高速鐵路隧道襯砌拱部病害防治中聚脲噴膜承載能力試驗研究*

周曉軍，楊 義，王聚山，楊昌宇，呂陽樹，孫 誠

(1.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031；2.中國鐵路成都局集團有限公司，四川 成都 610082；3.中鐵二院工程集團有限公司，四川 成都 610031；4.中鐵十一局集團有限公司，重慶 400023；5.四川昕悅環保科技有限公司，四川 成都 610094)

0 引言

隨著我國高速鐵路網的不斷加密和完善，高速鐵路線路中的隧道數量和長度也在不斷增加。截至2021年12月31日，我國已開通運營的高速鐵路線路總長度已超過4萬km，其中高速鐵路隧道共有3 971座，合計長度為6 473km，占線路總長度的16.18%。在已開通運營的高速鐵路線路中長度超過10km的隧道就有91座，合計長度為1 141km[1]。為適應我國國民經濟建設的快速發展，滿足乘客對鐵路安全、快捷和高效出行的需求，目前高速鐵路的規劃和建設仍需要高位運行。線路中列車的行車密度和行車速度也在不斷提升，進而對高速鐵路隧道內列車的安全行駛和高速鐵路隧道襯砌的施工質量提出了更高的要求。由于受傳統礦山法施工工藝、機械設備和工程造價等因素的制約，長期以來我國鐵路線路中的山嶺隧道襯砌采用模筑現澆的施工工藝，致使部分線路中的隧道襯砌存在初期支護或襯砌背后空洞、二次襯砌拱部混凝土強度和厚度未達到設計要求、襯砌發生裂縫、滲漏水、施工縫處存在錯臺等質量缺陷。尤其是高速鐵路隧道襯砌拱部因混凝土裂縫、背后空洞和滲漏水等病害而引發的掉塊或塌落對高速鐵路隧道內列車的安全運行構成嚴重威脅[2-4]。

我國已投入運營的鐵路和公路隧道內均發生過隧道襯砌掉塊或脫落等影響洞內行車安全的事故。2016年7月20日南寧至廣州鐵路就發生了因五指山隧道襯砌拱部存在掉塊隱患而使列車限速運行的事故。2017年8月24日包頭至西安鐵路曾發生了因新彌家河1號隧道拱部襯砌掉落而導致線路運輸中斷的事故。此外現已投入運營的達成鐵路、貴廣鐵路、滬昆客專、武廣高鐵等線路中也曾發生因隧道襯砌開裂和拱部掉塊等隱患而導致列車停運和限速行駛的事故。高速鐵路隧道內拱部混凝土襯砌脫落的典型事故如圖1所示。除鐵路隧道外我國公路隧道在運營期同樣也發生了拱頂混凝土襯砌脫落而砸中機動車的嚴重事故。2020年6月10日四川省雅安市雨城區的青鼻山公路隧道內就發生了拱部混凝土襯砌脫落砸中行駛中的車輛，造成車輛受損和人員受傷的事故，事故現場如圖2所示。

圖1 高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土脫落Fig.1 Concrete spalling from the crown of high speed railway tunnel lining

圖2 公路隧道襯砌拱部混凝土脫落Fig.2 Concrete spalling from the crown of highway tunnel lining

國外運營的鐵路隧道內也發生過襯砌掉落和坍塌的事故。以日本高速鐵路為例，1999年6月27日日本山陽新干線發生了因福岡隧道內質量約200kg的邊墻襯砌脫落而砸中處于行駛中的高速列車致使列車破損的事故，所幸此次事故未造成人員傷亡。此外，1999年10月9日日本山陽新干線的北九州隧道曾發生一起隧道拱部混凝土襯砌脫落而導致列車停運10小時的事故。同年11月28日日本北海道的禮文濱高速鐵路隧道內還發生了貨物列車因與隧道拱部掉落的混凝土襯砌發生碰撞而導致列車脫軌的事故。

