考。

1 波紋板套襯技術

1.1 波紋板套襯結構原理

波紋板套襯技術是在既有含缺陷與病害隧道襯砌內側加裝一層波紋鋼板結構，波紋板與既有襯砌之間通過植筋進行連接，并在其間灌注高強微膨脹水泥基灌漿料，最終形成的一種鋼-混組合結構。事實上，波紋板套襯結構與拱橋結構受力類似，當上部荷載作用在該結構時，拱頂?shù)膹澗乜梢院雎圆挥?，荷載主要通過軸力傳遞至墻角部位。其中，沿結構環(huán)向的植筋、墻角鎖腳錨桿及基礎將承擔所有軸力。該組合結構不但改善了結構的受力，而且對隧道襯砌起到了加固的作用。

1.2 波紋板套襯適用范圍

波紋板套襯結構總體厚度較小，可以應用于受隧道建筑限界限制、無法施作鋼筋混凝土套襯的地段。波紋板作為延性結構，可以應用于受凍脹力、地應力、膨脹力、水壓力作用以及襯砌背后存在較大空洞且容易發(fā)生落石沖擊襯砌的地段。波紋板作為一種面狀結構，還可以應用于隧道襯砌開裂變形且容易發(fā)生大面積剝落、掉塊的地段。除此以外，由于波紋板結構為裝配式結構，將其應用于混凝土原材料、拌和用水缺乏的地段以及工期緊迫、應急搶險工程地段有顯著的優(yōu)勢。

2 波紋板套襯結構設計

2.1 結構布置

波紋板套襯（含注漿層）結構理論總厚度為50 ～160 mm，能夠滿足重載鐵路、客貨共線鐵路、普速鐵路、客運專線隧道建筑基本限界要求。在曲線段需要考慮線路超高、隧道中線偏離、線路偏離等因素對波紋板結構尺寸的影響。波紋板套襯結構橫斷面布置見圖1。

圖1 波紋板套襯斷面

2.2 波形選擇

根據(jù)高速鐵路、重載鐵路、客貨共線鐵路以及普速鐵路隧道建筑限界要求，并考慮施工可行性以及經濟性因素，適宜于隧道波紋板套襯的波形主要有3類：200 mm×55 mm、230 mm ×64 mm、300 mm×110 mm。

2.3 連接及拼裝方式

采用波紋板套襯技術時，從結構受力、加工便捷性、隧道限界等角度考慮，建議波紋板板塊之間采用搭接方式。波紋板每環(huán)由多塊板構成，可根據(jù)隧道輪廓情況采用通縫或錯縫拼裝方式。

2.4 螺栓防松動

列車通過波紋板套襯區(qū)段產生的振動對波紋板的影響主要表現(xiàn)為沿承壓面的橫向振動，在此橫向振動作用下螺栓可能存在掉落的風險。前期實測結果表明，列車通過隧道時襯砌拱部振動加速度基本在0.1 m/s2以內，幾乎對襯砌無影響。從運營安全管理角度考慮，螺栓可采取防松動設計方案，見圖2。

圖2 螺栓防松動設計方案（單位：mm）

2.5 基礎設計

采用波紋板套襯技術時，需要占用隧道部分電纜溝槽，并在其底部進行植筋，然后重新施作基礎。波紋板基礎見圖3。

圖3 波紋板基礎（單位：cm）

3 波紋板套襯防腐設計

3.1 腐蝕環(huán)境分析

波紋板套襯結構作為部分埋置結構主要受隧道內大氣環(huán)境（工業(yè)大氣腐蝕［11］、海洋大氣腐蝕、城郊大氣腐蝕等）、襯砌背后圍巖（土壤腐蝕，包括雜電流）以及粉塵顆粒的影響。因此，必須與普通鋼制管道一樣做防腐處理，進而延長波紋板套襯結構的壽命。

3.2 防腐技術

美國鋼鐵學會、美國材料學會、加拿大鋼波紋管協(xié)會等國家對波紋管的腐蝕技術進行了研究，并提出了相應的防腐措施［12-14］。較為典型的防腐措施見表1。另外，電氣化鐵路除需考慮波紋板材料的防腐問題外，還應考慮波紋板的絕緣性。

