哈大高鐵橋梁與路基保護層密封及防護技術

劉偉平

（哈大鐵路客運專線有限公司，遼寧沈陽　110002）

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哈大高鐵橋梁與路基保護層密封及防護技術

劉偉平

（哈大鐵路客運專線有限公司，遼寧沈陽110002）

摘要哈大高鐵是世界上第一條修建于嚴寒地區(qū)的采用無砟軌道的高速鐵路，建設及運營管理均無成熟經(jīng)驗可供借鑒。針對哈大高鐵出現(xiàn)的橋梁與路基防水保護層混凝土粉化、掉塊，伸縮縫開裂、剝離，路基凍脹現(xiàn)象，分析其原因，并通過系統(tǒng)性的試驗研究，確定采用PPU薄涂型聚氨酯防水漆進行混凝土表面封閉防護、采用低彈性模量密封膠嵌縫密封的整治方案。2013年進行了2 380. 3 m的試驗段整治施工，2014年進行了12 361 m的擴大試驗段整治施工。試驗結果表明，聚氨酯防護涂層對防止保護層混凝土粉化效果明顯，并與嵌縫密封材料共同作用，有效防止地表水下滲，抑制了路基凍脹，使軌道幾何狀態(tài)得到了明顯優(yōu)化。

關鍵詞嚴寒地區(qū)；高速鐵路；保護層；粉化；路基凍脹；整治

1　概述

哈大高鐵是我國第一條高寒地區(qū)高速鐵路，線路全長903 km，設計速度350 km/h，于2007年8月開工建設，2012年12月1日開通運營，初期運營速度定為300 km/h，冬季暫按200 km/h運營。

自開通運營以來，線路狀態(tài)平穩(wěn)。但是由于沿線晝夜溫差大，在反復凍融作用下線間和路肩防水保護層混凝土陸續(xù)發(fā)生粉化、掉塊問題，路基產(chǎn)生凍脹變形。

自2012年6月以來，全線各施工單位和工務部門對保護層粉化和掉塊問題進行了大規(guī)模集中清理，共清理橋梁地段44. 4 km、路基地段20 km。開通運營后，保護層粉化、掉塊問題因凍融循環(huán)呈不斷惡化趨勢。每年春季開始實施夏季運行圖、動車開行速度達到300 km/h后的2周內發(fā)生混凝土掉塊擊打列車，影響行車安全。保護層粉化、掉塊的清理已成為維修管理單位一項常態(tài)化工作。對保護層混凝土采取防護措施已勢在必行。

針對路基凍脹變形問題，為降低凍融期間地下水位，在沿線開通運營前采取了增設盲溝的措施，排水效果良好。但由于大氣降水下滲，凍脹問題仍難避免。其主要原因是在混凝土熱脹冷縮作用下保護層結構縫采用的既有嵌縫材料的密封防水作用失效及封閉層凍融粉化后滲水，因此急需研究滿足嚴寒地區(qū)氣候特點的封閉材料和技術。

2　病害原因分析

2. 1保護層混凝土病害原因分析

經(jīng)調查測試，哈大客專防水保護層粉化深度一般在0. 3～2. 0 cm，部分已露鋼筋。

由于哈大客專沿線晝夜溫差大（歷史最低溫度- 39. 9℃、最高溫度39. 8℃）、冬季降雪多，在反復凍融作用下，加之水分的滲入，極易導致橋梁、路基地段防水保護層混凝土產(chǎn)生粉化、掉塊現(xiàn)象，并隨著時間的增加逐層粉化，直至露筋掉塊。由于防水保護層混凝土級別低，加之現(xiàn)場施工缺陷，水滲入孔隙，又加劇了凍融，使粉化掉塊現(xiàn)象惡化，構成較大隱患。

2. 2接縫封堵失效原因分析

調查發(fā)現(xiàn)，防排水措施存在的系統(tǒng)性問題導致地表水下滲是路基凍脹的重要原因之一。路基表層各種結構縫如混凝土底座板間的沉降縫、纖維混凝土間的伸縮縫、纖維混凝土與底座板間的接縫，其采用的瀝青軟膏或聚氨酯等封堵材料在混凝土熱脹冷縮作用下會壓縮與脫裂，導致接縫封堵失效，地表水下滲，從而加速路基凍脹發(fā)生。

