玉溪至磨憨鐵路高地震烈度、高地熱隧道接觸網基礎安裝用化學錨栓壽命期及安全性研究

雷偕

摘要：接觸網基礎是電氣化鐵路非常重要的受力構件，隧道內采用化學植筋的錨固技術較為成熟。本文對高地震烈度、高地熱隧道使用后置化學錨栓的壽命期及安全性進行研究。

關鍵詞：高地震烈度、高地熱隧道;接觸網基礎;壽命期;安全性

一、研究范圍

1. 工程概況

本線由在建昆玉線玉溪西站接出，在研和、峨山設站后穿萬和隧道（17439m）設羅里站，后以（68m+128m+68m）連續剛構跨大開門河，于楊武鎮附近下穿玉元高速公路，至立新設緩開站，穿甘莊隧道（15260m）后設元江站，展線下坡至元江設（108+152+249+152+108）連續鋼桁梁跨元江，后（42+96+2×128+96+42）連續剛構跨南溪河;線路展線上坡繞避瓦納溫泉，穿通達隧道（11296m）和安定隧道（17476m）至墨江設站，再穿王崗山隧道（13510m）、平安隧道（14535m）后以（112+216+112）連續剛構跨越阿墨江，穿新華隧道（15834m）、石頭寨隧道（11839m）以（88+168+88）連續剛構跨把邊江，穿大金山隧道（10647m）至寧洱縣老楊寨設站，跨那蘇河、穿大尖山隧道（14195m）至普洱市西側象山設站，跨木乃河，經丫口寨、勐滿鄉穿勐養隧道（13553m）設野象谷站，穿西雙版納隧道（10668m）、以（70+200+70）拱加勁連續梁跨越景洪瀾滄江后至景洪機場東側設西雙版納站，經飛龍再以（92+200+92）拱加勁連續剛構二次跨越瀾滄江，設橄欖壩站，經曼么站穿曼么一號隧道、曼么二號隧道（9511m）后跨越南班河，跨梭羅河、穿曼木樹隧道（11635）后設關累站，過勐遠站、曼勒，穿勐臘隧道（13021m）過勐臘縣至上龍茵設勐臘站，后至磨憨設口岸站至中（國）老（撾）國境線。

2. 設計范圍

玉磨線玉溪至磨憨段站后施工圖設計包含研和（不含）至磨憨國境線的所有站后工程和鋪軌工程，具體范圍如下：

玉磨正線：研和車站磨憨端DK4+582.897～新建鐵路玉溪至磨憨線施工圖設計終點D1K513+095.407，線路長499.433km。

本次工程不含玉溪西至研和先期開工段，包含玉溪西分區所及研和變電所供電線工程。

3. 地震烈度

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）及中國地震局地殼應力研究所《新建鐵路玉溪至磨憨鐵路沿線地震動參數區劃報告》（2014年7月）劃分，結合關累改線線位，沿線地震動峰值加速度如下表，相關工程需按規范要求設防。

4. 高地熱隧道情況

根據地質專業提供的報告內容及施工單位現場反饋情況，本線有高地熱的隧道，如下表所示：

5.隧道完成情況

玉磨鐵路全線隧道共計93座，隧道全長397.64km，截止目前，隧道正洞完成106.4km，累計完成26.7%，隧道二襯混凝土強度為C30～C35。

二、設計方案情況

本線初步設計隧道內接觸網基礎采用后置化學錨栓方案。根據中國鐵路總公司《關于進一步做好隧道接觸網吊柱化學錨栓隱患排查整治的通知》（鐵總運電【2017】155號）、《南昆客專隧道接觸網吊柱化學錨栓松脫故障分析會會議紀要》（運供供電函【2017】313號）、《關于南昆客專隧道接觸網吊柱化學錨栓松脫故障的通報》（運供供電電【2017】1556號）以及《關于隧道內接觸網埋設件方案研究的報告》（鑒電簽【2017】75號）等文件的要求，指揮部組織中鐵二院于=結合玉磨鐵路實際情況，針對玉磨線隧道內接觸網設備及零部件基礎錨固方案進行了研究。

1. 隧道內二襯未施工區段采用預埋槽道、二襯已施工區段采用原設計化學錨栓，投資較原施工圖設計增加約9375.48萬。

2. 隧道內二襯未施工區段采用預埋槽道、二襯已施工區段采用外置槽道，投資較原施工圖設計增加14155.59萬。

3.維持原設計后置入化學錨栓錨固方案，對原設計后置入化學錨栓錨固方式進行補強設計及錨固螺栓100%拉拔試驗，費用增加1100萬。

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB18306-2015）及中國地震局地殼應力研究所《新建鐵路玉溪至磨憨鐵路沿線地震動參數區劃報告》（2014年7月）劃分，玉磨鐵路沿線普遍處于抗震設防烈度7度（0.1～0.15g）、8度（0.2～0.25g）;同時根據地質專業反饋，玉磨鐵路隧道存在高地熱地質情況

