接觸網預埋槽道服役狀態監測裝置及監測方法研究

張佳怡，王彥哲，陳明鵬，陳 可，楊 洋，邵 巖

0 引言

預埋槽道是預埋在隧道襯砌內部隱蔽工程的構件，是固定接觸網吊柱等設備的載體，依靠預埋槽道結構中的錨桿和槽道本體結構與混凝土之間形成的錨固粘聚力，槽道能穩固地將接觸網固定，并將包括接觸網上的靜載、列車高速運行中產生的振動、風荷載或地震等動載通過錨桿傳遞給隧道襯砌的混凝土[1]。

預埋槽道本體的槽口及內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200 mm。預埋槽道屬于淺埋結構件，一般距離隧道施工縫1 m以上。在濕度較大地區，隧道內地下水豐富，特別是富含的氯離子等有害物質會沿槽道側壁與混凝土的結合部侵入槽道背面及錨桿表面[2]?；炷烈话愠矢邏A性，容易在混凝土預埋金屬件表面產生一層鈍化膜，能有效阻止混凝土中預埋金屬件的銹蝕。但外部環境侵蝕介質的侵入，將使預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，將發生腐蝕電池反應，對于預埋槽道這種淺埋構件，因混凝土未完全包覆，與混凝土內的鋼筋相比，更容易發生腐蝕電池反應[3]。

隧道內預埋槽道服役環境較為復雜，不能按環境大氣腐蝕條件直接判斷預埋槽道防腐層的耐腐蝕性及預埋槽道的壽命。然而，現有的預埋槽道通過直接澆筑與隧道混凝土融為一體，運營期間無法在不破壞隧道結構的情況下將其從混凝土中完整取出，故無法準確獲知預埋槽道在隧道混凝土內的服役狀況。針對上述問題，提出一種電氣化鐵路接觸網預埋槽道服役狀態監測裝置及監測方法。

1 預埋槽道現狀

預埋槽道自20世紀30年代開始應用，在電氣化鐵路隧道、地鐵隧道、市政隧道等諸多項目中逐步得到應用[4-5]。預埋槽道最先在武廣、鄭西客運專線的應用，拉開了預埋槽道在電氣化鐵路領域應用的序幕[5]。目前，我國電氣化鐵路隧道內接觸網預埋槽道主要采用標準為《電氣化鐵路接觸網隧道內預埋槽道》（TB/T 3329-2013）[6]。TB/T 3329—2013要求：槽道及錨桿材質可選用06Cr17Ni12 Mo2Ti或Q235B，槽道應滿足相應隧道設計使用年限并應滿足150 h銅鹽加速醋酸鹽霧試驗或1 200 h中性鹽霧試驗不出現紅銹。

預埋槽道本體的槽口及內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，會發生電化學腐蝕反應，因而近些年針對預埋槽道的防腐研究逐漸成為熱點[7-8]。文獻[9]對鐵路隧道接觸網預埋槽道共滲鈍化封閉復合防腐（PCA）技術進行可行性分析；文獻[10]對不銹鋼預埋槽道防腐涂層檢測方法進行多重比選并試驗驗證。上述方式方法從理論上分析了預埋槽道在隧道襯砌中的腐蝕情況，并提出了對應的防腐蝕措施，但無法獲取實際工程環境下預埋槽道腐蝕性能情況。

2 預埋槽道狀態監測裝置結構設計

為了實現在不破壞隧道結構的情況下將預埋槽道本體從混凝土中完整取出，利用倒T型錨桿和預埋槽道本體獲取觀測地段隧道混凝土層試驗數據、預埋槽道腐蝕程度等有效數據，解決現有預埋槽道安裝后無法獲知銹蝕情況的問題，且安裝方便快捷、適用范圍廣、機械性能穩定可靠。

2.1 整體設計

接觸網預埋槽道服役狀態監測裝置（圖1）包括倒T型錨桿和槽鋼構件。倒T型錨桿雙面焊接固定于預埋槽道本體的底面，槽鋼構件通過沿長度方向間隔設置的化學錨栓以及安裝在化學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、預埋槽道本體外露的槽道面緊貼；槽鋼構件的長度、寬度和高度均大于預埋槽道本體的相應尺寸。

圖1 監測裝置結構總體設計

2.2 固定槽鋼設計

監測裝置在混凝土中預埋的正視圖及側視圖如圖2所示?？梢钥闯觯翰垆摌嫾装迮c隧道襯砌外壁、預埋槽道本體外露的槽道面緊貼，槽鋼構件連接采用對槽鋼構件起定位作用的化學錨栓。緊固組件包括墊片和螺母，兩個螺母安裝在化學錨栓的外伸端，使墊片緊貼槽鋼構件底板內壁。

