向 榮

(中鐵上海設計院集團有限公司 上海 200070)

1 引言

高速鐵路建設初期，鐵總工管中心和鑒定中心曾召集路內設計、咨詢及施工等單位的專家，對高速鐵路隧道內接觸網基礎是采用預埋槽道，還是采用后置錨栓進行過深入研討[1－2]。目前，高速鐵路隧道內接觸網基礎一般采用預埋槽道，通過近十年建設應用，已成為高速鐵路接觸網基礎的標準設計。根據?高速鐵路設計規(guī)范?[3]第8.1.1條，隧道主體結構設計使用年限應為100年；?建筑結構荷載規(guī)范?[4]第3.1.3條，接觸網結構應采用50年基準期。預埋槽道大多采用碳鋼材質、熱浸鍍鋅防腐工藝，隧道內空氣相對潮濕，碳鋼銹蝕難以避免，金屬槽道很難達到與隧道混凝土結構同等壽命程度，只能更換接觸網基礎。因此，為尋找更換槽道的方法，研究人員對槽道結構本身進行了充分研究，如更改錨桿型式，使之具備可更換功能[5]；改變槽道本體與錨桿連接方式的可拆卸或可更換式槽道[6－7]；錨桿外部設置套管的地鐵用可更換式槽道[8]等，但以上幾種結構均無工程應用。另外，建設過程中隧道內預埋槽道出現不平行或精度差等質量問題[9－10]時，常采用外置槽道[11]方案。

面對接觸網基礎與隧道主體結構存在的壽命周期差異的問題，后隧道時代，如何處理到使用期限后的高速鐵路隧道內接觸網基礎，不能鑿挖隧道來重新預埋槽道，后錨固就成為了必然，后錨固膠粘型錨栓能否成為預埋槽道失效后的主要技術方案，有必要對此進行深入研究。

本文選取時速350 km客運專線隧道內接觸網數據進行研究，參考鐵路工程建設通用參考圖?時速350 km高速鐵路接觸懸掛安裝圖?[12]的接觸網結構尺寸，計算接觸網中間柱吊柱、接觸懸掛下錨底座處的荷載(AF線吊柱可參照中間柱吊柱進行設計)。根據荷載進行錨栓受力理論計算，提供工程實例，為后錨固膠粘型錨栓選型應用提供支撐。

2 計算中間柱吊柱、下錨底座的負載

2.1 接觸網相關參數

牽引供電方式為AT供電，接觸網采用全補償彈性直鏈型懸掛。接觸網的線索規(guī)格、額定張力、氣象條件及單位質量等相關參數如表1所示。

表1 接觸網相關參數

2.2 吊柱、下錨底座負載計算

吊柱負載指在工作狀態(tài)下，吊柱基礎底面處(隧道面)可能出現的最大彎矩，吊柱負載計算就是計算該最大彎矩值，其目的是根據計算結果設計能夠承受負載的基礎。

隧道內，接觸懸掛的工作支和非工作支一般分開懸掛在不同的吊柱上，即接觸網腕臂安裝為中間柱形式；平面布置時，接觸懸掛吊柱與附加懸掛吊柱順線路方向錯開布置，不同吊柱安裝。因此，依據表1數據對中間柱吊柱、下錨底座進行負載計算，其接觸網結構形式如圖1所示，相關尺寸數據如表2所示。

圖1 接觸網結構形式

表2 中間柱吊柱結構尺寸mm

根據接觸懸掛相關力學公式進行計算，負載計算結果如表3所示。

表3 中間柱吊柱、下錨底座負載

3 錨栓受力計算

3.1 隧道二次襯砌參數

錨栓錨固于隧道二次襯砌之上，其厚度、混凝土強度、鋼筋規(guī)格等均與錨栓計算有關。參考鐵路工程建設通用參考圖?時速350 km客運專線雙線鐵路隧道復合式襯砌?[13]，隧道二次襯砌參數如表4所示。

