高速鐵路無砟軌道裂紋分析及處理方法研究

高健勛

摘 要：無砟軌道裂紋通常發(fā)生在路基、橋梁、隧道地段，滬昆客專云南段施工過程中路基段落裂紋較為突出。下面將對(duì)路基段、橋梁段、隧道段有代表性的無砟軌道裂紋表現(xiàn)形式、主要原因分析和采取的預(yù)防措施進(jìn)行分析研究。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；無砟軌道；裂紋；研究

前言

無砟軌道是客運(yùn)專線鐵路重要工程結(jié)構(gòu)，是核心建造技術(shù)之一，工程質(zhì)量直接決定客運(yùn)專線鐵路的安全性、舒適性和耐久性。無砟軌道的制造與施工鋪設(shè)技術(shù)復(fù)雜，精度要求高，無砟軌道的建設(shè)必須推行標(biāo)準(zhǔn)化管理，按照工廠化、機(jī)械化、專業(yè)化、信息化的要求組織實(shí)施，但還是有部分路基段落產(chǎn)生裂紋。本文將介紹作業(yè)過程中如何有效控制裂紋產(chǎn)生及處理方法，提高無砟軌道施工作業(yè)質(zhì)量，減少運(yùn)營(yíng)過程中的病害。

1 工程概況

新建長(zhǎng)沙至昆明鐵路客運(yùn)專線云南段線路由貴州盤縣進(jìn)入云南省境內(nèi)后，經(jīng)富源北、曲靖北、嵩明站最終到達(dá)昆明南，沿線設(shè)富源北、曲靖北、嵩明中間站。該段線路正線建筑長(zhǎng)度177.307km，其中區(qū)間路基48.916km，站場(chǎng)路基長(zhǎng)度5.306km，共54.222km，占線路長(zhǎng)度30.581%；正線橋梁129座-60.688km，占線路長(zhǎng)度34.228%；涵洞130座，地道1座；正線隧道40座-62.536km，占正線建筑長(zhǎng)度35.270%；正線橋隧比69.497%。正線為客運(yùn)專線鐵路，按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路設(shè)計(jì)。正線及與正線相鄰的到發(fā)線均鋪設(shè)CRTS I型雙塊式無砟軌道，岔區(qū)鋪設(shè)軌枕埋入式無砟軌道。

CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道自上而下由鋼軌、扣件、軌枕、道床板、底座（支承層）組成。其中路基和隧道地段道床板采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，橋梁地段采用單元式結(jié)構(gòu)。軌道結(jié)構(gòu)高度見表1。

路基、橋梁、隧道均為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，由60kg/m鋼軌、WJ-8B扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床板、支承層（或底座）等組成。道床板采用C40鋼筋混凝土，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。路基地段道床板連續(xù)澆筑，道床板的寬度均為2800mm，高度為260mm。支承層優(yōu)先采用水硬性混合料進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，困難條件下亦可采用低塑性水泥混凝土，支承層寬度為3400mm，厚度為300mm，支承層兩側(cè)設(shè)置3：1的斜坡。

2 裂紋產(chǎn)生原因分析

（1）支承層在3.9m假縫處往下面開裂。

設(shè)計(jì)圖紙要求在路基支承層每隔3.9m鋸一道10.5mm深的伸縮縫（假縫），在支承層混凝土澆筑完成其上部的道床板混凝土也澆筑完成的14天后，在支承層伸縮縫的下部會(huì)出現(xiàn)0.5mm-1.0mm寬的裂紋，深度不一，如圖1所示。

其主要原因：一是設(shè)計(jì)圖紙要求，支承層結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)使用水硬性材料采用攤鋪機(jī)攤鋪，或者采用低塑性混凝土模筑，但是有些施工單位在某些路基地段，使用普通C20混凝土簡(jiǎn)單地代替低塑性混凝土模筑。低塑性混凝土理論配合比設(shè)計(jì)膠材總量185kg/m3，用水量126kg/m3，坍落度50mm；普通C20混凝土理論配合比設(shè)計(jì)膠材總量310kg/m3，用水量156kg/m3，坍落度160mm。兩者相比膠材總量幾乎翻番，坍落度大大增加，無疑增加了混凝土內(nèi)部收縮量和收縮時(shí)間。二是伸縮縫鋸縫后沒有進(jìn)行很好的沖洗、清理和保護(hù)，道床板混凝土澆筑時(shí)水泥漿可能透過無紡布下滲堵塞伸縮縫，造成伸縮縫失效或者不能有效發(fā)揮伸縮縫的功能。

