金属波纹板整治铁路隧道病害设计方案与计算方法研究.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2023年 8月Aug 2023第5卷 第8期Vol.5 No.80引言随着铁路作为城市间的主要交通枢纽不断兴建，部分运营中的铁路隧道出现了各类病害1，对社会经济与安全造成重大损失。波纹钢结构具有高强、高韧、施工便捷等特点，可满足铁路隧道修复时间紧、要求高的特点。早在 20 世纪初，欧美国家就开始了波纹钢在交通工程快速施工建设中的探索2。近年来，波纹钢板被逐步推广至隧道初期支护、既有隧道加固、综合管廊建设等工程中。不少学者对铁路隧道采用波纹板防护开展研究。付兵先等3提出了一种隧道洞口波纹板防护结构，通过开展足尺试验，对不同冲击能量下隧道洞口波纹板的内力、变形特性进行研究；王伟等4以三维激光扫描技术对隧道经波纹钢加固前后的状态进行扫描，建立了外业扫描和内业处理的标准化工作流程；李红梅等5认为隧道壁面、车体表面压力变化最大值随着套衬厚度的增加而不断增加；陈望祺等6提出使用波纹钢板套衬的衬砌加固方法解决衬砌起层剥落病害问题。综上，国内波纹钢结构应用于隧道当中处在起步阶段，结构性能的研究对设计施工具有指导意义，但缺乏完整详细的设计方案与规程将对波纹钢结构的工程应用产生巨大阻碍。本文以某铁路病害隧道为背景，对其利收稿日期：2023-05-04基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFC3002000），中国铁路上海局集团有限公司科研计划（2022057）作者简介：黄煊博（1997），男，江西上饶人，博士研究生，研究方向：公路隧道监测与安全性能。金属波纹板整治铁路隧道病害设计方案与计算方法研究黄煊博1,2，潘振华3，梁殿坤3，张清照1,2，许浩东1,2（1.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092；3.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200092）摘 要：为探究金属波纹板整治铁路隧道病害的设计与计算方法，对某病害铁路隧道利用金属波纹板整治的波纹钢设计、连接件设计、材料设计以及耐久性设计的关键设计方案进行总结，并提出隧道病害整治的荷载结构计算方法。依据该隧道的实际情况分别建立原整治方案与波纹钢整治方案的荷载结构法模型，对两种方案的加固效果进行对比，结果表明波纹钢结构的内力远小于原结构，但拱顶沉降较原结构大。关键词：金属波纹板；铁路隧道；设计方案；荷载-结构法中图分类号：U457文献标识码：A文章编号：2096-6903(2023)08-0111-04用金属波纹板整治病害的设计方案进行总结，并提出使用的荷载-结构计算方法，以期为金属波纹板用于铁路隧道病害整治的设计提供参考。1工程背景某铁路病害隧道地处级围岩，全环衬砌厚度为40 cm，采用 C30 混凝土。该段地质为侏罗系上统西山头组晶屑玻屑凝灰岩，弱风化，节理裂隙不发育，岩质坚硬，岩体完整。基岩裂隙水不发育。隧道中病害发育区正拱顶施工缝处存在约 6 000 mm6 000 mm(环 纵)的月牙裂纹，评定为 A1 级。根据无损检测报告显示，病害范围衬砌强度、厚度满足设计要求，无不密实。2金属波纹板整治隧涵病害结构设计2.1 波纹钢设计波纹钢结构采用连续热镀锌钢板及钢带时，其性能、尺寸、外形、质量及允许偏差应符合现行连续热镀锌钢板及钢带（GB/T 2518-2008）的有关规定。波纹钢结构的材料采用碳素结构钢时，其性能应符合现行碳素结构钢（GB/T 700-2006）的有关规定，其尺寸、外形、质量及允许偏差应该符合现行热轧钢板和钢带的重量及允许偏差（GB/T 709-2019）的规定，且厚度的下偏差应不小于 0。波纹钢的型号即波高、波距、壁厚应根据公路等级和地质条件等因素综合确定，通常采用深波纹的波纹钢。波纹钢板片在加工能力和运输、吊装设备允许条件下，环向分片以接缝最少为原则，应尽量使用最大的环向板宽。2.2 连接件设计连接件材料应符合下列规定：连接件采用高强度螺栓、螺母，强度等级不低于 8.8 级。高强度螺综合论坛智能建筑与工程机械 112 第5卷栓、螺母规格为 M12、M16、M20、M24，螺栓长度宜为 30 70 mm。结构用高强度垫圈采用专用垫圈。螺栓、螺母及垫圈的力学性能指标，应符合现行钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈技术条件（GB/T 1231）的有关规定。波纹钢纵向连接宜采用搭接，在波纹钢板端部预留螺栓孔位，采用高强螺栓连接。每环之间采用通缝拼装型式，环向分片之间采用双排螺栓进行加强。