圖2 預埋在混凝土中的監測裝置剖面圖

槽鋼構件的長度、寬度和高度均大于預埋槽道本體的相應尺寸，賦予化學錨栓的安裝空間，保證預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的預埋槽道本體與倒T型錨桿結合體完整抽出。

同時，為便于觀測預埋槽道從混凝土中取出時的狀態，槽鋼構件的側板中部設有弧形切口，槽鋼構件底板上設置供T型螺栓穿過的中部安裝孔，該安裝孔兩側各設置一個供化學錨栓穿過的安裝孔。

2.3 錨桿設計

倒T型錨桿結構如圖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錨桿表面的腐蝕情況。對比工字形錨桿，倒T型錨桿取消了工字形錨桿未與預埋槽道本體連接的上部裝置，可減小監測裝置與隧道襯砌混凝土間的摩擦力，當監測裝置在隧道襯砌混凝土中預埋一定時間后，可通過一定外力將監測裝置順利從隧道襯砌混凝土中完整取出，在不破壞隧道結構的情況下獲取觀測地段隧道混凝土層試驗數據、預埋槽道腐蝕程度等有效數據。

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，底座與預埋槽道本體雙面焊接，焊接工藝質量達到一級。倒T型錨桿與預埋槽道本體焊接后，表面再進行熱浸鍍鋅防腐處理（不低于3級），熱浸鍍鋅層局部最小厚度不小于80 μm，且不得產生白銹，防腐層不應凸起、起皮和剝落，保證監測裝置的制造工藝、防腐性能等均與接觸網用槽道一致。

3 預埋槽道狀態監測方法

提出一種電氣化鐵路接觸網預埋槽道服役狀態監測方法，主要用于監測：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；預埋槽道錨桿防腐層化學腐蝕情況；預埋槽道本體防腐層化學腐蝕情況。獲取不同隧道環境條件下預埋槽道實際腐蝕情況，用以分析不同隧道環境條件對預埋槽道防腐層的不同影響，從而有效指導接觸網預埋槽道設計、施工、運維。

當站前施工單位施工隧道二襯時，將監測裝置安裝于隧道二襯混凝土中，如圖2所示。當需要獲知隧道混凝土層預埋槽道狀態時，將預埋槽道本體與倒T型錨桿結合體從隧道襯砌混凝土中抽出。

監測步驟如下：

Step1：拆除化學錨栓外伸端上的墊片和螺母，取下槽鋼構件。

Step2：將T型螺栓的頭部裝入預埋槽道本體的槽道中。

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

圖4 監測裝置取出時安裝示意圖

Step4：旋擰螺母，使槽鋼構件兩側豎板支撐在隧道襯砌外壁上。

Step5：繼續旋擰螺母，作用于槽鋼構件底板，通過T型螺栓拉動預埋槽道本體與倒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，同時通過槽鋼構件的側板中部的弧形切口觀測預埋槽道本體與倒T型錨桿腐蝕程度。

Step 6：觀測完畢，拆除螺母，取下槽鋼構件，從預埋槽道本體槽道中取出T型螺栓。

Step 7：將槽鋼構件翻轉180°，使其底板與預埋槽道本體槽道面相對，在化學錨栓外伸端上安裝墊片和螺母，旋擰螺母，通過槽鋼構件底板頂動預埋槽道本體與倒T型錨桿的組合體，直至槽鋼構件底板與隧道襯砌外壁貼合，組合體復位。

根據提取出的預埋槽道本體與倒T型錨桿的組合體，獲取錨桿及本體表面的混凝土，通過混凝土性能檢測成分分析，得到混凝土中濕度、溫度、氯離子等成分的定量結果。通過肉眼觀測槽道本體與錨桿上防腐層的銹蝕情況，并通過專業儀器定量檢測槽道本體及錨桿上剩余防腐層厚度，從而判別在該種環境工況下槽道的防腐措施是否可行有效。在此基礎上可進一步深入研究環境因素對預埋槽道腐蝕性能的影響及解決措施等。

4 結語

本文提出了一種電氣化鐵路接觸網預埋槽道服役狀態監測裝置及監測方法，在不破壞隧道二襯結構的情況下，利用倒T型錨桿和預埋槽道本體獲取觀測地段隧道混凝土層情況、預埋槽道腐蝕程度等有效數據，解決了現有預埋槽道安裝后無法獲知銹蝕情況的問題，且安裝方便快捷、適用范圍廣、機械性能穩定可靠。 建議在地下水豐富的隧道、高地溫（熱）隧道以及隧道拱頂、拱墻等易出現滲水、漏水的地段，設置接觸網預埋槽道服役狀態監測裝置，以監測特殊環境下預埋槽道狀態情況。