某鐵路涵洞病害分析及整治

文章簡要介紹山西南部某涵洞的病害情況，從實驗室檢驗成果、施工單位沉降評估報告、有限元建模分析三個方面對該病害原因進行排查，總結出：各種因素導致涵洞底板出現水平環向裂縫，削弱了底板的有效截面厚度，進而導致涵洞底板軸向開裂。通過植筋，在底板上澆筑一層鋼筋混凝土，增大截面對該涵洞進行病害整治，為今后類似鐵路涵洞病害治理提供借鑒。

鐵路涵洞; 病害; 裂縫; 植筋; 整治

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[定稿日期]2021-07-02

[作者簡介]賈繼祥（1994～），男，碩士，助理工程師，研究方向為橋梁結構行為。

1 工程概況：

山西南部某1～3.0 m鋼筋混凝土蓋板箱涵，涵洞高度3.5 m，涵長40.39 m，涵頂填土高8.6 m，線路法線與涵洞軸線之夾角θ=8°。涵洞采用高邊墻，基礎為剛性聯合基礎，采用正出入口型式，底板及墻身每節長度為3 m，底板為1.5 m厚C30混凝土，涵洞位于膨脹土地段，基底換填三七灰土封底，換填深度為0.5 m，換填底置于σ=150 kPa的老黃土層上。蓋板為C35鋼筋混凝土普通蓋板，帽石、中間節墻身、基礎為C30混凝土。在巡檢過程中發現第5～8節涵洞底板中軸線存在豎向貫通裂縫（圖1、圖2）。

2 涵洞裂縫檢測、土工試驗以及沉降檢測

某檢測科技有限公司對涵洞混凝土結構以及涵下地基取芯檢測，檢測結論：

（1）自涵洞上游起5～8節底板中軸線存在豎向貫通裂縫，縫寬0.5～1 cm;除此之外，在底板厚度0.49～1.1 m范圍內分布有水平環向裂縫;在觀測期間裂縫寬度均收斂，未見變化。

（2）涵洞底板混凝土強度以及涵下地基土的承載力基本滿足設計要求。

施工單位對該涵洞高程、裂縫寬度進行了觀測，在涵洞自上游起第5～8號底板進行高程監控，每塊底板在大里程、裂縫前后、小里程端各布置4個沉降觀測樁，觀測頻率1次/2～3 d，共觀測了8期，對其觀測結果進行整理，其最大沉降為0.66 mm，出現在第6號底板處，從觀測數據來看，涵洞沉降趨于平穩，各測點觀測期間最大沉降如圖3所示。

3 有限元模型

為了更好地分析裂縫形成的原因，使用有限元軟件midas/FEA建立第6號涵節的有限元模型，分析該涵洞應力分布（圖4、圖5）。

蓋板與邊墻使用鉸接的連接方式，邊墻與基礎為剛性連接，基礎與土的相互作用使用土彈簧模擬，地基比例系數m取12 000 kPa/m2;荷載組合為涵洞的自重、上部填土荷載引起的土壓力以及列車引起的zk活載土壓力的最不利組合，上部土重度取γ=18 kN/m3[3]。

材料參數如下：

豎向土壓力：p=γ·h。

水平土壓力：e=ξ·γ·h，其中ξ為水平土壓力系數，取0.35。

活載引起的豎向土壓力：qh=q2.6+h，其中q為特種活載分布集度，該涵洞所受活載為ZK標準活載，q取156 kN/m。

活載引起的水平土壓力：e=ξ·qh[2]。

對該模型進行網格劃分并分析，計算結果顯示底板中部受拉，最大拉應力為0.327 MPa，小于TB 10092-2017《鐵路橋涵混凝土結構設計規范》[1]所規定的C30混凝土容許拉應力。因此，該結構設計合理，底板開裂并不是由于設計所導致（圖6、圖7）。

4 涵洞開裂原因分析

通過以上實驗室檢驗成果、施工單位沉降評估報告、有限元建模分析的結論，可以總結出：各種因素所致涵洞底板中存在的水平裂縫削弱了底板的有效截面厚度，進而導致涵洞底板軸向開裂。

