隧道内CRTSI型双块式无砟轨道道床板裂纹控制研究

隧道内 CRTSI 型双块式无砟轨道道床板裂纹控制研究

李大潭

中铁十局三公司

摘要：针对高速铁路隧道内CRTSI型双块式无砟轨道道床板混凝土易开裂的现象，通过实际工程施工控制研究，从材料和施工方面提出了防治和处理道床板裂纹的具体措施，对今后高速铁路隧道内现浇混凝土道床板的施工具有借鉴意义。

关键词：隧道 无砟轨道 裂纹 成因 防治

1.前言

在高速铁路CRTSI型双块式无砟轨道施工过程中，现浇混凝土道床板开裂现象非常普遍，尤其是隧道内道床板，不像桥涵道床板按单元板形式设置，也不像路基道床板有支承层分担张拉力，而是直接浇筑在仰拱填充面上，受地质围岩变化、仰拱不均匀沉降、温度等影响，道床板裂纹较多。其中典型常见的裂纹形式有轨枕角八字裂纹、横向贯通裂纹、轨枕周边离缝及道床板表面龟裂等。裂纹会导致道床板混凝土劣化，降低道床板的使用寿命，预防控制道床板裂纹尤其是隧道内道床板裂纹极为迫切。

2.工程概况

新建铁路宝鸡至兰州客运专线（甘肃段）BLTJ-1标段自DK683+620至DK709+412，线路长度25792m，隧道占比92.9%，隧道地段无砟轨道全长47911单线米。隧道内无砟轨道道床板直接浇筑在仰拱回填或底板上，混凝土等级为C40，直线地段结构尺寸为：宽度2800mm，厚度260mm，曲线超高在道床板上设置，采用外轨抬高的方式，在缓和曲线范围内线性过渡。

混凝土配制遵循“低胶材用量、低用水量、低坍落度、高含气量”（三低一高）的原则，胶凝材料用量控制在320～330 kg/m3，单方用水量为100～120 kg/m3，混凝土坍落度为120～140mm，出机含气量为4%～6%，洞口200米范围内混凝土添加内养护材料。

为保证洞内施工环境温度，同时避免隧道内贯通风对混凝土的质量影响，无砟轨道施工前已对洞口进行封闭。洞内环境温度在10℃～18℃范围内,混凝土入模温度基本控制在10℃～15℃范围内，每100米设1道变形缝。

无砟轨道混凝土施工采用斗送，现场安排专职试验人员对混凝土塌落度、含气量、混凝土入模温度进行现场测定，严格控制混凝土各项指标满足规范要求。混凝土采用覆盖土工布后浇水养护，养护时间为14天以上。

隧道无砟道床一般设计断面图

3.裂纹统计

无砟轨道施工期间，安排专人定期对成品道床板进行排查，标记裂纹类型及位置。

（1）裂纹种类：主要有轨枕角八字裂纹、横向贯通裂纹、轨枕周边离缝及道床板表面龟裂四种。

（2）裂纹分布：隧道洞口200米，每100单线米有横向贯通裂纹2.4处、八字裂纹3.2处、轨枕周边离缝3.1处、道床板表面龟裂0处；洞口200米往内，每100单线米有横向贯通裂纹1.9处、八字裂纹8.9处、轨枕周边离缝1.4处、道床板表面龟裂1.3处。

（3）裂纹宽度统计：八字裂纹宽度在0.05～0.2mm之间，横向贯通裂纹宽度在0.05～0.4mm之间，轨枕周边离缝在0.2～0.5mm之间。

（4）道床板混凝土裂纹出现在浇筑后40～60天之间。

4.成因分析

引起道床板裂纹的原因可分为两类，一是由包括常规结构计算中的主要应力及其他结构次应力在内的外荷载造成的受力裂纹；二是由混凝土材料变形造成的裂纹，主要是混凝土的塑性收缩、温度收缩、自生收缩及碱骨料反应等因素引起的裂纹。具体原因如下：

（1）仰拱不均匀沉降引起的裂纹

隧道内仰拱施工过程中，由于每一模仰拱基底开挖后处理的情况不尽相同，仰拱沉降后引起施工缝处道床板混凝土开裂。

（2）不同围岩级别之间不均匀沉降引起的裂纹

隧道内不同围岩级别对应基底地基承载力不同，仰拱混凝土浇注后产生不均匀沉降引起道床板混凝土开裂。

（3）工具轨收缩引起的裂纹

双块式无砟轨道道床板混凝土浇注后若不及时松开钢轨扣件，钢轨的温度变化引起收缩将带动轨枕在新浇混凝土中移动从而产生裂纹。

（4）混凝土原材料、配合比不合格引起的裂纹

混凝土中砂石骨料含泥量超标、砂石骨料中碱含量超标、水泥用量过大、搅拌混凝土用水量过大都会引起道床板混凝土开裂。

（5）温度裂纹

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂纹。 

温度裂纹产生主要原因是由温差造成的。温差可分为三种：水化热引起的混凝土内外温差、结构整体的温度升降差、结构从上表面至下表面的温度梯度。温度裂纹区别其他裂纹最主要特征是随温度变化而变化。

