高強絕緣防護網在電氣化鐵路無襯砌隧道加固中的應用

唐文龍,邢建鑫,郭 威

(1.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100860；2.中國鐵路北京局集團有限公司 北京西工務段，北京 102300)

1 工程概況

受當時經濟和技術條件的限制，我國在解放前和解放初期修建了部分無襯砌隧道，俗稱“毛洞子”。一般來說，無襯砌隧道適用于Ⅰ，Ⅱ級圍巖地段，運營初期依靠巖石的自穩能力結構是穩定的。但隨著圍巖應力釋放、巖石風化、巖層裂隙發育、雨水浸潤、凍脹等自然狀況發展，加之地震、人為活動、列車振動等不利因素的作用，隧道內圍巖松動、表層巖層風化剝落、局部巖石掉塊脫落、噴錨層掉落等病害時有發生，嚴重威脅行車安全[1-2]。

豐沙線8號隧道位于豐沙上行線斜河澗站—落坡嶺站區間，修建于1952年，中心里程為K28+699。隧道全長575.1 m，隧道內線路為直線，坡度為10‰。該隧道位于電氣化區段。隧道內距離進洞口(北京至沙城方向)0～108 m,163～170 m,546～575 m有襯砌。而108～163 m,170～233 m,322～380 m,383～420 m,437～546 m為無襯砌段。無襯砌段隧洞寬約5.4 m,洞內拱頂高度約6.5 m。

經現場實地調查，隧道內危石危害主要分布在Ⅱ級圍巖局部破碎的洞頂部位，土石方量一般0.2～0.4 m3，已墜落部位如150 m處洞頂，危石單個尺寸約1.0 m×0.5 m×0.6 m，具體情況見表1。

在隧道拱頂局部存在掉塊現象。根據工務段歷年檢查觀測記錄，豐沙線上行8號隧道歷年落石情況見表2。

表1 隧道內情況調查結果

表2 豐沙線上行8號隧道歷年落石情況

經現場勘查，該隧道存在局部軟弱夾層，灰巖層間局部存在片理化軟弱薄層。片理化薄層本身強度和密度很低，風蝕干燥條件下易風化變成粉末狀，從而形成裂隙;潮濕條件下遇水軟化變成流塑狀,在石灰巖間形成潤滑劑，造成局部地段圍巖掉塊。局部節理裂隙發育，洞頂危石及側壁欠穩定結構體主要由裂隙控制，一般由3條裂隙斜向上切割貫通，使得頂面呈楔形的結構體與圍巖分離，在風化作用、振動作用及地下裂隙水的影響下，使結構體與圍巖連接力完全喪失而墜落。

由于上述原因，隧道內圍巖的整體穩定性降低，許多地段巖體松動甚至剝落(如圖1)，被切割的塊狀巖體之間的約束能力降低，形成危石，嚴重威脅行車安全，須盡快治理。

圖1 無襯砌隧道及落石照片

2 采取的整治措施及問題

為了保證行車安全，維護部門采取了如下措施對無襯砌隧道病害進行整治[3]：①排查、清掃危石。配備強光手電人工檢查，用檢查桿探查或搭設檢查腳手架對拱頂予以敲擊檢查，對發現的危石作出標記，定期觀測，情況嚴重時再利用天窗點進行清理。②采用工程技術措施進行加固,如增加模筑混凝土襯砌、掛網噴錨加固、局部錨桿固化、吊掛膠皮、錨桿和金屬網加固等[4]。通過整治，在一定程度上遏制了無襯砌隧道病害的發展。

在多年的圍巖病害整治實踐中，發現上述無襯砌隧道病害整治方式存在很多局限性:①模筑加固(加設襯砌)是最徹底的加固方法，但受隧道限界的限制，且在運營線施工行車干擾大，工程周期長，在既有線施工受到很大的制約。②掛網噴錨加固雖然在新隧道技術成熟，但由于運營線隧道很難將圍巖表面清理干凈，噴射混凝土質量難以保證。③吊掛膠皮將風化剝落的巖石碎屑兜在膠皮內，隨著膠皮年久老化及聚集的碎石越來越多，在重力作用下會造成膠皮脫落。④金屬防護網加固，在電氣化隧道須與供電和各種電纜設備保持安全距離，須將網片裁剪成塊因而整體性較差，且金屬網片會產生感應電，須將網片接地放電，給隧道內檢查作業帶來安全隱患。

