高强绝缘防护网在电气化铁路无衬砌隧道加固中的应用

唐文龙,邢建鑫,郭 威

(1.中国国家铁路集团有限公司，北京 100860；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京西工务段，北京 102300)

1 工程概况

受当时经济和技术条件的限制，我国在解放前和解放初期修建了部分无衬砌隧道，俗称“毛洞子”。一般来说，无衬砌隧道适用于Ⅰ，Ⅱ级围岩地段，运营初期依靠岩石的自稳能力结构是稳定的。但随着围岩应力释放、岩石风化、岩层裂隙发育、雨水浸润、冻胀等自然状况发展，加之地震、人为活动、列车振动等不利因素的作用，隧道内围岩松动、表层岩层风化剥落、局部岩石掉块脱落、喷锚层掉落等病害时有发生，严重威胁行车安全[1-2]。

丰沙线8号隧道位于丰沙上行线斜河涧站—落坡岭站区间，修建于1952年，中心里程为K28+699。隧道全长575.1 m，隧道内线路为直线，坡度为10‰。该隧道位于电气化区段。隧道内距离进洞口(北京至沙城方向)0～108 m,163～170 m,546～575 m有衬砌。而108～163 m,170～233 m,322～380 m,383～420 m,437～546 m为无衬砌段。无衬砌段隧洞宽约5.4 m,洞内拱顶高度约6.5 m。

经现场实地调查，隧道内危石危害主要分布在Ⅱ级围岩局部破碎的洞顶部位，土石方量一般0.2～0.4 m3，已坠落部位如150 m处洞顶，危石单个尺寸约1.0 m×0.5 m×0.6 m，具体情况见表1。

在隧道拱顶局部存在掉块现象。根据工务段历年检查观测记录，丰沙线上行8号隧道历年落石情况见表2。

表1 隧道内情况调查结果

表2 丰沙线上行8号隧道历年落石情况

经现场勘查，该隧道存在局部软弱夹层，灰岩层间局部存在片理化软弱薄层。片理化薄层本身强度和密度很低，风蚀干燥条件下易风化变成粉末状，从而形成裂隙;潮湿条件下遇水软化变成流塑状,在石灰岩间形成润滑剂，造成局部地段围岩掉块。局部节理裂隙发育，洞顶危石及侧壁欠稳定结构体主要由裂隙控制，一般由3条裂隙斜向上切割贯通，使得顶面呈楔形的结构体与围岩分离，在风化作用、振动作用及地下裂隙水的影响下，使结构体与围岩连接力完全丧失而坠落。

由于上述原因，隧道内围岩的整体稳定性降低，许多地段岩体松动甚至剥落(如图1)，被切割的块状岩体之间的约束能力降低，形成危石，严重威胁行车安全，须尽快治理。

图1 无衬砌隧道及落石照片

2 采取的整治措施及问题

为了保证行车安全，维护部门采取了如下措施对无衬砌隧道病害进行整治[3]：①排查、清扫危石。配备强光手电人工检查，用检查杆探查或搭设检查脚手架对拱顶予以敲击检查，对发现的危石作出标记，定期观测，情况严重时再利用天窗点进行清理。②采用工程技术措施进行加固,如增加模筑混凝土衬砌、挂网喷锚加固、局部锚杆固化、吊挂胶皮、锚杆和金属网加固等[4]。通过整治，在一定程度上遏制了无衬砌隧道病害的发展。

在多年的围岩病害整治实践中，发现上述无衬砌隧道病害整治方式存在很多局限性:①模筑加固(加设衬砌)是最彻底的加固方法，但受隧道限界的限制，且在运营线施工行车干扰大，工程周期长，在既有线施工受到很大的制约。②挂网喷锚加固虽然在新隧道技术成熟，但由于运营线隧道很难将围岩表面清理干净，喷射混凝土质量难以保证。③吊挂胶皮将风化剥落的岩石碎屑兜在胶皮内，随着胶皮年久老化及聚集的碎石越来越多，在重力作用下会造成胶皮脱落。④金属防护网加固，在电气化隧道须与供电和各种电缆设备保持安全距离，须将网片裁剪成块因而整体性较差，且金属网片会产生感应电，须将网片接地放电，给隧道内检查作业带来安全隐患。