就高速鐵路隧道在運營期間由襯砌混凝土施工質量缺陷所引發的病害而言，對鐵路隧道內高速列車安全運行構成較為嚴重威脅的主要是隧道襯砌邊墻混凝土發生的開裂、剝落以及拱部襯砌混凝土的整體坍塌和掉塊。因此，為保障高速鐵路隧道洞內行車安全，對于新建隧道則需要從隧道襯砌施工方法、工藝和工程造價等因素進行研究與改進，確保隧道襯砌的施工質量如強度和厚度等滿足設計和規范要求。對于已通車運營的鐵路隧道而言，則主要結合運營期隧道襯砌發生病害的特征采取相應的維修與加固措施，進而維持和提高隧道襯砌的強度與安全[5-6]。國內外針對高速鐵路隧道襯砌開裂和坍塌等病害的防治也開展了眾多的試驗研究，目前主要采取的措施包括設置套襯、更換襯砌、襯砌局部補強和加固等[7-8]。對于高速鐵路隧道而言，上述襯砌病害治理的措施受施工作業條件尤其是高速鐵路隧道內“天窗”時間短、作業時間長等因素的制約，致使隧道襯砌拱部病害治理的工作量和難度很大，同時運營期的施工對鐵路運輸也產生較大影響，因而對拱部襯砌病害的治理難以達到設計標準和使用功能的要求，甚至還可能形成新的安全隱患。因此針對高速鐵路隧道襯砌拱部病害特征，開發和研究既能提高隧道內襯砌病害防治的作業效率又能有效防治病害的治理方法就顯得尤為重要。本文就聚脲用于鐵路隧道襯砌拱部坍塌和掉塊等病害的防治而開展模型試驗。以圓柱體和長方體混凝土試塊來模擬高速鐵路隧道拱部混凝土襯砌因病害而發生的掉塊，通過在模型隧道的洞內向拱部噴涂厚度5mm的聚脲而形成噴膜，用于加固和支撐模擬隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長方體試塊，并在試塊頂部堆放砂袋來模擬高速鐵路隧道內的空氣動力學效應，并測定聚脲噴膜受試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力，為鐵路隧道尤其是高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土因施工質量缺陷而引發的病害防治提供依據。

1 模型隧道的設計和試驗工況

聚脲作為一類由異氰酸酯組分和氨基化合物反應而生成的高分子化合物彈性體，具有良好的防水、防腐、防沖磨和表面裝飾等功能，目前已被廣泛應用于交通、工業與民用建筑、水電、港口、軍工、航天、核電等領域[9-11]，而在隧道和地下工程中則用作防水涂料，主要用于地下結構的防水。作為一種高分子噴涂材料，聚脲在高速鐵路隧道襯砌拱部裂縫和掉塊治理方面尚未有工程應用的先例。為分析聚脲在鐵路隧道襯砌拱部病害治理中的可行性，開展隧道模型試驗，并就聚脲噴膜在模型隧道拱部用于模擬隧道襯砌掉塊的混凝土試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力和破壞模式進行測試與分析。為指導本模型試驗，在進行足尺模型試驗前，根據國家標準GB/T23446—2009《噴涂聚脲防水涂料》、GB/T5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗》和GB/T528—2009《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》等對試驗中采用的聚脲彈性體進行了室內相關力學參數的測定，主要包括聚脲與C35混凝土之間粘結強度即附著力、聚脲固化后的拉伸強度、抗壓強度和彈性模量等，與本次足尺試驗相關的測試結果如表1所示。

表1 聚脲固化材料的基本力學參數Table 1 Basic mechanical properties of solidified polyurea materials

本次模型試驗中評價聚脲噴膜在加固和支撐隧道拱部掉塊承載能力時以表1中所列出的測試結果為依據。

1.1 模型隧道設計

為分析聚脲在加固和支撐高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊時的承載能力，采用足尺模型試驗的方法。首先在試驗場地按照1∶1的幾何相似比澆筑模型隧道。模型隧道的內凈空采用時速350km/h客運專線單洞雙線隧道的內凈空。考慮到本試驗中僅測試和分析聚脲噴膜受隧道襯砌拱頂掉塊和高鐵隧道內列車氣動效應共同作用下的承載特征，為便于測試，模型隧道內部的凈高設計為3.0m，模型隧道襯砌的厚度設計為0.5m，模型隧道沿其軸線上的全長為20m。模型隧道的制作和測試工作在重慶中梁山的試驗場地內進行。試驗中采用的模型隧道襯砌橫截面及其設計參數如圖3所示。

