绳锯牵拉破碎混凝土排水渠方案比选

徐安东 吕谦和 史伟华 万迎新 张骞

摘要：根据已运营铁路隧道中C40素混凝土排水渠的加深工况要求，选用绳锯牵拉方法进行破碎加深。运用ABAQUS对不同钻孔方案进行有限元分析、比选。研究结果表明，当钻孔间距与钻孔深度不变，在300 mm×300 mm的破碎断面内钻孔数目为3个且呈正三角形分布时，破碎效果最好，满足绳锯破碎加深混凝土排水渠的工作需要。

关键词：铁路隧道排水渠;绳锯破碎;有限元分析

中图分类号：TU746.3;U25        文献标志码：A

部分既有运营铁路隧道排水渠在排水量需求较大的情况下，难以满足要求，导致水溢出淹没轨道，影响行车安全，亟需提高其排水能力。但是受制于隧道断面尺寸，无法横向加宽排水渠，通常采用竖向加深的方法提高排水能力，同时隧道内不便引入大型设备作业，而且人工手持冲击钻加深效率太低。因此，可以采用钢丝绳锯牵拉方式进行破碎加深。为了在有限的天窗点内提高工作效率，亟需研究最优破碎方案。目前在混凝土破碎方法的研究中，以爆破方式进行混凝土破碎是最常用的方法。但隧道爆破容易引起建筑结构损伤，且排水渠破碎体积较小不利于控制爆破范围[1]。在特定工况下的混凝土通常采用机械破碎、静态破碎或者两者相互结合的方法[2]。Qi等[3]对利用柱塞泵实现了高压水流对混凝土的无尘破碎;潘国华等[4]对建筑素混凝土采用金刚石绳锯切割的方法进行破碎，并配合合理的吊装措施缩短了工期;而混凝土破碎的实质是骨料、砂浆以及两者交界层面等细观层次组构的变化，在混凝土受力而产生形变特征的尺度划分过程中，Van[5]采用宏观、细观和微观三个尺度相结合的方法，充分解释了混凝土的宏观形变与破坏机理;在宏观层面上混凝土塑性损伤是以连续体力学理论为基础，Arson等[6-7]以此为基础建立了混凝土的形变函数关系;Tai等[8]运用混凝土本构关系模拟了混凝土在不同应变下的应力状态;Pandermarakis等[9]通过对传统拉伸试验参数的适当修改，提出了一种检测混凝土断裂与裂缝扩展的方法;李祚华等[10]通过材料的塑性Helmholtz自由能与弹性Helmholtz自由能之间的关系，确立了损伤能量释放率与损伤变量的关系，给出了单轴受压混凝土的塑性变形关系的经验公式;Ding等[11]阐述了混凝土的破坏机理，指出泊松比是确定混凝土破坏的关键;方秦等[12]评估了ABAQUS损伤塑性模型的分析能力，可较为精确地模拟出混凝土材料的力学性能及材料破坏的包络线;张劲[13]引入损伤因子的概念，证明了本构关系参数对结构分析的可靠性;杨仁树等[14-15]采用静态破碎法，通过灌入破碎剂，产生环向膨胀压力，使混凝土产生明显的裂缝扩展以实现破碎;唐烈先等[16]通过静态破碎试验，得到了混凝土静态破碎施工中合理的钻孔布局，进而得到最优破碎方案。以往研究侧重基于破碎剂膨胀原理的混凝土静态破碎法，通过对钻孔裂缝扩展的研究，获得工程施工中合理的钻孔布局。本文主要针对既有运营铁路隧道内的素混凝土排水渠，在卷扬机作用下，通过绳锯拉拽素混凝土进行机械破碎。与以往的静态破碎相比，绳锯机械破碎具有低污染低功耗的特点，且更适用于隧道内排水渠破碎加深的特殊工况，既节省作业空间，又提高作业效率。本文利用仿真技术，对设计的多种钻孔方案进行分析，比选出最优的钻孔方案。

