金屬波紋板整治鐵路隧道病害設計方案與計算方法研究

摘 要：為探究金屬波紋板整治鐵路隧道病害的設計與計算方法，對某病害鐵路隧道利用金屬波紋板整治的波紋鋼設計、連接件設計、材料設計以及耐久性設計的關鍵設計方案進行總結，并提出隧道病害整治的荷載結構計算方法。依據該隧道的實際情況分別建立原整治方案與波紋鋼整治方案的荷載結構法模型，對兩種方案的加固效果進行對比，結果表明波紋鋼結構的內力遠小于原結構，但拱頂沉降較原結構大。

關鍵詞：金屬波紋板；鐵路隧道；設計方案；荷載-結構法

中圖分類號：U457" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A" " " " " " " " " " " " " " " " "文章編號：2096-6903（2023）08-0111-04

0 引言

隨著鐵路作為城市間的主要交通樞紐不斷興建，部分運營中的鐵路隧道出現了各類病害[1]，對社會經濟與安全造成重大損失。波紋鋼結構具有高強、高韌、施工便捷等特點，可滿足鐵路隧道修復時間緊、要求高的特點。

早在20世紀初，歐美國家就開始了波紋鋼在交通工程快速施工建設中的探索[2]。近年來，波紋鋼板被逐步推廣至隧道初期支護、既有隧道加固、綜合管廊建設等工程中。不少學者對鐵路隧道采用波紋板防護開展研究。付兵先等[3]提出了一種隧道洞口波紋板防護結構，通過開展足尺試驗，對不同沖擊能量下隧道洞口波紋板的內力、變形特性進行研究；王偉等[4]以三維激光掃描技術對隧道經波紋鋼加固前后的狀態進行掃描，建立了外業掃描和內業處理的標準化工作流程；李紅梅等[5]認為隧道壁面、車體表面壓力變化最大值隨著套襯厚度的增加而不斷增加；陳望祺等[6]提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法解決襯砌起層剝落病害問題。

綜上，國內波紋鋼結構應用于隧道當中處在起步階段，結構性能的研究對設計施工具有指導意義，但缺乏完整詳細的設計方案與規程將對波紋鋼結構的工程應用產生巨大阻礙。本文以某鐵路病害隧道為背景，對其利用金屬波紋板整治病害的設計方案進行總結，并提出使用的荷載-結構計算方法，以期為金屬波紋板用于鐵路隧道病害整治的設計提供參考。

1 工程背景

某鐵路病害隧道地處Ⅲ級圍巖，全環襯砌厚度為40 cm，采用C30混凝土。該段地質為侏羅系上統西山頭組晶屑玻屑凝灰巖，弱風化，節理裂隙不發育，巖質堅硬，巖體完整。基巖裂隙水不發育。隧道中病害發育區正拱頂施工縫處存在約6 000 mm×6 000 mm（環×縱）的月牙裂紋，評定為A1級。根據無損檢測報告顯示，病害范圍襯砌強度、厚度滿足設計要求，無不密實。

2 金屬波紋板整治隧涵病害結構設計

2.1 波紋鋼設計

波紋鋼結構采用連續熱鍍鋅鋼板及鋼帶時，其性能、尺寸、外形、質量及允許偏差應符合現行《連續熱鍍鋅鋼板及鋼帶》（GB/T 2518-2008）的有關規定。波紋鋼結構的材料采用碳素結構鋼時，其性能應符合現行《碳素結構鋼》（GB/T 700-2006）的有關規定，其尺寸、外形、質量及允許偏差應該符合現行《熱軋鋼板和鋼帶的重量及允許偏差》（GB/T 709-2019）的規定，且厚度的下偏差應不小于0。波紋鋼的型號即波高、波距、壁厚應根據公路等級和地質條件等因素綜合確定，通常采用深波紋的波紋鋼。波紋鋼板片在加工能力和運輸、吊裝設備允許條件下，環向分片以接縫最少為原則，應盡量使用最大的環向板寬。

2.2 連接件設計

連接件材料應符合下列規定：①連接件采用高強度螺栓、螺母，強度等級不低于8.8 級。②高強度螺栓、螺母規格為M12、M16、M20、M24，螺栓長度宜為30～70 mm。③結構用高強度墊圈采用專用墊圈。④螺栓、螺母及墊圈的力學性能指標，應符合現行《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》（GB/T 1231）的有關規定。