圖3 模型試驗中的隧道結構(單位:m)Fig.3 Structural diagram of tunnel in model test (unit:m)

鐵路隧道襯砌拱部發生掉塊和坍塌的類型較多，且引發的原因也較復雜。以貴陽至廣州鐵路為例，全線中有隧道243座，僅成都局運營管理的線路內有隧道77座。對上述隧道襯砌病害進行的調查統計表明，隧道襯砌中存在有“月牙形”裂縫的病害多達69處，尤其是在隧道拱頂部位施工縫處存在的 “月牙形”裂縫對隧道內高速列車的安全行駛構成嚴重威脅，如圖4所示。

圖4 高鐵隧道襯砌拱部“月牙形”裂縫Fig.4 Crescent-shaped cracks in the crown of high speed railway tunnel

經對貴陽至廣州鐵路成都局管段內隧道襯砌“月牙形”裂縫分布狀況的調查和統計，隧道襯砌拱頂受“月牙形”裂縫展布而影響的面積大約為3.0～5.0m2。根據貴廣鐵路隧道襯砌拱部裂縫展布的面積大小和分布狀況，并結合高速鐵路單洞雙線隧道襯砌結構的設計特點，為模擬高速鐵路隧道襯砌拱部混凝土因質量缺陷如襯砌裂縫、空洞等所引發的掉塊或坍塌現象，本次足尺模型試驗中分別用預制的鋼筋混凝土圓柱體試塊和長方體試塊來模擬試驗中模型隧道拱部襯砌發生的掉塊。圓柱體試塊的橫截面直徑為2.0m，橫截面面積為3.14m2，高度為0.5m，質量約為4.0t，用其來模擬隧道襯砌拱部面積為3.0m2左右的掉塊。而長方體試塊的長×寬×厚=2.0m×3.0m×0.5m，其質量約為7.5t，用于模擬隧道襯砌拱部6.0m2范圍內的掉塊。試驗中用于模擬高速鐵路隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長方體試塊的結構分別如圖5和圖6所示。圖6中長方體試塊的橫剖面與圓柱體試塊的縱、橫剖面一致。

圖5 圓柱體試塊結構(單位:m)Fig.5 Structural diagram of cylindrical block (unit:m)

圖6 長方體試塊結構(單位:m)Fig.6 Structural diagram of cuboidal block (unit:m)

為便于試驗中模擬隧道襯砌拱頂部位混凝土發生的坍塌和掉落，澆筑模型隧道時在其拱頂部位預留2個孔洞，分別為圓形孔洞和矩形孔洞，圓形孔洞內用于吊放圓柱體試塊，而矩形孔洞內則用于吊放長方體試塊。為便于將試塊吊放入預留孔洞內，使預留孔的周邊邊界與試塊側面之間保持2mm的間隙，此間隙也用于模擬隧道襯砌拱部的裂縫。模型隧道和圓柱體與長方體試塊均采用現澆成型。待試塊和模型隧道澆筑完畢且混凝土達到設計強度后即可進行模型試驗。試驗前將32t門式起重機的鋼絲繩與試塊上預埋的φ32mm吊環相連，并通過吊車將圓柱體試塊和長方體試塊分別吊放入模型隧道拱部預留的孔洞內，經檢查對位無誤后用吊車的鋼絲繩懸吊試塊并保持其穩定。之后在隧道洞內向隧道拱部的混凝土壁面連同試塊的底面均勻噴涂厚度為5mm的聚脲。

根據聚脲在工業與民用建筑、港口、軍工等領域作為防水、防腐和耐磨使用的涂料，其噴涂的厚度一般為1.0～5.0mm。鑒于本模型試驗中聚脲用于加固和支撐隧道襯砌拱部的掉塊，故在模型隧道內噴涂的厚度取為5.0mm。在隧道內噴涂聚脲時，其范圍分別按照隧道拱部圓柱體和長方體試塊的周邊各自向外再延伸2.0m，以增加聚脲噴膜與隧道襯砌壁面混凝土之間的附著力。噴涂聚脲的目的就是用聚脲噴膜來加固和支撐圓柱體和長方體試塊，防止試塊的掉落。在模型隧道洞內拱部的圓柱體和長方體試塊底面以及隧道洞內襯砌混凝土壁面上噴涂聚脲的范圍如圖7所示。