1 绳锯牵拉破碎混凝土排水渠方案

某铁路隧道内排水渠如图1所示，为了实现素混凝土排水渠的加深，沿已有排水渠侧面向下再延伸300 mm。已知混凝土排水渠的宽度为300 mm，破碎断面为300 mm×300 mm。

本文绳锯破碎混凝土排水渠，主要通过卷扬机牵拉实现破碎。牵拉开始前，需先在排水渠中钻孔，并将钢丝绳穿过钻孔，钢丝绳与卷扬机的转轴相连接，卷扬机的电机驱动转轴牵引钢丝绳，使钢丝绳和混凝土之间产生挤压和拉拽。当牵引力达到一定程度时，混凝土挤压应力高于混凝土抗拉强度，从而实现混凝土的破碎。本文设计了5种钻孔布局方案，分别为正三角形钻孔排列、倒正三角形钻孔排列、两孔钻孔排列、正方形钻孔排列、菱形钻孔排列，均位于破碎体中部，如图2所示。

为提高绳锯破坏效率，绳锯从混凝土排水渠内上表面钻孔穿过，从图2所示的孔内穿出。以圖2断面为基准向内钻孔确定钻孔的纵向深度，以排水渠内上表面为基准向下钻孔且与最下方钻孔纵向深度交汇的深度确定钻孔的竖向深度。纵向钻孔深度，竖向钻孔深度，以及钻孔间距等因素都会影响混凝土排水渠破碎效果，因此需要对上述变量进行统一设定，从而对钻孔方案进行比选。

2 绳锯牵拉破碎混凝土排水渠建模

2.1 基本结构参数

以某铁路隧道内的混凝土排水渠为研究对象，混凝土排水渠高度为2 m（含基础部分），宽度为1.5 m，长度为5 m，其内部位于中轴线位置的排水渠深度为500 mm，宽度为300 mm，钻孔直径为20 mm，其模型如图2所示。实际工程所配备的钢丝绳直径为15 mm。根据绳锯破碎混凝土排水渠钻孔方案，在相同纵向钻孔深度、孔间距且均位于中心位置的前提下进行建模分析，其相应参数见表1。

2.2 定义材料属性

排水渠选用C40 混凝土，塑性参数见表2，其中双轴极限抗压强度与单轴极限抗压强度之比为fb/fc，拉伸子午面上和压缩子午面上的第二不变应力不变量之比为K。

对混凝土建立单轴受压应力—应变关系和单轴受拉应力—应变关系，依据《混凝土结构设计规范》[17]，得到C40混凝土弹性变形阶段的弹性模量E0为18 000 MPa，质量密度为2.4×10-9 kg/m3，泊松比为0.28。C40混凝土的受压、受拉损伤因子分别为Dc、D[18]t

Dc=1-nfc，rE0εc，r（n-1+xn）x≤1

1-fc，r[ac（x-1）2+x]E0εc，rx>1 （1）

Dt=1-1.2-0.2x5   x≤11-1at（x-1）1.7+x   x>1 （2）

其中，αc为混凝土单轴受压应力—应变曲线下降段参数值;fc，r 为混凝土单轴抗压强度代表值;εc，r 为与单轴抗压强度fc，r相应的混凝土峰值压应变;αt为混凝土单轴受拉应力—应变曲线下降段参数值;通过规范中的数据代入上式计算可得到C40混凝土的本构关系，見表3。

对混凝土排水渠底面和两外侧壁固结约束，钢丝绳和混凝土钻孔之间采用摩擦接触，摩擦系数0.5。在钢丝端部施加牵拉载荷，载荷位置如图3中箭头所示。假设该钢丝绳沿延伸方向不可压缩，钢丝绳与混凝土均采用8节点等参减缩积分单元（C3D8R）。