（6）混凝土干缩引起的裂纹

混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失，湿度逐渐降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表面层水分散发快，内部散发慢，因此产生表面收缩大，内部收缩小的不均匀收缩。表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉应力，当表面混凝土承受拉应力超过其抗拉强度时，会产生收缩裂纹。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，混凝土易开裂。

（7）混凝土塑性收缩引起的裂纹

这种裂纹一般为水泥用量大，养护不及时，未进行二次收浆抹面，混凝土表层水泥砂浆不均匀收缩导致裂纹，短期裂纹较浅，危害不大，但长期在动载的作用下会扩展。

（8）施工操作不当引起的裂纹

现场混凝土施工受环境和施工人员操作技能等影响，普遍存在如下情况：浇注混凝土时插入或振捣不当、漏振、过振，混凝土养护措施不到位，混凝土早期脱水，拆模过早或拆除不当都会引起混凝土开裂。

（9）新旧混凝土不良黏结裂纹 

道床板与双块式轨枕的周边属于新、旧混凝土的结合部位，且轨枕表面无附加处理措施，造成新、旧混凝土结合效果较差，常出现由于新旧混凝土黏结不良而引起的裂纹。 

5.防治措施

由于道床板混凝土裂纹的产生同时受到多种因素的影响，其质量的控制可从混凝土原材料、施工工序等各个环节实行综合控制，具体措施如下：

（1）加强对隧道变形观测，并对结构沉降进行评估，待沉降变形趋于稳定时施作双块式无砟轨道道床板，以消除结构变形引起的裂纹。

（2）严格按照耐久性混凝土有关要求进行配合比设计。考虑碱骨料反应，在选择混凝土原材料时控制碱含量，避免因碱骨料反应而引起混凝土开裂。减少水胶比，在满足道床板混凝土设计强度情况下，尽量减少水泥用量。尽量选用水化热低的水泥，严格控制砂石集料的含泥量，选用级配良好的砂石集料。在满足混凝土泵送条件下尽量降低混凝土的坍落度。

（3）道床板浇注应尽量选择在气温较低时进行施工，避免混凝土内外温差过大。加强混凝土的振捣，振捣捧快插慢拔，避免过振漏振。混凝土浇注完成后，应加强多次抹面收光，排除泌水、气泡。施工完应及时覆盖、洒水养护，使混凝土表面呈湿润状态。

（4）道床板混凝土浇筑后应及时解除螺栓调节器和松开轨道扣件对工具轨的约束，避免钢轨伸缩造成道床板开裂。

（5）合理设置道床板变形缝间距，原设计100米可缩减至50米，提前布局，尽量使伸缩缝的位置与隧道仰拱施工缝横断面对齐。

（6）对混凝土添加内养护材料能有效预防八字裂纹、表面龟裂等细小裂纹的出现。

6.处理措施

道床板出现裂纹的原因复杂，即使设计和施工上采取了很多措施，仍难以避免道床板的开裂。工务段在对无砟轨道的日常检查中发现裂纹应及时进行处理，防止裂纹的进一步发展导致整个道床的损坏。根据无砟轨道结构特点、混凝土裂纹性质和伤损等级，混凝土裂纹修补方法可分为表面封闭法、压力注浆法及开槽修补法。

（1）表面封闭法

表面封闭法适用于裂纹宽度在0.2mm以下、对结构影响不大的静止裂纹，是最简单最普通的裂纹修补方法。采用低黏度的液态树脂直接涂于清理干净的缝口表面，通过密封裂纹来防止水、二氧化碳及化学物质的侵入。

（2）压力注浆法

压力注浆法适用于宽度0.2mm以上的裂纹，通过橡胶管自动完成注浆，借助注浆橡胶管收缩产生的压力及内外压力差对裂纹末端完成注浆。

（3）开槽修补法

开槽修补法适用于宽度大于0.5mm的裂纹，这种方法可以有效利用修补胶自身的高抗拉强度，以达到粘结、键合、恢复道床板整体性的目的。首先使用角磨机沿道床裂纹开“V”形槽，再利用钢丝刷及压缩空气将“V”形槽周围碎屑、粉尘清除干净，按照配比将修补胶搅拌均匀灌入裂纹，注意注入时压力不宜过大，防止大压力破坏裂纹，待固化后修补裂纹表面不平整处，使用小型打磨机沿裂纹依次打磨，以达到裂纹表面平整，最后进行抗氧化处理。

7.结语

高速铁路隧道内CRTSI型双块式无砟轨道结构道床板开裂是不可避免的，为确保无砟轨道达到设计使用寿命，在无砟轨道结构设计和施工中，应给予充分重视。我们需不断积累经验、提高对高性能混凝土的认识，从原材料质量、配合比优选、混凝土搅拌、运输、浇筑、振捣、抹面、养护等各个环节严把质量关，以减少道床板开裂。当道床板产生裂纹后，应针对不同宽度的裂纹认真研究、区别对待，采取合理的方法进行处理，以保证无砟轨道安全、稳定的工作。

参考文献

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