波纹钢板纵向连接示意如图 1 所示。2.3 材料设计2.3.1波纹板材料波纹钢板主体结构一般采用碳素结构钢热轧钢板或钢带冷加工制造，基材性能应符合碳素钢结构（GB/T 700-2006）要求。浅波纹钢结构板一般采用 Q235 以上牌号钢材，深波纹钢结构板通常要求采用 Q345 牌号钢材。连接件采用高强度六角螺栓、螺母和垫圈。螺栓材料采用 40Cr，且符合合金结构钢（GB 3007-1999）要求。螺母材料采用 45 号钢。法兰盘的材料可采用 Q235 或 Q275 碳素结构钢。2.3.2注浆材料注浆材料性能指标需满足表 1 所示要求。3金属波纹板整治隧涵病害荷载-结构计算方法3.1 前提与假设假定隧道的二次衬砌承担全部的级围岩荷载，二次衬砌按照梁单元进行模拟。围岩与隧道的相互作用用曲面弹簧模拟，考虑系统锚杆作用，提高曲面弹簧20%刚度。3.2 材料物理力学参数根据铁路隧道设计规范（TB 10003-2016）及相关工程经验，选取隧道二次衬砌结构物理力学参数如表 2 所示。3.3 荷载的计算3.3.1断面埋深的判定参考铁路隧道设计规范（TB 10003-2016）关于围岩力学参数的数据。本次算例模拟选取级围岩容重为 22 kN/m3，计算内摩擦角取平均值为 55。根据设计资料，隧道断面高度为 6.5 m，跨径为5.5 m。由计算断面情况和所处围岩等级可知，其中S=4，B=5.5 m，取 i=0.1，围岩重度=22 kN/m3。具体计算公式如式（1）。Hq=0.452s-1 （1）=0.4524-1(1+0.1(5.5-5)=3.78m图 1 波纹钢板纵向连接示意图表 1 注浆材料性能指标要求表 2 材料力学参数表项目质量要求90min 流动度保留值/mm 320塑性体积膨胀率/%0.52.0抗压强度/MPa 50.0抗渗性/MPa 1.5拉伸粘结强度（湿基面）/MPa 1.0拉伸粘结强度（干基面）/MPa 1.5材料本构模型单元类型重度/（kN/m3）弹性模量 E/MPa泊松比 C30 混凝土弹性模型梁单元25.0300000.20因 此 级 围 岩 深 浅 埋 临 界 深 度HP=2.5 m，hq=2.53.78=9.45 m隧道计算断面最大埋深 30 mHp=9.45 m，故按照深埋隧道计算围岩压力。3.3.2断面荷载取值根据铁路隧道设计规范（TB 10003-2016），深埋隧道松散荷载垂直均布压力及水平均布压力，可按下列公式计算。垂直均布压力计算公式如式（2）。q=hq=223.78=83.16kPa （2）级 围 岩 参 考 铁 路 隧 道 设 计 规 范 （TB 10003-2016）可知，水平均布压力按荷载均值计算公式如式（3）。E=0.225q=0.22583.16=18.7kPa （3）4金属波纹板与原支护方案整治隧涵病害效果计算对比4.1 有限元模型建立4.1.1模型建立取隧道纵断面每延米计算，按平面应变问题进行数值模拟。假定隧道的二次衬砌承担全部的级围岩荷载，二次衬砌（厚度 40 cm）按照梁单元进行模拟（C30 混凝土，重度 25 kN/m3，弹性模量 E=30 GPa，泊松比为 0.2），利用 MIDAS/GTS NX 绘制二维隧道截面模型。4.1.2模型边界条件参考铁路隧道设计规范（TB 10003-2016）中关于围岩力学参数，级围岩的弹性抗力系数k=320 MPa/m，考虑系统锚杆作用，提高曲面弹簧20%刚度，即 k=384 MPa/m。利用弹簧功能定义模型的边界条件。4.1.3波纹钢衬砌模型建立波纹钢采用 400 mm150 mm7 mm，等效宽2023年 第8期 113 a 隧道二衬水平变形位移图b 隧道二衬竖向变形位移图图 2 隧道二衬变形位移图b 隧道二衬剪力图 c 隧道二衬弯矩图图 3 隧道二衬内力图a 隧道二衬轴力图 度 0.053 m，等效高度 0.171 m。注浆体厚度 7 cm，底板混凝土厚度 40 cm，均按照梁单元进行模拟。波纹钢，重度为 78.5 kN/m3，弹性模量 E=200 GPa，泊松比为 0.3。C30 混凝土，重度 25 kN/m3，弹性模量E=30 GPa，泊松比为 0.2。其余同前文模型。4.2 数值模拟结果与强度验算两种方案计算结果变形、内力分布模式相近，本章仅展示原支护方案的有限元云图。4.2.1数值模拟结果由图 2 可知，原设计方案隧道二次衬砌结构顶部向洞内收敛，拱顶下沉位移最大达到 1.12 mm。拱腰及拱脚向围岩方向变形，向外扩张的总体变形 0.48 mm。波纹钢支护方案支护结构顶部向洞内收敛，拱顶下沉位移最大达到 4.69 mm（原设计方案中为1.12 mm）。拱腰及拱脚向围岩方向变形，向内扩张的总体变形 2.4 mm（原设计方案中为 0.48 mm）。