波紋鋼縱向連接宜采用搭接，在波紋鋼板端部預留螺栓孔位，采用高強螺栓連接。每環之間采用通縫拼裝型式，環向分片之間采用雙排螺栓進行加強。波紋鋼板縱向連接示意如圖1所示。

2.3 材料設計

2.3.1 波紋板材料

波紋鋼板主體結構一般采用碳素結構鋼熱軋鋼板或鋼帶冷加工制造，基材性能應符合《碳素鋼結構》（GB/T 700-2006）要求。淺波紋鋼結構板一般采用Q235以上牌號鋼材，深波紋鋼結構板通常要求采用Q345牌號鋼材。連接件采用高強度六角螺栓、螺母和墊圈。螺栓材料采用40Cr，且符合《合金結構鋼》（GB 3007-1999）要求。螺母材料采用45號鋼。法蘭盤的材料可采用Q235或Q275碳素結構鋼。

2.3.2 注漿材料

注漿材料性能指標需滿足表1所示要求。

3 金屬波紋板整治隧涵病害荷載-結構計算方法

3.1 前提與假設

假定隧道的二次襯砌承擔全部的Ⅳ級圍巖荷載，二次襯砌按照梁單元進行模擬。圍巖與隧道的相互作用用曲面彈簧模擬，考慮系統錨桿作用，提高曲面彈簧20%剛度。

3.2 材料物理力學參數

根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）及相關工程經驗，選取隧道二次襯砌結構物理力學參數如表2所示。

3.3 荷載的計算

3.3.1 斷面埋深的判定

參考《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）關于圍巖力學參數的數據。本次算例模擬選取Ⅳ級圍巖容重為22 kN/m3，計算內摩擦角取平均值為55°。

根據設計資料，隧道斷面高度為6.5 m，跨徑為5.5 m。由計算斷面情況和所處圍巖等級可知，其中S=4，B=5.5 m，取i=0.1，圍巖重度γ=22 kN/m3。具體計算公式如式（1）。

Hq=0.45×2s-1ω" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

=0.45×24-1×（1+0.1×（5.5-5））=3.78m

因此Ⅳ級圍巖深淺埋臨界深度HP=2.5 m，hq=2.5×3.78=9.45 m隧道計算斷面最大埋深 30 mgt;Hp=9.45 m，故按照深埋隧道計算圍巖壓力。

3.3.2 斷面荷載取值

根據《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016），深埋隧道松散荷載垂直均布壓力及水平均布壓力，可按下列公式計算。

垂直均布壓力計算公式如式（2）。

q=γhq=22×3.78=83.16kPa" " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

Ⅳ級圍巖參考《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）可知，水平均布壓力按荷載均值計算公式如式（3）。

E=0.225q=0.225×83.16=18.7kPa" " " " " " " " " " nbsp;（3）

4 金屬波紋板與原支護方案整治隧涵病害效果計算對比

4.1 有限元模型建立

4.1.1 模型建立

取隧道縱斷面每延米計算，按平面應變問題進行數值模擬。假定隧道的二次襯砌承擔全部的Ⅳ級圍巖荷載，二次襯砌（厚度40 cm）按照梁單元進行模擬（C30混凝土，重度25 kN/m3，彈性模量E=30 GPa，泊松比為0.2），利用MIDAS/GTS NX繪制二維隧道截面模型。

4.1.2 模型邊界條件

參考《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）中關于圍巖力學參數，Ⅳ級圍巖的彈性抗力系數k=320 MPa/m，考慮系統錨桿作用，提高曲面彈簧20%剛度，即k=384 MPa/m。利用彈簧功能定義模型的邊界條件。

4.1.3 波紋鋼襯砌模型建立

波紋鋼采用400 mm×150 mm×7 mm，等效寬度0.053 m，等效高度0.171 m。注漿體厚度7 cm，底板混凝土厚度40 cm，均按照梁單元進行模擬。波紋鋼，重度為78.5 kN/m3，彈性模量E=200 GPa，泊松比為0.3。C30混凝土，重度25 kN/m3，彈性模量E=30 GPa，泊松比為0.2。其余同前文模型。