為滿足運輸安全需要，按照相關設計規范和總公司有關文電要求，玉磨線采用投資合理的補強方案及檢測手段可靠的實施方案，現對于高地震烈度和高地熱隧道的方案要進行安全性和壽命期評估。

三、隧道內接觸網基礎安全性和壽命期研究

玉磨線隧道內接觸網吊柱采用增加斜撐的補強設計，吊柱采用6顆化學錨栓，斜撐采用4顆化學錨栓。現對化學錨栓安全性及壽命期研究如下：

1. 高地震隧道區段化學錨栓安全性

（1）規范要求：

《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）規定“當在抗震設防區承重結構中使用錨栓時，應采用后擴底錨栓或特殊倒錐形膠粘型錨栓，且僅允許用于設防烈度不高于8度并建于I、II類場地的建筑物。”

《混凝土結構后錨固技術規程》（JGJ 145-2013）中規定（見下表），當抗震設防類度≤8度，受拉、邊緣受剪和拉剪復合受力，生命線工程的情況下，擴底型錨栓和特殊倒錐形化學錨栓（力矩控制式膠粘型錨栓）可應用。

（2）計算實例：

1）計算依據：按照《研究玉磨鐵路隧道內接觸網基礎后置入化學錨栓錨固相關問題》（建管處會議紀要【2018】35號）的會議紀要， “擬同意玉磨鐵路隧道內接觸網基礎維持原設計后置入化學錨栓錨固方案。要求對原設計后置入化學錨栓錨固方式進行補強設計”，設計方案為吊柱法蘭采用6顆化學錨栓在隧道頂固定，斜撐采用4顆化學錨栓在隧道頂固定。同時根據《混凝土用膨脹型、擴孔型建筑錨栓》（JG160-2004）5.4.4專項性能要求：對錨栓由疲勞性能要求或抗震性能要求時，應按附錄F進行專項性能試驗。附錄F“專項性能要求及試驗方法”規定，錨栓需滿足要求—①錨栓承受模擬地震低周反復拉力荷載作用時滿足：剩余抗拉能力：，，;②錨栓承受模擬地震低周反復剪力荷載作用時滿足：剩余抗剪能力≥，。

2）計算過程：

根據GB 50367-2013對吊柱底部化學錨栓進行計算。

① 性能等級為8.8級的化學錨栓抗拉強度設計值

②M20錨栓應力截面積245mm2，錨固深度170mm。

③隧道內吊柱錨栓孔布置示意及受力示意圖

④受力情況（考慮斜撐作用，標準值）：

垂直線路方向彎矩Mx=12kN .m，剪力：6kN;

平行線路方向彎矩Mx=5kN .m，剪力：1kN;

垂直力：7kN。

⑤計算步驟

錨栓受力計算

群錨中錨栓拉力設計值按下式計算：

代入數據得各錨栓受力情況如下：

（2）錨栓連接的基材混凝土受拉承載力設計值

式中：—錨栓連接的基材混凝土受拉承載力設計值（kN）

—混凝土立方體抗壓強度標準值，按本項目隧道襯砌最低混凝土標號C30取30。

—錨栓有效錨固深度（mm），取170;

—膠粘型錨栓對粘結強度的影響系數，取0.85

—考慮各種因素對基材混凝土受拉承載力影響的修正系數，

=0.95×1×（791700/260100）=2.89

—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積（mm2），取9。

—單根錨栓或群錨受拉時，混凝土實際錐體破壞投影面積（mm2），

（400+3）×（360+3）=791700

代入參數得，

錨固區總拉力為71.58kN。因kN，故混凝土基材受拉承載力滿足要求。

⑥計算結果

吊柱采用6顆M20化學錨栓，按本計算單螺栓布置方式布置，埋深170mm滿足本線外荷載條件使用要求。

結論：本項目地震烈度并未高于8度，采用化學錨栓方案滿足本工程地震烈度情況。

2. 高地熱隧道區段化學錨栓壽命性

高地熱地質段嚴重影響著隧道工程的施工質量及進度，是隧道施工中比較常見的不良地質類型。在高地熱隧道區段，隧道襯砌混凝土澆筑后，高溫環境會產生較大的溫度附加力，導致混凝土內外溫差較大而導致襯砌表面開裂，影響整體結構及圍巖的穩定性，而接觸網零部件的安裝是在隧道襯砌上采用后置化學錨栓，錨固膠在較高的環境溫度下，材料性能是否會下降，會不會對項目后期的運營帶來安全隱患，是需要評估的重點。