表4 隧道二次襯砌參數

由表4可知，襯砌的混凝土標號在C30以上，拱墻厚度大于300 mm，根據工程經驗，可滿足接觸網基礎的需要。在設計時，接觸網專業(yè)將需要設基礎的位置及埋深提給隧道專業(yè)，隧道專業(yè)根據接觸網基礎位置情況，考慮如二次襯砌厚度不夠時，一般將厚度提至500 mm左右；如為隧道素混凝土二襯結構時，進行接觸網基礎部位襯砌鋼筋網片及三肢鋼架結構加強結構設計。

3.2 接觸網基礎荷載計算

中間柱吊柱設計常采用(320×480)mm四栓矩形布置，下錨底座設計常采用(500×550)mm四栓矩形布置，據此分別計算群錨錨栓受拉、受剪和拉剪復合承載力。經錨栓計算軟件計算錨栓需承受的剪力、軸向拉力、彎矩值，接觸網基礎荷載如表5所示。

表5 接觸網基礎荷載

3.2.1 群錨錨栓受拉計算

根據?混凝土結構后錨固技術規(guī)程?[14]，采用承載能力極限狀態(tài)計算法相關公式進行群錨錨栓受拉計算。

(1)群錨錨栓受拉承載力應符合式(1)、式(2)規(guī)定:

式中:為群錨中拉力最大錨栓的拉力設計值，N；為群錨受拉區(qū)總拉力設計值，N；N為錨栓鋼Rd，s材破壞受拉承載力設計值，N；NRd，c為混凝土錐體破壞受拉承載力設計值，N。

(2)錨栓鋼材破壞受拉承載力設計值按式(3)、式(4)計算:

式中:NRk，s為錨栓鋼材破壞受拉承載力標準值，N；γRs，N為錨栓鋼材破壞受拉承載力分項系數，取1.3；As為錨栓應力截面面積，mm2；fyk為錨栓屈服強度標準值，N/mm2。

(3)混凝土錐體破壞受拉承載力設計值按式(5)～式(7)計算:

對于開裂混凝土:

式中:NRk，c為混凝土錐體破壞受拉承載力標準值，N；為單根錨栓受拉時，混凝土理想錐體破壞受拉承載力標準值，N；γRc，N為混凝土錐體破壞受拉承載力分項系數，取1.5；fcu，k為混凝土立方體抗壓強度標準值，N/mm2；hef為錨栓有效錨固深度，mm；A0c，N 為單根錨栓受拉且無間距、邊距影響時，混凝土理想錐體破壞投影面面積，mm2；Ac，N為單根錨栓或群錨受拉時，混凝土實際錐體破壞投影面面積，mm2；ψs，N為邊距c對受拉承載力的影響系數，取1.0；ψre，N為混凝土因密集配筋的剝離作用對受拉承載力的影響系數，取1.0；ψec，N為荷載偏心eN對受拉承載力的影響系數，取1.0。

3.2.2 群錨錨栓受剪計算

根據隧道吊柱安裝條件，錨栓邊距通過調整安裝位置達到大于10hef，所有錨栓均勻分攤剪切荷載，為了簡化計算，按此條件進行群錨錨栓受剪計算。

(1)群錨錨栓受剪承載力應符合式(8)、式(9)規(guī)定:

式中:為群錨中剪力最大錨栓的剪力設計值，N；為群錨總剪力設計值，N；V為錨栓鋼材破壞受Rd，s剪承載力設計值，N；VRd，c為混凝土邊緣破壞受拉承載力設計值，N。

(2)錨栓鋼材破壞受剪承載力設計值按式(10)、式(11)計算:

式中:NRk，s為錨栓鋼材破壞受剪承載力標準值，N；γRs，V為錨栓鋼材破壞受剪承載力分項系數，取1.3；As為錨栓應力截面面積，mm2；fyk為錨栓屈服強度標準值，N/mm2。