鉴于以上问题，下文介绍一种高强、绝缘、防腐、阻燃的防护网。它非常适合电气化区段无衬砌隧道的加固。

3 高强绝缘防护网的结构组成和性能指标

3.1 结构组成

防护网主要由网目绳、网纲绳和细绳组成。

网目绳由12股纤维编织而成，根据每股纤维的粗细不同可将网目绳编织成直径3,4,5 mm等规格。将网目绳按照网眼尺寸6 cm×6 cm编织成网片(如图2)，网片大小可根据生产实际需要进行调整。

图2 高强绝缘防护网片

网纲绳编织时所用的纤维较粗，主要是将网片受力分散并传递给锚杆，增加了整个网片在使用中的整体稳定性，可编织成直径9,10 mm规格。

细绳编织时所用的纤维较细，在防护网中主要起到固定网目绳和网纲绳的作用，也增加了网片的整体性能。直径为1.0,1.5 mm的细绳即可满足生产需要。

3.2 性能指标

3.2.1 强度高

分别取型号为EJ04，EJ05的绝缘防护网样品(2.5 m×2.5 m)各2片和金属防护网样品(2.5 m×2.5 m)[5-6]1片，采用100 t顶破拉力试验机进行试验。2016年2月1日试验测得网片的顶破试验曲线见图3。

图3 3种防护网顶破试验曲线

由图3可得到防护网的顶破力。顶破试验结果见表3。

表3 顶破试验结果

由表3可见，绝缘防护网与金属防护网在非电气化铁路隧道无衬砌加固地段，均能够抵挡重量70 kN以内的落石，对既有线无衬砌隧道发生的碎石掉落能够起到有效拦截作用。

3.2.2 密度低

绝缘防护网所采用的芳纶材料密度低。以3.0 m×3.5 m相同大小的金属防护网和绝缘防护网进行比较，金属防护网质量为20.0 kg，而绝缘防护网只有7.5 kg。因此，绝缘防护网在材料运送、挂网操作等施工过程中更为便捷。

3.2.3 绝缘性能良好

1)不导电。取绝缘防护网片试验样品采用 100 kV 介电强度测试仪进行测试。结果显示，防护网绳击穿电压均大于35 kV(大于铁路供电设备电压27.5 kV)，不具有导电性。

2)高电阻。取绝缘防护网片试验样品采用数字高阻计进行电阻测试。结果显示，电阻均大于3.2×109Ω，说明绝缘防护网片位于绝缘体之列，具有良好的绝缘性能。

在电气化铁路隧道无衬砌地段，采用金属防护网时，受铁路电气化影响较大，网片容易产生感应电，在施工和运营期间都存在人身和行车安全隐患。而芳纶防护网良好的绝缘性能，在电气化铁路隧道无衬砌地段进行加固时，不需考虑与供电和各种电缆设备的安全距离，不需裁剪，整体性好，施工结束后网片不会产生感应电，不需要将其接地放电。

3.2.4 阻燃性能良好

取芳纶防护网片试验样品采用UL94耐燃烧试验装置进行测试，测试续燃时间、引燃时间、滴落物等。水平燃烧测试结果表明，火焰前端均未超过25 mm。垂直燃烧测试结果表明：防护网初始引燃后10 s内均无滴落，均未引燃棉絮;二次引燃后10 s内仍无滴落，未引燃棉絮且续燃加阴燃长度未达到夹持点。

测试结果显示，防护网绳水平燃烧和垂直燃烧均处于HB和V-0水平级别，即不燃烧，说明其具有良好的阻燃性能。芳纶材料不同于人们日常生活中所见到的尼龙材料，它不具有燃烧性能，反而阻燃。