（1）規范要求：

1）Q/CR 570-2017錨栓的主要技術要求5.1.6中提出：“使用溫度范圍為-40℃～50℃，安裝溫度范圍為-5℃～40℃” ;

2）Q/CR 570-2017 5.2.2中規定：“力矩控制式膠粘型錨栓用錨固膠采用有機類改性乙烯基酯型錨固膠，具體性能見表3”：

注：Q/CR 570-2017 5.1.10中“力矩控制式膠粘型錨栓在安裝力矩的作用下應保證倒錐形錨桿與錨固膠之間可產生相對位移”，即力矩控制式膠粘型錨栓的作用原理是不依賴于膠的粘結力的，膠的輕微老化是不影響錨栓的受力的，是靠膠桿分離后的類似機械錨栓的后續膨脹來受力;反之，如果倒錐形錨桿與錨固膠之間沒有發生相對位移，即沒有脫開，是完全依靠了膠的粘結力來受力，如果錨固膠一旦發生老化，錨栓的承載力下降的就會很快。

3）根據GB 50728-2011 4.1.3“工程結構用的結構膠粘劑，其設計使用年限應符合下列規定：

1? 當用于既有建筑物加固時，宜為30年;

2? 當用于新建工程（包括新建工程的加固改造）時應為50年;

3? 當結構膠到達設計使用年限時，若其膠粘能力經鑒定未發現有明顯退化者，允許適當延長其使用年限，但延長的年限須由鑒定機構通過檢測，會同建筑產權人共同確定?！?/p>

4）《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013）規定“要求結構加固后的使用年限為50年時，其所使用的膠和聚合物的粘接性能，應通過耐長期應力作用能力的檢驗?！币娙缦乱?。

結論：在滿足各項規范規定下，化學錨栓滿足本工程高地熱隧道要求。

四、施工控制

1. 產品采購及施工控制

（1）化學錨栓嚴格按照以下要求采購：

1）錨固性能必須滿足GB 50367-2013《混凝土結構加固設計規范》、GB 50550-2010《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》、GB 50728-2011 《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》、JGJ 145-2013《混凝土結構后錨固技術規程》、JG/T 340-2011《混凝土結構工程用錨固膠》、Q/CR 570-2017《電氣化鐵路接觸網用力矩控制式膠粘型錨栓》、TB 10421-2018《鐵路電力牽引供電工程施工質量驗收標準》的規定和要求。

2）化學錨栓必須進行相關技術設計聯絡，要求供貨商提供正式有效的根據工程條件的錨栓錨固計算書及相關正式的認證報告（中文版）、檢測報告等資料。

3）錨栓鋼材材質不得低于GB 50367-2013《混凝土結構加固設計規范》、JGJ 145-2013《混凝土結構后錨固技術規程》、Q/CR 570-2017《電氣化鐵路接觸網用力矩控制式膠粘型錨栓》中規定的8.8級（螺母、墊圈相應配套）;8.8級鋼錨栓應采用1級熱浸鍍鋅防腐，錨栓的局部熱浸鍍鋅層厚度不小于50μm。

（2）化學錨栓螺桿橫向中心線應與線路中心線垂直，縱向中心線與線路中心線平行，順線路方向的施工允許偏差為±500mm，垂直線路方向的施工允許誤差為±30mm。

（3）隧道區段的化學錨栓錨固抗拉拔力不應小于設計工作荷載。施工單位采用專用拉拔工具對所有化學錨栓，進行工作荷載的拉拔力檢驗，并做好檢驗記錄，檢驗記錄應經施工、監理簽字匯總成冊。具體非破壞檢驗荷載為：M12化學錨栓20KN、M16化學錨栓40KN、M20化學錨栓60KN。

（4）化學錨栓施工前，應由廠家向施工單位對施工注意事項及相關操作標準進行培訓。

（5）施工單位錨栓打灌施工時，應嚴格按照產品說明書及驗收規范進行施工。

2. 檢驗要求

本線采用的化學錨栓在錨栓安裝、緊固或固化完畢后，應根據GB 50550-2010《建筑結構加固工程施工質量驗收規范》的規定做破損性錨固試驗（每一檢驗批錨固件總數的0.1%且不少于5件）及100%非破損性拉拔試驗。非破損拉拔檢驗結果應由檢測機構、監理及施工單位共同簽字后移交各方存檔。

五、結論

結合玉磨鐵路所處的高地震烈度、高地熱隧道的特點，在產品質量、施工質量及各項驗收要求下，采用化學錨栓方案能滿足玉磨鐵路安全性及壽命期要求。

滇南鐵路建設指揮部