3 破碎方案比选

为了比选最优钻孔方案，以C40混凝土轴心抗拉强度2.4 MPa为限定条件[19]，在恒定牵引力下，应力越大，则钻孔方案越好。通过试算，选择在每根钢丝绳端部施加恒定牵引力1 500 N，此载荷作用下，不同钻孔方案的应力会低于或高于抗拉强度2.4 MPa，对比效果更加直观，5种钻孔方案的排水渠应力及变形结果如表4所示。

由表4可知，菱形钻孔方案所受应力值最大且大于C40抗拉强度，但变形量相对偏小;正三角形钻孔方案所受应力值大于C40抗拉强度，且变形量最大;其它钻孔方案的应力均小于菱形钻孔方案，变形量均小于正三角形钻孔。各方案应力如图4～图7所示，且由于绳锯牵拉区域相对较小，为了突出显示比对结果，仅对前端1 m进行展示。

菱形钻孔方案与正三角形钻孔方案之间存在应力、应变差异，需对正三角形钻孔方案与菱形钻孔方案进行对比分析。由图7可知菱形钻孔所受应力值最大，但钻孔与绳锯接触位置处出现明显应力集中。当除去应力集中单元时，菱形钻孔的应力最大值为2.184 MPa（小于C40抗拉强度标准值），无法破碎混凝土，如图8、图9所示。对比分析两种方案可知，菱形方案破碎主体受力并不均匀，不利于结构的整体破碎，而正三角形方案破碎主体受力均匀，单元之间力传递由内向外逐渐递减，有利于结构整体逐级破碎，且最大应力值大于菱形的应力值（除掉应力集中单元）。

由于应力分布会影响破碎效果，对破碎单元应力超过混凝土抗拉强度的单元进行统计分析，其中破碎单元应力超过抗拉强度的单元与破碎区域体积比如图10所示。可知，正三角形钻孔方案中破碎单元应力超过抗拉强度的单元占比为72%，表明受力均匀，有利于实现在同等作用力下的整体破碎。而其它钻孔方案破碎单元应力超过抗拉强度的单元占比小于前者，破碎效果相对较差。综上，应力值大、分布均匀且变形最大的正三角形钻孔方案为最优钻孔方案。

4 结论

本文运用ABAQUS对比分析5种钻孔方案下的绳锯破碎加深效果，其中钻孔数为3孔，且呈正三角形分布的钻孔方案破碎效果最好。对比其它钻孔方案，正三角形钻孔方案受力传递均匀，有利于实现整体逐级破碎，满足工程破碎高效率要求，可为实现狭小空间中混凝土破碎提供依据。在最优的钻孔方案下，若混凝土排水渠钻孔的深度与孔间距发生改变，破碎的体积也会发生改变。今后研究将通过确定最优钻孔位置进一步提升破碎效率。

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Comparison and Selection of the Project of Wire Saw

Pulling Broken Concrete Drainage Channel

XU An-dong1， L Qian-he2， SHI Wei-hua1， WAN Ying-xin1， ZHANG Qian1，3

（1. Mechanical and Electrical Engineering College， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Shandong High-speed Qingdao Development Co.， Ltd.， Qingdao 266000， China;

3. National Engineering Laboratory for High-speed Train System Integration，

CRRC Qingdao Sifang Co.， Ltd.， Qingdao 266111， China）

Abstract：

According to the deeping working condition requirement of C40 plain concrete drainage canal in the operated railway tunnel， the wire saw pulling method was selected to break and deepen. ABAQUS software was used for finite element analysis of different borehole plans， and then the optimal plan was selected by comparing. The result show that when borehole spacing and borehole depth are constant， the number of boreholes is 3 inside the breaking section of 300 mm×300 mm and they are in positive triangular distribution， the breaking effect is the best. It can meet the work needs of the wire saw breaking and deepening the concrete drainage channel.

Keywords：

concrete drainage channel in railway tunnels; wire saw breaking; finite element analysis

收稿日期：2021-06-16

基金项目：

山东省自然科学基金（批准号：ZR2019PEE011） 资助。

通信作者：

张骞，男，博士，副教授，从事轨道动力学研究;E-mail：figozq100@sina.com

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