接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法研究

張佳怡，王彥哲，陳明鵬，陳 可，楊 洋，邵 巖

0 引言

預(yù)埋槽道是預(yù)埋在隧道襯砌內(nèi)部隱蔽工程的構(gòu)件，是固定接觸網(wǎng)吊柱等設(shè)備的載體，依靠預(yù)埋槽道結(jié)構(gòu)中的錨桿和槽道本體結(jié)構(gòu)與混凝土之間形成的錨固粘聚力，槽道能穩(wěn)固地將接觸網(wǎng)固定，并將包括接觸網(wǎng)上的靜載、列車高速運(yùn)行中產(chǎn)生的振動(dòng)、風(fēng)荷載或地震等動(dòng)載通過(guò)錨桿傳遞給隧道襯砌的混凝土[1]。

預(yù)埋槽道本體的槽口及內(nèi)槽直接暴露在空氣中，槽道本體的其余表面及錨桿均包覆在隧道襯砌混凝土中，最大埋深一般不超過(guò)200 mm。預(yù)埋槽道屬于淺埋結(jié)構(gòu)件，一般距離隧道施工縫1 m以上。在濕度較大地區(qū)，隧道內(nèi)地下水豐富，特別是富含的氯離子等有害物質(zhì)會(huì)沿槽道側(cè)壁與混凝土的結(jié)合部侵入槽道背面及錨桿表面[2]。混凝土一般呈高堿性，容易在混凝土預(yù)埋金屬件表面產(chǎn)生一層鈍化膜，能有效阻止混凝土中預(yù)埋金屬件的銹蝕。但外部環(huán)境侵蝕介質(zhì)的侵入，將使預(yù)埋金屬件表面的鈍化膜遭到破壞，在水和氧氣的共同作用下，將發(fā)生腐蝕電池反應(yīng)，對(duì)于預(yù)埋槽道這種淺埋構(gòu)件，因混凝土未完全包覆，與混凝土內(nèi)的鋼筋相比，更容易發(fā)生腐蝕電池反應(yīng)[3]。

隧道內(nèi)預(yù)埋槽道服役環(huán)境較為復(fù)雜，不能按環(huán)境大氣腐蝕條件直接判斷預(yù)埋槽道防腐層的耐腐蝕性及預(yù)埋槽道的壽命。然而，現(xiàn)有的預(yù)埋槽道通過(guò)直接澆筑與隧道混凝土融為一體，運(yùn)營(yíng)期間無(wú)法在不破壞隧道結(jié)構(gòu)的情況下將其從混凝土中完整取出，故無(wú)法準(zhǔn)確獲知預(yù)埋槽道在隧道混凝土內(nèi)的服役狀況。針對(duì)上述問(wèn)題，提出一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法。

1 預(yù)埋槽道現(xiàn)狀

預(yù)埋槽道自20世紀(jì)30年代開(kāi)始應(yīng)用，在電氣化鐵路隧道、地鐵隧道、市政隧道等諸多項(xiàng)目中逐步得到應(yīng)用[4-5]。預(yù)埋槽道最先在武廣、鄭西客運(yùn)專線的應(yīng)用，拉開(kāi)了預(yù)埋槽道在電氣化鐵路領(lǐng)域應(yīng)用的序幕[5]。目前，我國(guó)電氣化鐵路隧道內(nèi)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道主要采用標(biāo)準(zhǔn)為《電氣化鐵路接觸網(wǎng)隧道內(nèi)預(yù)埋槽道》（TB/T 3329-2013）[6]。TB/T 3329—2013要求：槽道及錨桿材質(zhì)可選用06Cr17Ni12 Mo2Ti或Q235B，槽道應(yīng)滿足相應(yīng)隧道設(shè)計(jì)使用年限并應(yīng)滿足150 h銅鹽加速醋酸鹽霧試驗(yàn)或1 200 h中性鹽霧試驗(yàn)不出現(xiàn)紅銹。

預(yù)埋槽道本體的槽口及內(nèi)槽直接暴露在空氣中，槽道本體的其余表面及錨桿均包覆在隧道襯砌混凝土中。在濕度較大的隧道內(nèi)，會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，因而近些年針對(duì)預(yù)埋槽道的防腐研究逐漸成為熱點(diǎn)[7-8]。文獻(xiàn)[9]對(duì)鐵路隧道接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道共滲鈍化封閉復(fù)合防腐（PCA）技術(shù)進(jìn)行可行性分析；文獻(xiàn)[10]對(duì)不銹鋼預(yù)埋槽道防腐涂層檢測(cè)方法進(jìn)行多重比選并試驗(yàn)驗(yàn)證。上述方式方法從理論上分析了預(yù)埋槽道在隧道襯砌中的腐蝕情況，并提出了對(duì)應(yīng)的防腐蝕措施，但無(wú)法獲取實(shí)際工程環(huán)境下預(yù)埋槽道腐蝕性能情況。