鑒于以上問題，下文介紹一種高強、絕緣、防腐、阻燃的防護網。它非常適合電氣化區段無襯砌隧道的加固。

3 高強絕緣防護網的結構組成和性能指標

3.1 結構組成

防護網主要由網目繩、網綱繩和細繩組成。

網目繩由12股纖維編織而成，根據每股纖維的粗細不同可將網目繩編織成直徑3,4,5 mm等規格。將網目繩按照網眼尺寸6 cm×6 cm編織成網片(如圖2)，網片大小可根據生產實際需要進行調整。

圖2 高強絕緣防護網片

網綱繩編織時所用的纖維較粗，主要是將網片受力分散并傳遞給錨桿，增加了整個網片在使用中的整體穩定性，可編織成直徑9,10 mm規格。

細繩編織時所用的纖維較細，在防護網中主要起到固定網目繩和網綱繩的作用，也增加了網片的整體性能。直徑為1.0,1.5 mm的細繩即可滿足生產需要。

3.2 性能指標

3.2.1 強度高

分別取型號為EJ04，EJ05的絕緣防護網樣品(2.5 m×2.5 m)各2片和金屬防護網樣品(2.5 m×2.5 m)[5-6]1片，采用100 t頂破拉力試驗機進行試驗。2016年2月1日試驗測得網片的頂破試驗曲線見圖3。

圖3 3種防護網頂破試驗曲線

由圖3可得到防護網的頂破力。頂破試驗結果見表3。

表3 頂破試驗結果

由表3可見，絕緣防護網與金屬防護網在非電氣化鐵路隧道無襯砌加固地段，均能夠抵擋重量70 kN以內的落石，對既有線無襯砌隧道發生的碎石掉落能夠起到有效攔截作用。

3.2.2 密度低

絕緣防護網所采用的芳綸材料密度低。以3.0 m×3.5 m相同大小的金屬防護網和絕緣防護網進行比較，金屬防護網質量為20.0 kg，而絕緣防護網只有7.5 kg。因此，絕緣防護網在材料運送、掛網操作等施工過程中更為便捷。

3.2.3 絕緣性能良好

1)不導電。取絕緣防護網片試驗樣品采用 100 kV 介電強度測試儀進行測試。結果顯示，防護網繩擊穿電壓均大于35 kV(大于鐵路供電設備電壓27.5 kV)，不具有導電性。

2)高電阻。取絕緣防護網片試驗樣品采用數字高阻計進行電阻測試。結果顯示，電阻均大于3.2×109Ω，說明絕緣防護網片位于絕緣體之列，具有良好的絕緣性能。

在電氣化鐵路隧道無襯砌地段，采用金屬防護網時，受鐵路電氣化影響較大，網片容易產生感應電，在施工和運營期間都存在人身和行車安全隱患。而芳綸防護網良好的絕緣性能，在電氣化鐵路隧道無襯砌地段進行加固時，不需考慮與供電和各種電纜設備的安全距離，不需裁剪，整體性好，施工結束后網片不會產生感應電，不需要將其接地放電。

3.2.4 阻燃性能良好

取芳綸防護網片試驗樣品采用UL94耐燃燒試驗裝置進行測試，測試續燃時間、引燃時間、滴落物等。水平燃燒測試結果表明，火焰前端均未超過25 mm。垂直燃燒測試結果表明：防護網初始引燃后10 s內均無滴落，均未引燃棉絮;二次引燃后10 s內仍無滴落，未引燃棉絮且續燃加陰燃長度未達到夾持點。

測試結果顯示，防護網繩水平燃燒和垂直燃燒均處于HB和V-0水平級別，即不燃燒，說明其具有良好的阻燃性能。芳綸材料不同于人們日常生活中所見到的尼龍材料，它不具有燃燒性能，反而阻燃。