4.2 數值模擬結果與強度驗算

兩種方案計算結果變形、內力分布模式相近，本章僅展示原支護方案的有限元云圖。

4.2.1 數值模擬結果

由圖2可知，原設計方案隧道二次襯砌結構頂部向洞內收斂，拱頂下沉位移最大達到1.12 mm。拱腰及拱腳向圍巖方向變形，向外擴張的總體變形0.48 mm。

波紋鋼支護方案支護結構頂部向洞內收斂，拱頂下沉位移最大達到4.69 mm（原設計方案中為1.12 mm）。拱腰及拱腳向圍巖方向變形，向內擴張的總體變形2.4 mm（原設計方案中為0.48 mm）。

由圖3可知，原設計方案隧道二次襯砌受力，由圖3可以看出，隧道二次襯砌結構的軸力最大值為326.52 kN，產生在拱腳處，且軸力從拱底至拱頂依次減小，拱頂軸力最小為124.61 kN。隧道二次襯砌結構的剪力最大值為165.43 kN，產生在拱腳底部，兩側拱腰及拱頂的剪力值相對較小。隧道二次襯砌結構的正彎矩最大值為59.82 kN·m，發生在隧道二次襯砌底板正中間。負彎矩最大發生在二次襯砌拱腳處，最大值為68.48 kN·m，且拱頂兩側負彎矩值較大。

波紋鋼支護方案支護結構中，波紋鋼支護結構軸力最大值為265.9 kN，產生在拱腳處，且軸力從拱底至拱頂依次減小，拱頂軸力最小為152.5 kN。波紋鋼的剪力最大值為51.2 N，產生在拱腳底部，兩側拱腰及拱頂的剪力值相對較小。波紋鋼的正彎矩最大值為12.7 kN·m，發生在拱頂，負彎矩最大值為16.7" kN·m，發生在拱腳處，且拱頂兩側負彎矩值較大。

4.2.2 二襯截面強度驗算

按破損階段法，隧道襯砌截面強度驗算根據軸力偏心距e0=M/N0的大小，分兩種情況計算。

當，e0≤0.2 h時，抗壓強度控制計算公式如式（4）。

KN≤φαRαbh" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中，Rα為混凝土的極限抗壓強度，單位是MPa，C30極限抗壓強度為22.5MPa；K為安全系數，規范中抗壓安全系數為2.4；N為軸向力，單位是MN；b為截面寬度，單位是m；h為截面厚度，單位是m；φ為構件的縱向彎曲系數；α為軸向力的偏心影響系數。

當時，抗拉強度控制計算公式如式（5）。

（5）

式中，α為混凝土的極限抗拉強度，C30極限抗拉強度為2.2MPa；K為安全系數，規范中抗拉安全系數為3.6；其余參數與前文定義相同。

根據上述計算方法，對拱頂和拱腳處截面進行驗算。由表3可見，原設計方案中，除拱腳處外，各截面強度均滿足強度驗算要求。

由表 4可知，波紋鋼支護方案在變形位移上整體是傳統二襯支護的3～5倍，這與波紋鋼是一種柔性材料有關，但是整體變形仍符合隧道設計要求。在主洞上，波紋鋼支護結構的整體內力均顯著小于傳統二襯支護方案，效果較好。

5 結束語

本文對金屬波紋板整治隧涵病害設計方法進行了總結，并初步建立了適用于波紋鋼整治隧涵病害結構的荷載結構計算方法，對比了原設計方案與波紋鋼設計方案的加固效果

對金屬波紋板整治隧涵病害結構設計方法進行了系統研究，在建筑材料、波紋鋼設計、連接件設計、結構耐久性等方面的設計進行總結，可為相關設計提供依據。提出了金屬波紋板整治隧涵病害結構的荷載結構計算方法，建立了原支護與波紋鋼支護的算例進行分析，可以發現波紋鋼結構的內力遠小于原結構，安全系數較高，但拱頂沉降較原結構大。

參考文獻

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[5] 李紅梅，劉磊，白鑫，等.套襯對隧道空氣動力學效應的影響研究[J].鐵道建筑，2015（12）：66.

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