2 預(yù)埋槽道狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在不破壞隧道結(jié)構(gòu)的情況下將預(yù)埋槽道本體從混凝土中完整取出，利用倒T型錨桿和預(yù)埋槽道本體獲取觀測(cè)地段隧道混凝土層試驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)埋槽道腐蝕程度等有效數(shù)據(jù)，解決現(xiàn)有預(yù)埋槽道安裝后無(wú)法獲知銹蝕情況的問(wèn)題，且安裝方便快捷、適用范圍廣、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。

2.1 整體設(shè)計(jì)

接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置（圖1）包括倒T型錨桿和槽鋼構(gòu)件。倒T型錨桿雙面焊接固定于預(yù)埋槽道本體的底面，槽鋼構(gòu)件通過(guò)沿長(zhǎng)度方向間隔設(shè)置的化學(xué)錨栓以及安裝在化學(xué)錨栓外端的緊固組件固定安裝于隧道襯砌外壁上，其底板與隧道襯砌外壁、預(yù)埋槽道本體外露的槽道面緊貼；槽鋼構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度和高度均大于預(yù)埋槽道本體的相應(yīng)尺寸。

圖1 監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.2 固定槽鋼設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)裝置在混凝土中預(yù)埋的正視圖及側(cè)視圖如圖2所示。可以看出：槽鋼構(gòu)件底板與隧道襯砌外壁、預(yù)埋槽道本體外露的槽道面緊貼，槽鋼構(gòu)件連接采用對(duì)槽鋼構(gòu)件起定位作用的化學(xué)錨栓。緊固組件包括墊片和螺母，兩個(gè)螺母安裝在化學(xué)錨栓的外伸端，使墊片緊貼槽鋼構(gòu)件底板內(nèi)壁。

圖2 預(yù)埋在混凝土中的監(jiān)測(cè)裝置剖面圖

槽鋼構(gòu)件的長(zhǎng)度、寬度和高度均大于預(yù)埋槽道本體的相應(yīng)尺寸，賦予化學(xué)錨栓的安裝空間，保證預(yù)埋槽道本體貼合隧道襯砌外壁，以及能方便地將埋入隧道襯砌混凝土內(nèi)的預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿結(jié)合體完整抽出。

同時(shí)，為便于觀測(cè)預(yù)埋槽道從混凝土中取出時(shí)的狀態(tài)，槽鋼構(gòu)件的側(cè)板中部設(shè)有弧形切口，槽鋼構(gòu)件底板上設(shè)置供T型螺栓穿過(guò)的中部安裝孔，該安裝孔兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)供化學(xué)錨栓穿過(guò)的安裝孔。

2.3 錨桿設(shè)計(jì)

倒T型錨桿結(jié)構(gòu)如圖3所示，其尺寸參照TB/T 3329—2013工字形錨桿主要尺寸參考值，能充分模擬并反映隧道內(nèi)錨桿表面的腐蝕情況。對(duì)比工字形錨桿，倒T型錨桿取消了工字形錨桿未與預(yù)埋槽道本體連接的上部裝置，可減小監(jiān)測(cè)裝置與隧道襯砌混凝土間的摩擦力，當(dāng)監(jiān)測(cè)裝置在隧道襯砌混凝土中預(yù)埋一定時(shí)間后，可通過(guò)一定外力將監(jiān)測(cè)裝置順利從隧道襯砌混凝土中完整取出，在不破壞隧道結(jié)構(gòu)的情況下獲取觀測(cè)地段隧道混凝土層試驗(yàn)數(shù)據(jù)、預(yù)埋槽道腐蝕程度等有效數(shù)據(jù)。

圖3 工字形錨桿與倒T型錨桿

由圖3可以看出，倒T型錨桿包括底座和豎立段，底座與預(yù)埋槽道本體雙面焊接，焊接工藝質(zhì)量達(dá)到一級(jí)。倒T型錨桿與預(yù)埋槽道本體焊接后，表面再進(jìn)行熱浸鍍鋅防腐處理（不低于3級(jí)），熱浸鍍鋅層局部最小厚度不小于80 μm，且不得產(chǎn)生白銹，防腐層不應(yīng)凸起、起皮和剝落，保證監(jiān)測(cè)裝置的制造工藝、防腐性能等均與接觸網(wǎng)用槽道一致。