3.2.5 耐腐蝕性能良好

取經過海水浸泡2年的芳綸纖維樣品，采用Instron拉伸試驗機進行試驗，測量纖維在海水浸泡前后的拉伸強度，測試結果見表4。

表4 耐腐蝕性能測試結果

由表4可知，防護網繩經過海水浸泡前后斷裂強度及延伸率無明顯降低(下降幅度<15%)，說明耐腐蝕性能良好。

4 施工工藝

4.1 施工順序與方法

1)清理圍巖表面

規整隧道襯砌邊界，清除浮土，清理松散圍巖，保證錨桿的有效性和端部穩定性。

2)布置錨桿孔位

以拱部中心線為基準線，放線布置錨桿孔位，宜設于天然凹坑處。

3)鉆孔作業

①鉆孔。根據圍巖風化松散程度進行深度設計，鉆鑿錨桿孔，孔徑不應小于32 mm，深度宜略大于錨桿長度。鉆孔順序宜先上后下。鉆孔時，錨桿應盡可能垂直于隧道圍巖表面且與水平面的夾角不應小于15°。②清孔。鉆孔完成后應清理孔內殘渣。宜采用高壓風清孔，可避免用水清孔時對帶電設備的不良影響。

4)安裝錨桿并注漿

①安裝錨桿。檢查錨桿通透性，若堵塞及時處理。錨桿設固定裝置，保證錨桿在孔內的中心，不與孔壁相接觸。設置6 mm硬塑排氣管，與錨桿捆綁安裝一同插入孔內。排氣管上端應高于錨桿出漿口且不能頂住巖石影響排氣，下端應外露，保證排氣。清理錨桿頭并使其裸露長度為10～18 cm。孔口用早強型錨固劑封堵。②注漿。待封口錨固劑達到強度后，經中空錨桿向孔內注漿。注漿采用加固型TGRM水泥基特種灌漿料，注漿壓力不宜大于2 kPa，孔內漿液由下而上把孔內空氣經排氣管擠壓排出，當排氣管口流出注漿液，可確定孔內漿液飽滿(注漿可多次灌注，間隔1～3 min)，停止注漿。③養護。為確保注漿料達到使用強度，在進行下一道工序前注漿體養護不少于3 d。

5)鋪設芳綸防護網

①鋪網。根據拱頂實際情況及設計要求，合理定制網片大小,設置網片具體位置。鋪網時應始終從同一端向另一端鋪設(由上而下)，保證端部順直。鋪網要緊貼圍巖表面，保證緊繃。②縫合連接。相鄰網片的邊沿網孔間采用φ9網繩進行縫合。

6)錨墊板安裝

安裝錨墊板，并擰緊螺母施加預應力，使芳綸防護網張緊并緊貼圍巖表面，網片邊緣搭接部位縫合繩必須有錨墊板進行卡壓,螺母須作防脫設計并可拆卸，以方便后期使用中清理落石。

4.2 施工流程

施工準備→清理風化圍巖表面→布置錨桿孔位→鉆孔→清孔→安裝錨桿、封錨→注漿、養護→鋪設芳綸防護網→安裝錨墊板、防脫螺母。

4.3 施工注意事項

①施工應在封閉點內進行，嚴格按照相關鐵路施工規范、標準實施。②芳綸防護網施工作業，施工人員必須經嚴格培訓后方能上崗操作。③確保作業機具、材料碼放整齊，不得侵限，保證列車運行安全。④施工過程中必須做好各項安全措施，確保施工和人身安全。⑤芳綸防護網施工采用中空式注漿錨桿，錨桿長1.0～1.5 m。⑥錨桿間距可以適當調整，錨桿孔位不能位于可能因鉆孔作業而發生掉落的巖塊上，同時也要避開隧道壁面上局部凸起的巖體和貫通裂縫。⑦在電氣化區段施工時供電臂絕緣子附近錨桿打眼和注漿過程中，要對接觸網供電臂絕緣子進行防護，注漿完成后要對其進行清理。

豐沙線上行8號隧道已完成的絕緣防護網加固工程效果如圖4，目前使用良好。

圖4 豐沙線上行8號隧道絕緣防護網施工后

5 結語

芳綸防護網較好地避免了金屬防護網在電氣化隧道無襯砌區段加固施工時的不安全因素。其施工便捷，不用考慮與供電和各種電纜設備的安全距離，不必裁剪，整體性好，使用中不會產生感應電，不必將網片接地放電，解決了施工中和使用時對人身和行車構成的安全隱患。