表1 現(xiàn)有典型防腐措施

4 波紋板套襯過渡措施設計

4.1 洞室及接觸網(wǎng)立柱過渡

波紋板加工前應對洞室，接觸網(wǎng)立柱的實際位置、長度及高度進行現(xiàn)場測量，板片加工時應預留窗口，待整環(huán)拼裝完成后再對窗口進行封閉處理。

4.2 回流線過渡

波紋板套襯施工影響到既有回流線時，受套襯影響段供電回流線恢復后距波紋板的距離應不小于10 cm。不滿足要求時可采用瓷瓶或者絕緣支架進行遷改處理。

4.3 底部電力、通信線纜過渡

波紋板套襯施工時，可采用防護措施對其線纜進行保護，有條件時也可將部分電纜遷改至側溝或靠軌道側電纜槽內。

4.4 波紋板套襯接地設計

波紋板套襯施工完成后須進行接地處理，接入隧道綜合接地系統(tǒng)，接地后的電阻不大于1 Ω。

5 波紋板套襯結構檢算

5.1 截面強度檢算

5.1.1 截面參數(shù)獲取

由于波紋板套襯結構為構造上正交的各向異性板，其截面參數(shù)可采用積分法、幾何公式法、CAD 生成法以及自定義截面法獲取。

5.1.2 結構內力計算

波紋板套襯結構主要受到圍巖壓力、結構自重以及特殊荷載的作用。深、淺埋地段的檢算荷載應按照TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》中的要求取值；膨脹巖、高地應力及高水壓等特殊地段應根據(jù)實測荷載或工程類比確定。

波紋板套襯結構內力計算可采用理論或數(shù)值方法。采用理論方法進行結構內力計算時，將波紋板結構簡化為均布荷載或徑向均布荷載作用下的拱形結構，按照位移法、力法或能量法計算波紋板結構內力。采用數(shù)值方法進行結構內力計算時按照荷載-結構或地層-結構法進行［14］。

5.1.3 截面檢算方法

采用波紋板套襯技術整治隧道襯砌缺陷與病害時，既有隧道襯砌結構的剩余承載力難以確定。因此，可按照既有襯砌結構失效和未失效兩種情況進行截面強度校核。

1）不考慮二襯結構承載力，結構失效

既有隧道襯砌完全失效，且波紋板背后注漿不飽滿，波紋板結構與注漿層、既有襯砌之間后期產生滑移。此種工況下，建議只考慮波紋板作為承載結構，驗算波紋板截面承載力。此時，波紋板結構截面強度檢算公式為

式中：σ為截面應力；A為單位長度截面積；N0為截面處板所受軸力；M為截面處所受彎矩；W為抗彎模量；[σ]為鋼板容許應力。

2）考慮二襯結構承載力，結構未失效

當二襯結構未失效且注漿層飽滿時，可將二襯、波紋板及注漿層視為鋼-混組合結構，按照平截面假定進行正截面承載力計算。此時，應遵循的假定為：①假定植筋起到了錨固作用，注漿層與波紋板之間不發(fā)生滑移，各種材料之間的變形是協(xié)調的。②波紋板套襯結構正截面平均應變分布應當能保持為平面，組合結構受力可等效為矩形應力圖式。忽略受拉區(qū)混凝土（含新填充混凝土）的抗拉強度。③波紋板套襯結構受拉波紋板屈服的同時受壓區(qū)混凝土被壓碎為界限破壞形態(tài)。④混凝土受壓應力應變關系采用Rüsch1960 年提出的二次拋物線加水平直線模型。另外，鋼筋、波紋板材料本構模型采用理想彈塑性模型。

按照以上假定，波紋板套襯結構在受拉側主要存在4種破壞形態(tài)（4種形態(tài)下受壓區(qū)混凝土全部屈服）：受拉鋼筋屈服、受拉波紋板屈服、受拉鋼筋與波紋板均屈服、受拉鋼筋與波紋板均未屈服。以下以第1 種破壞形態(tài)為例進行論述，其他3 類破壞形式按此進行分析即可。