圖7 隧道內拱頂區域聚脲噴涂范圍(單位:m)Fig.7 Zone for spraying polyurea on the crown of tunnel lining (unit:m)

考慮到隧道襯砌拱頂混凝土因病害而發生的掉塊主要是由襯砌混凝土中的裂縫所致。因此，在模型試驗中為便于對比，對模型隧道中放置圓柱體試塊的孔洞周邊即試塊與襯砌之間的接縫內注入聚脲材料，而對于放置長方體試塊的孔洞周邊即試塊與襯砌之間的接縫內未注入聚脲材料，以分析襯砌拱部接縫內有無聚脲對試驗中聚脲承載能力的影響。因此，對于模型隧道中采用長方體試塊來模擬其拱部掉塊時，僅在模型隧道洞內拱頂部和試塊底部噴涂聚脲而形成噴膜，由其支撐隧道拱部的長方體試塊。而對于模型隧道中采用圓柱體試塊來模擬拱部掉塊時，在圓柱體試塊與襯砌接縫內和隧道洞內的拱部包括試塊底部均噴涂聚脲，圓柱體試塊則由接縫內和隧道洞內拱頂部以及試塊底部的聚脲噴膜來提供支撐。

1.2 試驗工況

結合高速鐵路隧道襯砌拱部病害的特點，在模型隧道中噴涂的聚脲應承受拱部掉落試塊的重力和高鐵隧道空氣動力效應的共同作用。根據行業標準TB10621—2014《高速鐵路設計規范》(2014年版)中的條文說明，高速鐵路隧道內雙線列車以350km/h的速度會車時引起的洞內空氣負壓峰值按8.9kPa考慮。在模型試驗中此空氣負壓峰值采用在模型隧道混凝土試塊的頂段堆放裝有15kg細砂的砂袋重力來等效模擬。

在模型隧道洞內拱頂部位噴涂完聚脲且待其固化后即可開展試驗測試。為分析聚脲在試塊和砂袋重力共同作用下的承載能力，對聚脲噴膜的應變進行測試，并通過應變來計算聚脲噴膜所承受的應力，進而分析聚脲噴膜的承載能力。聚脲噴膜的應變由粘貼在其上的電阻應變片加以測定。為此在聚脲噴膜上設置應變測點，測點靠近試塊和模型隧道襯砌之間的接縫，并在測點處粘貼電阻應變片。在每個測點處分別沿隧道軸線方向和垂直于隧道軸線方向上各粘貼1個應變片，使2個應變片相互垂直并呈“T”形。模型隧道中聚脲噴膜上應變測點的布置和電阻應變片的粘貼方式如圖8所示。試塊頂部采用砂袋施加荷載的方式如圖8a所示，圖8b和圖8c則分別為圓柱體和長方體試塊底部聚脲噴膜上的應變測點。

圖8 聚脲噴膜上應變測點的布置方式Fig.8 Layout of strain test point on polyurea shot membrane

模型試驗中聚脲噴膜在試塊和砂袋重力共同作用下的應變采用BMB120-10AA-X15型電阻應變片進行測試，而應變值則采用DH3818Y型靜態電阻應變儀進行采集。根據試驗中模擬隧道襯砌拱部掉塊的試塊形狀和測試內容，確定了2種試驗工況，具體如表2所示。

表2 模型試驗中的工況Table 2 Cases employed in model test

根據上述試驗方案制作的足尺模型隧道如圖9所示。模型隧道內試塊底部和隧道拱頂部位噴涂的聚脲如圖10所示，試驗中在試塊頂端堆放砂袋以模擬高速鐵路隧道空氣動力學效應的狀況如圖11所示。