3.2.5 耐腐蚀性能良好

取经过海水浸泡2年的芳纶纤维样品，采用Instron拉伸试验机进行试验，测量纤维在海水浸泡前后的拉伸强度，测试结果见表4。

表4 耐腐蚀性能测试结果

由表4可知，防护网绳经过海水浸泡前后断裂强度及延伸率无明显降低(下降幅度<15%)，说明耐腐蚀性能良好。

4 施工工艺

4.1 施工顺序与方法

1)清理围岩表面

规整隧道衬砌边界，清除浮土，清理松散围岩，保证锚杆的有效性和端部稳定性。

2)布置锚杆孔位

以拱部中心线为基准线，放线布置锚杆孔位，宜设于天然凹坑处。

3)钻孔作业

①钻孔。根据围岩风化松散程度进行深度设计，钻凿锚杆孔，孔径不应小于32 mm，深度宜略大于锚杆长度。钻孔顺序宜先上后下。钻孔时，锚杆应尽可能垂直于隧道围岩表面且与水平面的夹角不应小于15°。②清孔。钻孔完成后应清理孔内残渣。宜采用高压风清孔，可避免用水清孔时对带电设备的不良影响。

4)安装锚杆并注浆

①安装锚杆。检查锚杆通透性，若堵塞及时处理。锚杆设固定装置，保证锚杆在孔内的中心，不与孔壁相接触。设置6 mm硬塑排气管，与锚杆捆绑安装一同插入孔内。排气管上端应高于锚杆出浆口且不能顶住岩石影响排气，下端应外露，保证排气。清理锚杆头并使其裸露长度为10～18 cm。孔口用早强型锚固剂封堵。②注浆。待封口锚固剂达到强度后，经中空锚杆向孔内注浆。注浆采用加固型TGRM水泥基特种灌浆料，注浆压力不宜大于2 kPa，孔内浆液由下而上把孔内空气经排气管挤压排出，当排气管口流出注浆液，可确定孔内浆液饱满(注浆可多次灌注，间隔1～3 min)，停止注浆。③养护。为确保注浆料达到使用强度，在进行下一道工序前注浆体养护不少于3 d。

5)铺设芳纶防护网

①铺网。根据拱顶实际情况及设计要求，合理定制网片大小,设置网片具体位置。铺网时应始终从同一端向另一端铺设(由上而下)，保证端部顺直。铺网要紧贴围岩表面，保证紧绷。②缝合连接。相邻网片的边沿网孔间采用φ9网绳进行缝合。

6)锚垫板安装

安装锚垫板，并拧紧螺母施加预应力，使芳纶防护网张紧并紧贴围岩表面，网片边缘搭接部位缝合绳必须有锚垫板进行卡压,螺母须作防脱设计并可拆卸，以方便后期使用中清理落石。

4.2 施工流程

施工准备→清理风化围岩表面→布置锚杆孔位→钻孔→清孔→安装锚杆、封锚→注浆、养护→铺设芳纶防护网→安装锚垫板、防脱螺母。

4.3 施工注意事项

①施工应在封闭点内进行，严格按照相关铁路施工规范、标准实施。②芳纶防护网施工作业，施工人员必须经严格培训后方能上岗操作。③确保作业机具、材料码放整齐，不得侵限，保证列车运行安全。④施工过程中必须做好各项安全措施，确保施工和人身安全。⑤芳纶防护网施工采用中空式注浆锚杆，锚杆长1.0～1.5 m。⑥锚杆间距可以适当调整，锚杆孔位不能位于可能因钻孔作业而发生掉落的岩块上，同时也要避开隧道壁面上局部凸起的岩体和贯通裂缝。⑦在电气化区段施工时供电臂绝缘子附近锚杆打眼和注浆过程中，要对接触网供电臂绝缘子进行防护，注浆完成后要对其进行清理。

丰沙线上行8号隧道已完成的绝缘防护网加固工程效果如图4，目前使用良好。

图4 丰沙线上行8号隧道绝缘防护网施工后

5 结语

芳纶防护网较好地避免了金属防护网在电气化隧道无衬砌区段加固施工时的不安全因素。其施工便捷，不用考虑与供电和各种电缆设备的安全距离，不必裁剪，整体性好，使用中不会产生感应电，不必将网片接地放电，解决了施工中和使用时对人身和行车构成的安全隐患。