通過與施工單位對接，發現該涵洞施工工期過長，且施工質量差，在涵洞基礎分層澆筑時，間隔時間過長，接縫混凝土表面未應鑿毛洗凈，接觸面未嚴格按施工接縫處理，對接縫處沒有充分振搗。

5 涵洞病害整治

針對前述的檢驗、觀測資料以及原因分析，本次加固方案采用“增大截面法”進行病害處理[4]。對自涵洞入口起的2至第9節底板進行鑿毛處理， 其中5～8節在邊墻植鋼筋，澆筑50 cm厚鋼筋混凝土，為了對流水面進行順接，在2～4節、9節涵洞底板澆筑C40纖維混凝土。

（1）利用改性環氧樹脂類修補膠液對裂縫進行封閉，采用裂縫表面粘貼注膠嘴注膠和裂縫兩側鉆注膠孔注膠兩種方式相結合的方式進行[6]。

（2）按照施工規范的技術要求，對自涵洞入口起的2至第9節底板進行鑿毛處理。

（3）在涵洞5～8號涵節邊墻上打孔、植鋼筋。

（4）綁扎鋼筋骨架，澆筑C40纖維混凝土。

6 植筋施工工藝[7～9]

（1）準備：檢查被植筋混凝土表面是否完好，核對并標記植筋部位。

（2）植筋前需按相關規范要求作拉拔試驗：16 mm鋼筋錨固力不小于51 kN，22 mm鋼筋錨固力不小于96 kN[5]。

（3）鉆孔：16 mm鋼筋（圖8中N1）鉆孔直徑為20 mm，22 mm鋼筋（圖8中為N2）鉆孔直徑為26 mm，鉆孔深度需滿足所選用產品的性能要求。

（4）清孔：鉆孔完畢后應用吹氣筒或其它空壓設備將孔內灰屑吹出，用金屬毛刷刷三遍、吹三遍，確保孔壁無塵。

（5）注膠：注膠時將攪拌頭插入孔的底部開始注膠，逐漸向外移動，直至注滿體積的2/3即可。

（6）植筋：準備好的鋼筋旋轉著緩慢插入孔底，使得植筋膠均勻地附著在鋼筋的表面及縫隙中。

（7）在固化期內禁止擾動。

7 結束語

本文簡要介紹山西南部某涵洞的病害情況，從實驗室檢驗成果、施工單位沉降評估報告、有限元建模分析三個方面對該病害原因進行排查，總結出：該涵洞施工工期太長，涵洞底板混凝土分層澆筑間隔時間過長，接縫混凝土表面未應鑿毛洗凈，接觸面未嚴格按施工接縫處理，對接縫處沒有充分振搗，這些施工中存在的問題導致涵洞底板出現水平環向裂縫，削弱了底板的有效截面厚度，進而導致涵洞底板軸向開裂。本文依托植筋工藝，在底板上澆筑一層鋼筋混凝土，通過增大截面法對該涵洞進行病害整治，為今后類似鐵路涵洞病害治理提供借鑒。

參考文獻

[1] TB 10092-2017鐵路橋涵混凝土結構設計規范[S].

[2] TB 10002-2017鐵路橋涵設計規范[S].

[3] TB 10093-2017 鐵路橋涵地基和基礎設計規范[S].

[4] GB-50367-2013 混凝土結構加固設計規范[S].

[5] 文國想，程材淵.植筋及植筋混凝土梁力學性能的試驗研究[J].佳木斯大學學報，2011，29（5）：667—672.

[6] 孫曼靈.環氧樹脂應用原理與技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[7] 秉鈞，張洪章.喜利得植筋技術在設計修改工程中的應用[J].建筑技術，2000，3l（11）：766-767.

[8] 趙更歧.植筋粘結錨固性能主要影響因素的試驗研究[J].建筑結構學報，2006，（10）：54—57

[9] 趙更歧.植筋粘結錨固性能試驗研究[R].2001.

1673500520284