（2）道床板表面出現(xiàn)豎向和橫向貫通裂紋。

道床板表面出現(xiàn)豎向和橫向裂紋，橫向貫通裂紋在路基段道床板表面數(shù)量最多，相比較路基段落來說，橋梁段和隧道段無砟軌道裂紋偏少。因此路基段道床板表面豎向、橫向裂紋和橫向貫通裂紋是整治重點(diǎn)。道床板表面的豎向裂紋寬度一般在0.2-0.4mm，深度在50mm-150mm居多。道床板表面橫向裂紋較多，分布范圍較廣，有貫通的也有不貫通的，寬度一般在0.5mm左右。

道床板表面在豎向和橫向出現(xiàn)裂紋，從理論上分析是軌枕中間的混凝土在釋放應(yīng)力過程中，受到軌枕間鋼筋骨架橫梁的約束，首先在軌枕兩側(cè)產(chǎn)生橫向裂紋，沿著軌枕邊緣向外擴(kuò)展，較嚴(yán)重地會(huì)在橫向兩軌枕之間貫通，形成橫向和豎向貫通裂紋。裂紋深度有深有淺，因?yàn)榈来舶鍌?cè)面約束最小，因此在道床板側(cè)面裂紋表現(xiàn)得最寬、最嚴(yán)重。

除了軌枕間鋼筋骨架的約束和不可避免的混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力、收縮應(yīng)力，影響道床板表面裂紋產(chǎn)生外，施工過程中混凝土制拌過程中，膠材總量大于400kg，為了滿足抹面和泵送要求，將水灰比和坍落度人為加大，造成混凝土收縮量增加，加大了裂紋出現(xiàn)的概率。抹面工人熟練程度不高、人數(shù)不夠，不按照技術(shù)交底要求，使用木抹、鋼抹交互抹面，不及時(shí)松開扣件，不認(rèn)真進(jìn)行覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，都有可能誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生和加劇。

（3）軌枕四周45度角裂紋、八字裂紋和道床板表面龜裂，道床板表面出現(xiàn)不規(guī)則的龜裂，主要表現(xiàn)在曲線地段，在路基、隧道曲線段都會(huì)不同程度出現(xiàn)，裂紋呈不規(guī)則閉合狀，縫寬在0.2mm左右。軌枕四周出現(xiàn)45度角裂紋，或者兩根軌枕都出現(xiàn)45度角裂紋，形成俗稱的“八字”裂紋?！鞍俗帧绷鸭y或45度角裂紋一般寬度都在0.2mm左右，長(zhǎng)度在20cm左右，對(duì)道床板結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全影響不大?！鞍俗帧绷鸭y或45度角裂紋產(chǎn)生原因，主要是在道床板混凝土澆筑前，沒有很好地用噴霧器灑水將軌枕塊濕潤(rùn)，道床板混凝土抹面和扣件放松、養(yǎng)護(hù)不到位所造成。

道床板表面龜裂的出現(xiàn)，主要原因在于曲線超高段低處未進(jìn)行“之”字形布料，低處的混凝土靠流動(dòng)而成，加上混凝土坍落度過大，水泥漿聚集在此，表層浮漿大于10mm，加上不能及時(shí)養(yǎng)護(hù)于是表面在終凝后很快形成了龜裂。

（4）隧道內(nèi)無砟軌道床表面的裂紋本身就不多，只要施工單位加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工組織，按照無砟軌道首件評(píng)估總結(jié)的工藝工法標(biāo)準(zhǔn)化施做，基本上可以杜絕無砟道床表面裂紋的產(chǎn)生。產(chǎn)生的主要原因在于施工單位在道床板混凝土澆筑前2小時(shí)未對(duì)軌枕進(jìn)行充分的灑水濕潤(rùn)，不重視對(duì)軌枕塊四周的抹光處理，認(rèn)為隧道內(nèi)部溫度不高、處于較恒溫狀態(tài)，忽視了隧道貫通后風(fēng)速較大的影響，不注意或者沒有進(jìn)行足夠的覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)。

3 裂紋傷損判定

根據(jù)TG/GW115-2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》，雙塊式無砟軌道傷損等級(jí)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，第3.3.7條規(guī)定；對(duì)Ⅰ級(jí)傷損應(yīng)做好記錄，對(duì)Ⅱ級(jí)傷損應(yīng)列入維修計(jì)劃并適時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)Ⅲ級(jí)傷損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