圖9 試驗場地和模型隧道Fig.9 Test site and tunnel model

圖10 隧道拱部噴涂的聚脲Fig.10 Polyurea membrane sprayed on tunnel crown

圖11 試塊頂部堆放的砂袋Fig.11 Bags of sand heaped on crown of tunnel block

2 試驗測試結果

根據上述的試驗方法和試驗工況，通過對聚脲噴膜在模型隧道拱部混凝土試塊和砂袋重力共同作用下的應變進行了測試，分別得到了2種工況下聚脲噴膜上各測點處的應變值。

2.1 工況1的測試結果

對于用聚脲噴膜加固和支撐隧道襯砌拱部圓柱體試塊的工況1而言，用于模擬隧道襯砌拱部掉塊的鋼筋混凝土圓柱體試塊重力為38.48kN，而高速鐵路隧道內列車運行引起的空氣負壓峰值以8.9kPa計，由此可計算得到施加在圓柱體試塊上的總荷載值應不大于57kN。試驗中，首先解開32t門式起重機上用于懸吊圓柱體試塊的鋼絲繩，使試塊的重力全部作用于聚脲噴膜上，然后逐步在試塊的頂端堆積砂袋。當施加的荷載值超過57kN后，用于支撐和加固試塊的聚脲噴膜材料并未出現明顯的變形和下沉，各測點處的應變值均為負值，且數值也較小，表明聚脲噴膜處于受壓狀態。為分析聚脲噴膜的極限承載力，繼續在試塊頂端堆放砂袋，直至其重力達到45.89kN，此時聚脲噴膜所承受的荷載值達到了84.28kN，且此荷載值已超過57kN，但聚脲噴膜仍未發生破壞。保持此荷載值不變并持續施加80min，經觀察隧道內拱部聚脲噴膜并未發生開裂，試塊也未發生下沉，因各測點應變值已趨于穩定，即終止測試。試驗中隧道拱部噴涂的聚脲和應變測試狀況如圖12所示。

圖12 隧道拱部噴涂的聚脲及其應變測點Fig.12 Polyurea sprayed on tunnel crown and strain test points

在工況1中，施加在圓柱體試塊上的最終荷載值為84.28kN。通過上述的加載試驗，測試得到了工況1中聚脲噴膜上各測點處的應變值。從工況1中測定的聚脲噴膜上各測點處應變值分析，圖8b中聚脲噴膜上測點D 和測點G 處的應變值最大，且聚脲噴膜沿隧道環向和軸線方向上均處于受壓狀態。以測點D和G處的壓應變為例，測點D處聚脲噴膜沿隧道縱向的壓應變隨加載時間的變化關系如圖13所示，而測點G處橫向壓應變隨加載時間的變化關系如圖14所示。

圖13 測點D處聚脲噴膜應變與時間的變化關系Fig.13 Relationship between polyurea strain and time at test point D

圖14 測點G處聚脲噴膜應變與時間的變化關系Fig.14 Relationship between polyurea strain and time at test point G

從圖13和圖14可以看出，測點D和測點G處厚度為5.0mm的聚脲噴膜在工況1中承受圓柱體試塊和砂袋重力合計84.28kN的共同作用下，其所產生的最大壓應變為εc=-42.65με。在加載期間聚脲噴膜均處于線彈性變形階段，并未發生塑性屈服和脆性壓破現象。聚脲噴膜固化后的拉壓彈性模量約為E=8MPa。根據聚脲噴膜固化后處于彈性階段的應力與應變關系，可得聚脲噴膜中心部位所受到的壓應力σc為：

σc=Eεc

(1)

式中：E為聚脲噴膜的拉壓彈性模量(MPa)；εc為聚脲噴膜產生的彈性拉應變值(με)。

由式(1)可得厚度為5mm的聚脲噴膜在試塊和砂袋重力合計84.28kN的作用下，其周邊測點D處的最大壓應變εc=-42.65με所對應的最大壓應力為σc=0.341kPa。由于聚脲噴膜固化后的抗壓強度為16.0MPa。由此可見工況1中聚脲噴膜固化后所承受的最大壓應力σc=0.341kPa，其值遠小于聚脲材料固化后的抗壓強度8.0MPa。

通過對模型試驗加載期間聚脲噴膜的應變測試，工況1中聚脲噴膜在圓柱體試塊自重和砂袋重力的共同作用下各測點的應變和應力測試結果如表3所示。

表3 工況1中聚脲噴膜的應變和應力測試值Table 3 Obtained strains and stresses in polyurea shotmembrane in Case 1