利用以上公式及錨栓計算軟件，對中間柱吊柱基礎進行計算，計算結果如下:

群錨中拉力最大錨栓的拉力設計值＝23.63 kN。

群錨受拉區(qū)總拉力設計值＝47.26 kN。

群錨中剪力最大錨栓的剪力設計值＝0.86 kN。

群錨總剪力設計值＝3.44 kN。

同理，對下錨底座基礎進行計算，計算結果如表6所示。

表6 錨栓受力設計計算值 kN

3.2.3 拉剪復合承載力驗算

(1)拉剪復合受力下，錨栓鋼材破壞承載力按下式驗算:

(2)拉剪復合受力下，混凝土破壞承載力按下式驗算:

根據?電氣化鐵路接觸網用力矩控制式膠粘型錨栓?[15]選用錨栓，參考在鐵路成熟應用的相關品牌的力矩控制式膠粘型、材質為碳鋼8.8級的錨栓設計參數，根據式(12)、式(13)拉剪復合最不利情況下，驗算錨栓鋼材破壞和混凝土破壞承載力是否滿足要求，計算結果如表7、表8所示。

表7 中間柱吊柱錨栓承載力驗算

表8 下錨底座錨栓承載能力驗算

4 錨栓計算結論分析

以中間柱吊柱M16錨栓為例進行分析，錨栓的拉剪復合驗算利用率為45.8%，表明冗余充分。根據表7、表8可知:鋼材受拉破壞最大利用率為29.3%，鋼材受剪破壞最大利用率為15.2%，混凝土錐體受拉破壞最大利用率為54.5%。據以上分析可知，研究選用的力矩控制式膠粘型錨栓承載能力滿足要求。

為了便于管理和施工，工程設計時錨栓規(guī)格應盡量統(tǒng)一，考慮安全，建議拉剪復合利用率控制在60%～70%以下，保留40%～30%以上的冗余度。根據以上研究，綜合高速鐵路隧道二襯混凝土基材厚度(最小厚度300 mm)條件和其他需求(如安全、防火、抗震)，推薦力矩控制式膠粘型M16×125 mm或M20×170 mm兩款錨栓作為接觸網基礎。

除上述承載力計算外，還應考核力矩控制式膠粘型錨栓的膠粘劑、螺桿的性能，尤其是在特殊的環(huán)境下，如高濕熱、沿海等環(huán)境，需要評估長期應力下環(huán)境對產品耐久性的影響。

5 工程案例

案例1:合肥至蚌埠鐵路客運專線。東蘆山隧道全長1 366 m，設計時速350 km。接觸網采用全補償彈性直鏈型懸掛，接觸網基礎全部采用后錨固膠粘型錨栓M20×250，自2010年開通十年來運行良好。

案例2:淮蕭客車聯(lián)絡線。古尚村隧道全長2 380 m，設計時速250 km。接觸網采用全補償彈性直鏈型懸掛。原設計為預埋槽道，隧道施工完成后存在諸多問題，導致接觸網設備無法安裝；后全部改為外置槽道，固定外置槽道的錨栓采用力矩控制式膠粘型錨栓M20×170 mm，2017年開通以來運行良好。

6 結束語

(1)后錨固膠粘型錨栓可滿足高速鐵路運營要求，用后錨固膠粘型錨栓基礎(錨栓組或外置槽道錨栓組)更換達到壽命周期后的預埋槽道基礎，技術方案可行。

(2)對于目前常用的錨栓匹配外置槽道方案，其應用的錨栓數量較多，一套中間柱吊柱外置槽道配力矩控制式膠粘型錨栓約30套。施工打孔數量多，安裝時間長，再加上膠粘劑的固化時間，需天窗點的時間更多，對于運營線路的施工成本非常高。后置錨栓組在降低施工成本的同時，縮短了對天窗點的要求。

(3)本文的研究結果可為既有隧道內接觸網基礎設計、施工和事故搶修等提供技術支撐。