4 裂紋預(yù)防措施

（1）支承層裂紋的預(yù)防措施：一是建設(shè)單位、監(jiān)理單位、介入單位和施工單位，必須按照設(shè)計(jì)圖紙要求，使用低塑性的混凝土模筑或攤鋪機(jī)攤鋪。二是伸縮縫鋸開之后一定要將雜物清理干凈，采取合適的材料對(duì)伸縮縫保護(hù)，一定要對(duì)保護(hù)材料進(jìn)行固定（施工過程沒有很好的固定）。

（2）橋梁段無砟軌道采取的重要預(yù)防措施。預(yù)防“八字”裂紋或45度角裂紋發(fā)生的主要措施在于加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工組織和現(xiàn)場(chǎng)管理，嚴(yán)格按工藝工法施作。

（3）道床板表面出現(xiàn)橫向和豎向貫通裂紋已被認(rèn)為是一種具有特征性的不可避免現(xiàn)象，但是通過對(duì)道床板混凝土拌制質(zhì)量的控制，貫徹“三低一高”（低膠材數(shù)量、低水灰比、低坍落度、高含氣量）原則，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工組織和技術(shù)交底、技術(shù)培訓(xùn)，保證支承層與道床板混凝土澆筑時(shí)間大于30天，提高道床板混凝土養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，可以有效地減少裂紋產(chǎn)生數(shù)量，減緩道床板表面混凝土裂紋發(fā)展。

（4）離縫的預(yù)防措施。無砟軌道采用的CRTSⅠ型雙塊式軌枕都是提前預(yù)制，后澆筑道床板混凝土和軌枕形成無砟軌道道床板結(jié)構(gòu)。由于軌枕混凝土收縮已經(jīng)完成，其外型尺寸和體積基本上是不變的，而道床板混凝土由于水化作用產(chǎn)生溫度應(yīng)力，凝固過程中產(chǎn)生收縮，加上軌枕與道床板接觸面都是光面，無法有效連接，因而從理論上講收縮不一樣就不可避免地在界面上產(chǎn)生了裂紋，表現(xiàn)在軌枕四周與道床板之間形成了“離縫”。加強(qiáng)道床板混凝土質(zhì)量控制，要求抹面壓光時(shí)對(duì)軌枕塊四周的加強(qiáng)抹面，還是能夠有效減少“離縫”產(chǎn)生的。

5 整治方法

根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、無砟道床混凝土裂縫性質(zhì)和裂縫傷損等級(jí)，混凝土裂縫修補(bǔ)方法可分為表面封閉法、無壓注漿法和低壓注漿法。

5.1 表面封閉法

（1）用于表面封閉的涂層材料宜采用聚合物水泥基材。

（2）底層材料可采用高聚合物乳液含量的聚合物水泥基材料。

5.2 無壓注漿法

無壓注漿法修補(bǔ)混凝土裂縫應(yīng)采用低黏度樹脂材料，低黏度樹脂材料性能應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

5.3 低壓注漿法

（1）低壓注漿法修補(bǔ)混凝土裂縫宜采用滿足技術(shù)要求的樹脂材料。

（2）封縫材料可采用聚合物快硬水泥漿、專用封縫材料或?qū)Ｓ梅饪p帶等。

6 實(shí)施效果

滬昆客專云南段無砟軌道首件實(shí)施單位為中鐵三局四標(biāo)段，通過養(yǎng)護(hù)措施、混凝土坍落度控制、溫度變化控制、凹槽四角安裝防裂鋼筋、控制保護(hù)層厚度、假縫處切縫時(shí)間合理控制等措施，使滬昆客專云南段其他標(biāo)段無砟軌道作業(yè)質(zhì)量得到顯著提高，均未出現(xiàn)返工及質(zhì)量不合格現(xiàn)象，三標(biāo)段中鐵十二局的無砟軌道施工質(zhì)量得到鐵路總公司的高度評(píng)價(jià)并在全路推廣借鑒，特別是裂紋修補(bǔ)技術(shù)更是得到充分認(rèn)可，全部段落在靜動(dòng)態(tài)驗(yàn)收過程中全部評(píng)定為優(yōu)。

7 結(jié)束語

根據(jù)裂紋產(chǎn)生的各種原因及機(jī)理，結(jié)合滬昆線的環(huán)境特征，采取加強(qiáng)施工過程、原材料、工藝工法的控制，嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有效減少了無砟軌道裂紋產(chǎn)生的數(shù)量及概率。

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