表3中的負應變值表示測點處的聚脲受壓。從表3中聚脲噴膜的應力值分析，厚度為5mm的聚脲噴膜受試塊重力和模擬的高速鐵路隧道空氣動力學效應的共同作用下，其沿隧道環向和軸向均受壓，即聚脲噴膜處于受壓應力狀態，測點處的最大壓應力均小于聚脲噴膜的抗壓強度。從而得出工況1中厚度為5mm的聚脲噴膜可以加固和支撐φ2.0m×0.5m圓柱體試塊重力和模擬空氣動力學效應的共同作用，加載試驗中其所受到的壓應力遠小于其抗壓強度，且試驗加載期間聚脲噴膜未發生壓縮屈服和脆性破壞。

2.2 工況2測試結果

對于工況2而言，為便于與工況1中的圓柱體試件進行對比，仍采用厚度為5.0mm的聚脲噴膜來支撐模型隧道中拱部吊放的長方體試塊。長方體試塊的重力為73.98kN，考慮高速鐵路隧道內列車行駛所引起的空氣負壓峰值8.9kPa，則長方體試塊所承受的荷載應不大于127.38kN。工況2中試塊頂部的加載方式與工況1中的加載方式相同，即通過在長方體試塊頂部堆放砂袋，并測試在堆放砂袋過程中用于支撐長方體試塊的聚脲噴膜上各測點的應變值。

通過工況2加載試驗中對聚脲噴膜應變的測試，聚脲噴膜在受試塊和砂袋重力共同作用的初期約6min，其承受拉應變和壓應變，且應變數值較小。隨著在長方體試塊頂部堆放砂袋重力的不斷增加，聚脲噴膜上各測點處的拉應變和壓應變均發生較大變化，并由壓應力逐步轉變為拉應力。當長方體試塊頂部堆放砂袋的重力達到63.22kN時，模型隧道中的長方體試塊發生了整體下沉，并將隧道內支撐長方體試塊的聚脲噴膜從模型隧道襯砌混凝土的壁面上局部剝離，此時噴膜聚脲所承受的荷載為137.38kN，工況2中模型隧道拱部長方體試塊在加載初期未下沉和下沉后且將聚脲噴膜剝離的狀況如圖15所示。

圖15 隧道拱部支撐長方體試塊的聚脲噴膜Fig.15 Sprayed polyurea membrane employed to support the cuboidal block on tunnel crown

為測試聚脲從模型隧道襯砌周邊被剝離后的應變和承載能力，在長方體試塊下沉后，仍保持試塊上部砂袋的重力不變，且持續測試60min后卸載。通過對聚脲噴膜上各測點應變值的測定，測點處的應變呈現正、負值，表明聚脲各部位的應力狀態不同，處于受壓應力和拉應力狀態，但拉應力大于壓應力。聚脲噴膜中的最大拉應變發生在長方體試塊臨近下沉的時刻。根據圖8c中所示各測點處聚脲噴膜的應變值分析，測點D、測點J處的應變值較大，且測點處聚脲噴膜均處于拉應力狀態。以測點D和測點J處的拉應變為例，測點D處橫向拉應變隨加載時間的變化關系如圖16所示。而測點J處聚脲噴膜的縱向拉應變隨時間的變化關系如圖17所示。

圖16 測點D處噴膜應變與時間的關系曲線Fig.16 Relationship between polyurea strain and time at test point D

圖17 測點J處噴膜應變與時間的關系曲線Fig.17 Relationship between polyurea strain and time at test point J

從圖16和圖17可以看出，聚脲噴膜材料中的拉應變最大值均出現在長方體試塊下沉后，而試塊下沉后由于荷載未再增加，因而其應變值也隨時間的延長未再發生變化。通過測定，在工況2中長方體試塊從受其自重和砂袋重力合計約137.38kN荷載的共同作用直至下沉的過程中，聚脲噴膜中的最大拉應變為εt=63 334.11με。在模型隧道拱部長方體試塊和砂袋重力合計137.38kN的共同作用下持續測試了35min后卸載。測試期間聚脲噴膜在試塊下沉后均處于線彈性變形階段，聚脲噴膜并未發生脆性拉裂和破壞現象。聚脲噴膜固化后的拉壓彈性模量E=8.0MPa。根據聚脲噴膜固化后彈性階段的應力和應變關系可得聚脲噴膜所受到的拉應力σt為：