3 預(yù)埋槽道狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法

提出一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法，主要用于監(jiān)測(cè)：隧道二襯層地溫情況；隧道二襯層濕度情況；隧道二襯層氯離子、氧離子等成分情況；預(yù)埋槽道錨桿防腐層化學(xué)腐蝕情況；預(yù)埋槽道本體防腐層化學(xué)腐蝕情況。獲取不同隧道環(huán)境條件下預(yù)埋槽道實(shí)際腐蝕情況，用以分析不同隧道環(huán)境條件對(duì)預(yù)埋槽道防腐層的不同影響，從而有效指導(dǎo)接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維。

當(dāng)站前施工單位施工隧道二襯時(shí)，將監(jiān)測(cè)裝置安裝于隧道二襯混凝土中，如圖2所示。當(dāng)需要獲知隧道混凝土層預(yù)埋槽道狀態(tài)時(shí)，將預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿結(jié)合體從隧道襯砌混凝土中抽出。

監(jiān)測(cè)步驟如下：

Step1：拆除化學(xué)錨栓外伸端上的墊片和螺母，取下槽鋼構(gòu)件。

Step2：將T型螺栓的頭部裝入預(yù)埋槽道本體的槽道中。

Step3：將槽鋼構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°，使其槽腔與預(yù)埋槽道本體的槽道相對(duì)，T型螺栓下部穿過(guò)槽鋼構(gòu)件底板上的中間通孔并裝上螺母，如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)裝置取出時(shí)安裝示意圖

Step4：旋擰螺母，使槽鋼構(gòu)件兩側(cè)豎板支撐在隧道襯砌外壁上。

Step5：繼續(xù)旋擰螺母，作用于槽鋼構(gòu)件底板，通過(guò)T型螺栓拉動(dòng)預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿的組合體，將該組合體從隧道襯砌混凝土中整體向外抽出，同時(shí)通過(guò)槽鋼構(gòu)件的側(cè)板中部的弧形切口觀測(cè)預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿腐蝕程度。

Step 6：觀測(cè)完畢，拆除螺母，取下槽鋼構(gòu)件，從預(yù)埋槽道本體槽道中取出T型螺栓。

Step 7：將槽鋼構(gòu)件翻轉(zhuǎn)180°，使其底板與預(yù)埋槽道本體槽道面相對(duì)，在化學(xué)錨栓外伸端上安裝墊片和螺母，旋擰螺母，通過(guò)槽鋼構(gòu)件底板頂動(dòng)預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿的組合體，直至槽鋼構(gòu)件底板與隧道襯砌外壁貼合，組合體復(fù)位。

根據(jù)提取出的預(yù)埋槽道本體與倒T型錨桿的組合體，獲取錨桿及本體表面的混凝土，通過(guò)混凝土性能檢測(cè)成分分析，得到混凝土中濕度、溫度、氯離子等成分的定量結(jié)果。通過(guò)肉眼觀測(cè)槽道本體與錨桿上防腐層的銹蝕情況，并通過(guò)專業(yè)儀器定量檢測(cè)槽道本體及錨桿上剩余防腐層厚度，從而判別在該種環(huán)境工況下槽道的防腐措施是否可行有效。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)一步深入研究環(huán)境因素對(duì)預(yù)埋槽道腐蝕性能的影響及解決措施等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種電氣化鐵路接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置及監(jiān)測(cè)方法，在不破壞隧道二襯結(jié)構(gòu)的情況下，利用倒T型錨桿和預(yù)埋槽道本體獲取觀測(cè)地段隧道混凝土層情況、預(yù)埋槽道腐蝕程度等有效數(shù)據(jù)，解決了現(xiàn)有預(yù)埋槽道安裝后無(wú)法獲知銹蝕情況的問(wèn)題，且安裝方便快捷、適用范圍廣、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。 建議在地下水豐富的隧道、高地溫（熱）隧道以及隧道拱頂、拱墻等易出現(xiàn)滲水、漏水的地段，設(shè)置接觸網(wǎng)預(yù)埋槽道服役狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以監(jiān)測(cè)特殊環(huán)境下預(yù)埋槽道狀態(tài)情況。