由图 3 可知，原设计方案隧道二次衬砌受力，由图 3 可以看出，隧道二次衬砌结构的轴力最大值为326.52 kN，产生在拱脚处，且轴力从拱底至拱顶依次减小，拱顶轴力最小为 124.61 kN。隧道二次衬砌结构的剪力最大值为 165.43 kN，产生在拱脚底部，两侧拱腰及拱顶的剪力值相对较小。隧道二次衬砌结构的正弯矩最大值为 59.82 kN m，发生在隧道二次衬砌底板正中间。负弯矩最大发生在二次衬砌拱脚处，最大值为 68.48 kN m，且拱顶两侧负弯矩值较大。黄煊博，潘振华，梁殿坤，等：金属波纹板整治铁路隧道病害设计方案与计算方法研究智能建筑与工程机械 114 第5卷波纹钢支护方案支护结构中，波纹钢支护结构轴力最大值为 265.9 kN，产生在拱脚处，且轴力从拱底至拱顶依次减小，拱顶轴力最小为 152.5 kN。波纹钢的剪力最大值为 51.2 N，产生在拱脚底部，两侧拱腰及拱顶的剪力值相对较小。波纹钢的正弯矩最大值为 12.7 kN m，发生在拱顶，负弯矩最大值为 16.7 kNm，发生在拱脚处，且拱顶两侧负弯矩值较大。4.2.2二衬截面强度验算按破损阶段法，隧道衬砌截面强度验算根据轴力偏心距 e0=M/N0的大小，分两种情况计算。当，e0 0.2 h 时，抗压强度控制计算公式如式（4）。KN Rbh （4）式中，R为混凝土的极限抗压强度，单位是 MPa，C30 极限抗压强度为 22.5MPa；K 为安全系数，规范中抗压安全系数为 2.4；N 为轴向力，单位是 MN；b为截面宽度，单位是 m；h 为截面厚度，单位是 m；为构件的纵向弯曲系数；为轴向力的偏心影响系数。当时，抗拉强度控制计算公式如式（5）。（5）式中，为混凝土的极限抗拉强度，C30 极限抗拉强度为 2.2MPa；K 为安全系数，规范中抗拉安全系数为 3.6；其余参数与前文定义相同。根据上述计算方法，对拱顶和拱脚处截面进行验算。由表 3 可见，原设计方案中，除拱脚处外，各截面强度均满足强度验算要求。由表 4 可知，波纹钢支护方案在变形位移上整体是传统二衬支护的 3 5 倍，这与波纹钢是一种柔性材料有关，但是整体变形仍符合隧道设计要求。在主洞上，波纹钢支护结构的整体内力均显著小于传统二衬支护方弯矩/kNm轴力/kNe0/m0.2h/mkN/MN /MN原方案拱顶27.74124.610.2220.08（拉）0.4480.661原方案拱脚68.48326.520.2090.08（拉）1.1750.721新方案拱顶12.67152.460.0830.014（拉）0.5490.429新方案拱脚16.67265.980.0630.014（拉）0.9570.0865表 3 衬砌内力计算结果表表 4 原设计支护与波纹钢支护计算结果对比表设计方案结果项拱顶沉降/mm 洞周收敛/mm 最大轴力/kN最大正弯矩/kNm最大负弯矩/kNm最大剪力/kN传统二衬支护主洞1.122.40326.5259.8268.48165.43波纹钢支护主洞4.690.48265.9812.6716.6751.19案，效果较好。5结束语本文对金属波纹板整治隧涵病害设计方法进行了总结，并初步建立了适用于波纹钢整治隧涵病害结构的荷载结构计算方法，对比了原设计方案与波纹钢设计方案的加固效果对金属波纹板整治隧涵病害结构设计方法进行了系统研究，在建筑材料、波纹钢设计、连接件设计、结构耐久性等方面的设计进行总结，可为相关设计提供依据。提出了金属波纹板整治隧涵病害结构的荷载结构计算方法，建立了原支护与波纹钢支护的算例进行分析，可以发现波纹钢结构的内力远小于原结构，安全系数较高，但拱顶沉降较原结构大。参考文献1 王希云.重载铁路隧道病害调研与整治技术研究J.建筑结构,2019,49(S2):988-994.2 Vaslestad J,Madaj A,Janusz L.Field Measurements of Long-span Corrugated Steel Culvert Replacing Corroded Concrete bridgeJ.Transportation Research Record,2002,1814(1):164-170.3 付兵先.隧道洞口波纹板防护结构的动态性能J.铁道建筑,2019,59(5):68-72.4 王伟,许学良,马伟斌,等.三维激光扫描技术在隧道钢波纹板套衬加固中的应用研究J.隧道建设(中英文),2020,40(S1):423-428.5 李红梅,刘磊,白鑫,等.套衬对隧道空气动力学效应的影响研究J.铁道建筑,2015(12):66.6 陈望祺,刘保东,刘瑞,等.波纹钢板套衬解决隧道衬砌掉落病害的效果分析J.隧道建设(中英文),2018,38(S2):384-388.