第1 類破壞形態(tài)為：偏心距e≤ξb，受壓側混凝土和鋼筋均達到極限壓應變εcu、ε′y，受拉側鋼筋達到極限應變εy，受拉側波紋板應變εcp未屈服，見圖4。

圖4 波紋板套襯破壞形式

根據(jù)力學平衡，偏心條件下正截面承載力公式為

式中：ξb為受壓區(qū)高度；β為等效矩形應力圖特征參數(shù)，取為0.8；εcu為混凝土極限壓應變，取為0.003 3；εy為受拉鋼筋極限應變；fy，fy′分別為原襯砌受拉、壓區(qū)縱向鋼筋抗壓、拉強度設計值；Es為鋼筋彈性模量；N為襯砌加固后軸力設計值；fcm為原襯砌混凝土彎曲抗壓強度設計值，取值為1.1fc，fc為混凝土棱柱體抗壓強度設計值；l為波紋板波距；xub為混凝土受壓區(qū)高度；A′s為原襯砌受壓較大邊縱向鋼筋截面面積；As為原襯砌受拉邊縱向鋼筋截面面積；Acp為受拉波紋板截面積；σcp為受拉波紋板應力；h為加固前襯砌原截面總高度；h2為受拉波紋板截面形心至原構件截面近邊的距離；as、a′s分別為原構件受拉邊或受壓較小邊縱向鋼筋合力點至原截面近邊的距離；Ecp為波紋板彈性模量。

以上部分是對受拉側進行的分析，對于受壓側同樣存在4 種破壞形態(tài)：受壓鋼筋屈服、受壓波紋板屈服、受壓鋼筋與波紋板均屈服、受壓鋼筋與波紋板均未屈服，具體正截面承載力的分析可按照前述進行即可。

5.2 結構穩(wěn)定性檢算

波紋板套襯結構作為各向異性正交拱形結構同樣存在面內屈曲問題，出現(xiàn)不同的屈曲模態(tài)。關于波紋板結構屈曲荷載的計算，目前國內外主要依照加拿大公路橋梁設計規(guī)范與美國鋼鐵協(xié)會的規(guī)范［12，14］。事實上，隧道波紋板套襯結構為無鉸等截面深拱結構［15］。針對波紋板套襯結構的失穩(wěn)問題，應驗算臨界荷載或荷載系數(shù)、屈曲應力、屈曲模態(tài)等參數(shù)，必要時還需驗算屈曲發(fā)生的位置以及對應的圓心角，以便為后期部位加強提供理論依據(jù)。

5.3 結構變形檢算

波紋板套襯結構變形可采用賽代爾推導出的波紋板等效剛度的近似公式進行分析，獲得其主剛度后，利用彈性理論公式即可得出拱形結構的徑向位移。還可直接采用荷載-結構或地層-結構模型進行波紋板結構變形計算。

5.4 連接件承載力檢算

波紋板套襯結構板塊之間采用高強螺栓連接，連接件主要為承壓型連接。承壓型高強度螺栓的抗剪強度主要由螺栓桿受剪和孔壁承壓兩種破壞模式控制，應根據(jù)GB 50017—2017《鋼結構設計標準》相關規(guī)定分別計算，取其最小值進行設計或者建立有限元模型進行承載力分析。

連接件承載力計算還可以建立有限元模型進行分析，螺栓采用實體Solid45 單元、波紋板采用shell63單元進行模擬。

5.5 螺栓防松動檢算

橫向載荷（垂直于螺栓軸向）是引起螺紋連接結構松動的主要原因。對螺栓松動性能最直接的評價是通過螺栓防松動試驗?，F(xiàn)有的試驗機由于夾具的問題不能直接進行連接件防松動試驗，改裝后方可進行試驗。試驗加載振動頻率在無實測數(shù)據(jù)下可取12.5 Hz 進行橫向振動試驗。另外，連接件施加扭矩時，應考慮不同防腐措施下扭矩系數(shù)差異性，尤其是非金屬涂層扭矩系數(shù)建議依據(jù)扭矩試驗結果設定，試驗樣品及結果見圖5。