σt=Eεt

(2)

式中：E為聚脲噴膜的拉壓彈性模量(MPa)；εt為聚脲噴膜產生的彈性拉應變值(με)。

根據式(2)即可計算得到厚度為5.0mm的聚脲噴膜在最大拉應變εt=63 334.11με時所對應的最大拉應力為σt=506.67kPa。而聚脲噴膜材料的抗拉強度為13.0MPa。由此可見在工況2中厚度為5.0mm的聚脲噴膜所承受的最大拉應力σt=506.67kPa，其值小于聚脲噴膜的抗拉強度13.0MPa。通過現場測試，工況2中聚脲噴膜各測點處的應變和應力測試結果如表4所示。表4中的正應變值表示該點受拉，負應變值表示受壓，與表2中應變的符號含義相同。

表4 工況2中聚脲噴膜的應變和應力值Table 4 Obtained strains and stresses in polyurea membrane in case 2

從表4中聚脲噴膜的應力值分析，在受長方體試塊自重和模擬的高速鐵路隧道空氣動力學效應的共同作用下，聚脲噴膜在長方體試塊下沉前、后均承受壓應力和拉應力，且壓應力小于拉應力。因而試塊下沉后聚脲噴膜基本處于拉應力狀態，但測試得到的最大拉應力均小于聚脲噴膜的拉伸強度，由此表明工況2中聚脲噴膜仍具有較高的抗拉強度。

由于工況2中長方體試塊在加載過程中發生了下沉，并將其周邊一定范圍內的聚脲噴膜從混凝土壁面上剝離，也即此范圍內聚脲噴膜所承受的拉拔力超過了其與隧道襯砌混凝土壁面之間的附著力，進而導致聚脲噴膜從混凝土的表面被剝離。盡管長方體試塊在加載過程中出現了下沉，但試塊在下沉期間聚脲噴膜內的拉應力并未超過其拉伸強度，且聚脲噴膜也未出現拉裂破壞現象，由此表明工況2中支撐長方體試塊的厚度為5.0mm的聚脲噴膜所承受的拉應力較小。對于工況2而言，加載測試期間模型隧道襯砌拱部長方體試塊在其自重和模擬的氣動效應共同作用下發生了下沉，從而在試塊與隧道襯砌之間產生了錯臺。經測試混凝土試塊所發生的最大沉降為29cm，試塊與周邊隧道襯砌之間的最大錯臺量為28cm。工況2中長方體試塊在加載期間發生的下沉和聚脲噴膜被剝離的狀況如圖18所示，長方體試塊下沉后被聚脲噴膜拖曳并保持穩定，試塊并未掉落至地面。工況2中長方體試塊的下沉量和錯臺狀況如圖19所示。

圖18 隧道拱部長方體試塊下沉后的狀況Fig.18 Subsidence of cuboidal block of tunnel crown

圖19 長方體試塊與襯砌之間的錯臺Fig.19 Bulge between cuboidal block and tunnel lining

此外，經過對工況2中長方體試塊周邊聚脲噴膜與隧道襯砌混凝土之間剝離范圍的測試，試塊周邊聚脲噴膜被試塊下沉而剝離的范圍如圖20所示。

圖20 隧道拱部試塊周邊聚脲噴膜被剝離的范圍Fig.20 Peeled zone of polyurea membrane around the test block of tunnel crown

工況2試驗中長方體試塊周邊的聚脲噴膜被剝離的橫剖面如圖20a所示。從圖20a可知，聚脲噴膜在試塊周邊隨試塊下沉而被剝離的斜面長度在水平面上投影寬度約0.65～0.67m。由此表明，試塊下沉后于其周邊距離約0.67m范圍以內的聚脲噴膜被剝離，而此范圍之外的聚脲噴膜并未被剝離。與長方體試塊一起下沉而被剝離的聚脲噴膜在水平面上的投影呈3.42m×4.31m的矩形，具體如圖20b所示。經過測試和計算，聚脲噴膜從混凝土襯砌上被下沉試塊剝離的面積約8.6m2。