由圖5 可知：M20 防松墊圈在保證施工預緊力的情況下，預緊力損失最大為5.9%；M20 連接件在保證施工扭矩的情況下，預緊力損失最大為9.6%；在振動工況下預緊力損失小，正是因為螺紋不容易松動，其施加最大預緊力時的螺栓長度不會變化，所以預緊力能長時間保持?？傮w而言，M20 防松墊圈及連接件的預緊力保持在90%以上，預緊力損失較小，后期螺栓不會發(fā)生振動掉落的問題。

5.6 基礎承載力檢算

波紋板套襯結構鋼筋混凝土條形基礎建議簡化為支撐在剛性地基上的彈性梁結構，可采用經典的彈性力學計算公式獲取基礎結構內力，并依據(jù)混凝土結構設計規(guī)范進行配筋計算。也可直接采用荷載-結構模型計算結構內力，進行配筋計算。

6 波紋板套襯空氣動力學效應

采用波紋板套襯結構后，隧道凈空斷面積的減少可能會降低車內乘客的舒適度以及影響洞口微氣壓波量值。因此，采用CFX 空氣動力學軟件，分析了復興號標準動車組分別以350、300 km/h 速度級在隧道中心（套襯中心）交會時隧道壁面和動車組車體表面的氣動效應，見圖6?？芍簭团d號動車組以350 km/h及以下速度級通過不同波紋板套襯長度下地段時，列車空氣動力學性能、隧道氣動效應均滿足相關標準要求。另外，列車振動與氣動效應耦合振動下，作用在波紋板結構上振動加速度小于0.5 m/s2，波紋板套襯結構安全。

圖6 波紋板套襯空氣動力學效應

7 波紋板套襯施工工藝

采用波紋板進行套襯施工時，由于隧道作業(yè)空間受限，加上隧道內天窗主要為垂?；虼雇?V 停模式，須要根據(jù)天窗實際情況，提出相應的安裝方法。波紋板套襯結構施工工藝見圖7。

圖7 波紋板套襯施工工藝

8 波紋板套襯質量控制

1）波紋板板片進場后，應對板片數(shù)量、尺寸、螺栓孔距等外觀進行檢查，同時還應核查出廠檢驗報告、合格證等資料，確保板片質量與安裝精度。

2）高分子涂層表面應均勻光滑、連續(xù)、肉眼少見可分辨的小孔、空間、孔隙、裂縫、脫皮及其他缺陷，且涂層單面厚度應在設計范圍之內。

3）依據(jù)設計要求，待波紋板拼裝完畢且未進行植筋及注漿工序時，應對套襯限界進行復核，確保套襯后結構不侵入各類限界。

4）為保證螺栓扭矩Th達到設計值，隨機抽取結構上縱縫2%的螺栓，按照扭矩法或轉角法進行抽檢試驗，扭矩系數(shù)應在0.90Th～1.05Th內，超過了給定的扭矩范圍則應抽檢縱向和環(huán)向接縫所有螺栓的5%。如果上述試驗的90%以上滿足要求則認定安裝是合格的，否則應重新復核，以確定扭矩值是否滿足要求。

5）采用鎖腳錨桿將波紋板與襯砌進行連接，其錨桿長度、入巖深度以及單根錨桿拉拔力應滿足設計要求。

6）在不同標高位置布置的植筋，其植入深度、單根植筋拉拔力應滿足設計要求。

7）波紋板套襯施工完畢后，應對接地電阻進行測量，須滿足設計要求。

9 波紋板套襯養(yǎng)護維修

一般情況下，波紋板套襯結構在設計使用年限內因超荷載使用而遭到破壞的概率很小。波紋板套襯結構損壞大多是施工期間安裝不當造成的，部分是因銹蝕造成結構力學性能和物理性能降低。根據(jù)前期實際應用效果，針對波紋板結構，建議5 ～10年作為一個維護保養(yǎng)周期。養(yǎng)護維修的主要內容為：①涂層日常維護檢查、涂層的修復與更新；②螺栓日常檢查、螺栓維護及修復。

10 波紋板套襯與混凝土套襯性能對比

波紋板作為一種輕質鋼結構，與混凝土結構承載力相比，具有眾多優(yōu)勢。從經濟性及施工可行性角度出發(fā)，以200 mm×55 mm×6 mm 型號波紋板為例，從材料性能方面與C35混凝土套襯（30 cm）進行對比。

1）在抗壓方面，按照承載力極限狀態(tài)設計，波紋板材料分項系數(shù)取1.5，混凝土材料分項系數(shù)取1.4，波紋板套襯與混凝土套襯抗壓性能對比見表2。采用混凝土或波紋板套襯均能滿足承載力要求。

表2 抗壓性能對比

2）Q345 鋼板抗拉極限強度為490 ～ 620 MPa，C35混凝土抗拉極限為2.4 MPa，每延米200 mm×55 mm×6 mm相當于100 cm的C35混凝土。

3）在發(fā)生同等撓度情況下，每延米200 mm ×55 mm × 6 mm 波紋板相當于 15 cm 的 C35 混凝土，考慮波紋板背后5 ～15 cm 的特種灌漿層后，發(fā)生同等變形下，波紋板鋼混套襯結構相當于20 ～30 cm 的混凝土。但是，當混凝土發(fā)生同等過大變形時，已經出現(xiàn)開裂，嚴重時結構出現(xiàn)掉塊等安全隱患，波紋板具有延性，能夠適應較大變形，即使二襯結構出現(xiàn)大面積開裂，波紋板也可以將其“兜住”不會出現(xiàn)掉塊風險。

4）波紋板套襯在施工簡便性、工期、造價等方面具有顯著的優(yōu)勢。①波紋板套襯方案的優(yōu)點是：承載力滿足要求，效果較好；結構為廠制裝配式結構，產品質量能得到保證；施工工期短，工期只有混凝土套襯的一半，施工風險??；造價較混凝土套襯低40% ～60%。施工中一般不需要對接觸網(wǎng)設備進行拆換及遷改處理；侵占隧道內輪廓較小，占用15 cm 左右，后期如有問題，還可以利用剩余15 cm 空間進行加固。有效凈空面積占用較少，滿足空氣動力學指標要求；施工期間列車不用限速，施工對運營無影響。缺點是：結構耐久性理論上大于100 年，實際上較混凝土略低（采用耐候鋼除外）；超過一定服役年限后建議對結構進行養(yǎng)護（如螺栓檢查、必要時涂層修復）；施工過程中要避免破壞涂層；需要專業(yè)隊伍施作。②混凝土套襯方案優(yōu)點是：承載力滿足要求，效果好；混凝土耐久性好；后期易于養(yǎng)護維修。缺點是：施工工期較長，造價較高；施工需要對接觸網(wǎng)等四電設備進行拆換，且工序復雜，施工風險大；全部利用隧道工程技術作業(yè)空間，侵占隧道內輪廓，有效凈空面積降為92.8 m2，后期套襯地段若出現(xiàn)問題無修復空間；混凝土容易開裂，嚴重時發(fā)生掉塊；施工期間列車要限速，施工對運營影響較大。

11 結語

1）波紋板套襯結構強度大，承載力高，適應變形能力強，可廣泛應用于隧道缺陷與病害的整治。

2）內力驗算時波紋板套襯結構截面壓應力等效為矩形圖式。由于波紋板結構為正交各項異性結構，其對等效應力圖式的影響尚未考慮。

3）波紋板套襯結構整體穩(wěn)定性目前還缺乏深入研究，后期應重點對不同曲率抗彎剛度及不同荷載圖式下的臨界荷載、屈曲應力、屈曲位置等關鍵參數(shù)進行研究。

4）波紋板套襯結構作為一種鋼-混組合結構，其承載力發(fā)揮程度是各個部件共同作用的結果，但實際中仍存在注漿不飽滿、植筋不牢固及基礎強度不足等影響結構整體承載力的問題，后續(xù)還應對施工工藝進行深入研究。

5）應依據(jù)波紋板套襯結構用途與功能，從承載力、耐久性、經濟性以及工期等角度出發(fā)，對波紋板主體結構進行優(yōu)選，尤其是要考慮結構的絕緣性與螺栓的掉落問題，以免引發(fā)鐵路交通安全事故。