在工況2中，隧道內拱部聚脲噴涂的范圍從長方體試塊底部的周邊各自外延2.0m，如圖7所示。在長方體試塊未下沉前，隧道拱部聚脲噴膜承載的面積為39.6m2，此時試塊和砂袋的重力合計為137.38kN。由于試塊周邊與襯砌接縫之間未注入聚脲材料，因而此荷載均由隧道拱部的聚脲噴膜承擔，由此可得聚脲噴膜的拉拔力為3.47kPa，該值小于厚度為5.0mm聚脲噴膜與混凝土之間的附著力4.5MPa。當長方體試塊下沉后，距離其周邊0.67m范圍內的聚脲噴膜被剝離，則隧道襯砌上剩余未被剝離的聚脲噴膜面積為31.6m2，從而可得到隧道襯砌上未被剝離的聚脲噴膜在承受137.38kN荷載時的拉拔力為4.35kPa，該值仍小于聚脲噴膜與混凝土之間的附著力4.5MPa。由此可得未被剝離的聚脲噴膜與C35混凝土之間具有較高的抗拔力。

此外，與工況1中圓柱體試塊相比，工況2中用聚脲噴膜來支撐模型隧道中拱部的長方體試塊，盡管聚脲噴膜在試塊頂部所施加的荷載達到137.38kN時發生了剝離，但聚脲噴膜并未被拉裂也未發生破壞，且長方體試塊受到聚脲的拖曳未掉落至地面，可見聚脲噴膜起到了拖曳試塊的作用。

因而，從工況1和工況2的試驗結果分析，對于高速鐵路隧道而言，采用聚脲噴膜來加固和支撐隧道拱部襯砌時，聚脲噴膜固化后可以起到支撐和拖曳因病害而坍塌或掉落的隧道混凝土襯砌，防止其砸中高速行駛中的列車，可為鐵路運營單位采取措施提供警示和預報作用，避免影響鐵路運輸安全事故的發生。

3 結語

本文就聚脲用于支撐和加固鐵路隧道襯砌拱部掉塊時的承載特性進行模型試驗，測試得到了以鋼筋混凝土圓柱體和長方體試塊來模擬鐵路隧道襯砌拱部掉塊時聚脲噴膜的應力和應變狀態，分析得到了其承載能力，可為鐵路隧道襯砌拱部病害的治理提供指導和參考。通過模型試驗中對2種典型工況下聚脲噴膜應變的測試和分析得到如下結論。

1)在模型試驗中，采用厚度為5.0mm的聚脲噴膜來加固和支撐模型隧道中用于模擬隧道襯砌拱部掉塊的圓柱體和長方體試塊時，聚脲噴膜固化后所承受的拉應力和壓應力均均小于其拉、壓強度，聚脲噴膜具有較高的拉、壓承載能力。

2)在工況1中，對模型隧道襯砌拱部圓柱體試塊側面與隧道襯砌接縫處以及試塊底部和隧道洞內拱頂部位噴涂聚脲，當試塊上部施加的荷載超過允許荷載后試塊并未發生下沉，且聚脲噴膜也未發生拉、壓破壞，表明用聚脲對隧道拱頂部位的裂縫進行加固和對掉塊進行支撐是可行的。

3)在工況2中，僅對模型隧道襯砌拱部長方體試塊底部和隧道洞內拱頂部位噴涂聚脲后，當試塊頂端所施加的荷載超過允許荷載后試塊發生了下沉，試塊周邊的聚脲噴膜被下沉的試塊受拉而從襯砌壁面發生局部剝離，但用于支撐試塊的聚脲噴膜并未發生拉裂破壞，且下沉的試塊被聚脲噴膜拖曳而未掉落至地面。因而聚脲噴膜具有較強的抗拉能力來拖曳隧道拱部已脫落的掉塊，可有效防止掉塊砸中運行中的列車，能夠為鐵路運營單位采取措施提供警示和預報。

4)就本次模型試驗中隧道襯砌拱部噴涂的聚脲噴膜的承載能力而言，聚脲噴膜具有良好的抗拉壓性能，與混凝土有較高的粘接能力，可用于高速鐵路隧道襯砌拱部病害的治理與應急搶險。