接縫開裂原因可從密封材料的位移量及形狀系數(shù)2個方面分析。

影響接縫位移量的主要因素包括熱位移、潮濕膨脹位移、荷載作用位移。其中熱位移是最主要的影響因素。如果僅考慮熱膨脹的影響則材料尺寸變化量可使用下式計算。

式中：L是材料尺寸；ΔT表示預期溫差；a是混凝土的線性熱膨脹系數(shù)。

如果夏天混凝土的表面溫度達到60℃，冬天最低氣溫達到- 40℃，則ΔT為100℃。底座板的長度為10 m?；炷恋木€性熱膨脹系數(shù)a取12×10- 6。板式軌道底座板伸縮縫的最大位移量經(jīng)計算為12 mm。

如果密封膠的施工溫度為20℃，則其拉伸變形量為7. 2 mm，相當于伸縮縫寬度的36％。

混凝土封閉層橫縫間距為5 m，縱縫間距約為3 m。同理相應密封膠20℃施工的拉伸變形量分別為3. 60，2. 16 mm，相當于伸縮縫寬度的30％和18％。

通過計算發(fā)現(xiàn)在理想的條件下，上述3種接縫的拉伸變形量分別相當于伸縮縫寬度的36％，30％，18％。瀝青類嵌縫材料無法滿足要求。建筑用聚氨酯類密封材料的變形能力也很少有＞±25％的，加之使用密封膠的形狀系數(shù)不合理，因此上述接縫密封材料的開裂和脫落幾乎是不可避免的。

3　整治方案設計

3. 1防護材料要求

封閉漆、聚氨酯面漆性能要求分別見表1、表2。

表1　封閉漆性能要求

表2　聚氨酯面漆性能要求

3. 2嵌縫密封材料要求（表3）

表3　嵌縫密封材料的性能要求

3. 3防護涂層及接縫密封技術方案

防護涂層施工前必須徹底清除保護層混凝土的浮漿、粉化層及剝離、酥松部分，做好基面裂縫等缺陷修補，做好轉角部位及混凝土接縫的密封施工。

3. 3. 1防護涂層基本構成

防護涂層的基本構成為封閉漆+底面漆+表面漆。涂層厚度≥200 μm，其中封閉漆無厚度要求，底面漆的干膜厚度≥100 μm，表面漆的干膜厚度≥100 μm。

3. 3. 2基層處理

1）保護層混凝土強度＞C20，清理后平整、密實、無麻面時可直接進行防護涂層施工。

2）保護層混凝土強度＞C20，清理后基面存在不平整（如麻面）或潮濕時，應先施工找平層，再進行防護涂層施工。找平層由水性環(huán)氧和P. O. 42. 5水泥配合而成，厚度為1～2 mm，主要起封孔、找平及對基面水分的封閉作用，與混凝土基面（含潮濕基面）及封閉漆具有良好的附著力。

3）保護層混凝土強度在C10～C20時，應先施工補強層，再進行防護涂層施工。補強層由高滲透性樹脂滲入混凝土中構成，滲入深度≥2 mm，主要起補強作用，與混凝土基面及封閉漆具有良好的附著力，補強層也可采用聚合物改性水泥砂漿。

4）保護層混凝土中存在裂縫時應修補后再進行防護涂層施工。裂縫寬度＜0. 2 mm時可采用柔性環(huán)氧注漿膠進行3次以上刷涂，讓漿液自然滲入裂縫中，至裂縫不再吸收漿液為止；裂縫寬度≥0. 2 mm時則先沿裂縫切出V形槽，然后用聚合物砂漿堵塞修補。

5）保護層混凝土局部出現(xiàn)嚴重開裂、掉塊、強度≤C10時，應徹底清理，重新施工，再進行防護涂層施工。3. 3. 3轉角部位及接縫處理

保護層混凝土與底座板、防撞墻轉角部位及混凝土接縫處理應先清除原封堵材料，再進行密封膠和防護涂層施工。施工須遵照《哈大客專路基面混凝土接縫密封膠暫行技術條件》。

4　整治方案的實施

試驗段整治施工基本流程見圖1。

圖1　試驗段整治施工基本流程

2013年的試驗段整治施工自8月開始，10月完成。共計施工2 380. 3 m，其中橋梁段為400. 3 m，路基段為1 980 m。

2014年擴大整治范圍，自8月開始施工，9月完成。共計施工12 361 m，其中橋梁段9 004 m，路基段3 357 m。

5　整治效果

為驗證聚氨酯防護涂層整治效果，2015年4月5—20日對各個試驗段凍融整治效果進行了現(xiàn)場調查。

5. 1總體情況

調查顯示大部分防護涂層外觀較平整，無剝離、開裂、黃變等現(xiàn)象，附著力符合要求，可有效防止雨水下滲。路基段凍害程度顯著降低，路基、橋梁段混凝土粉化、掉塊現(xiàn)象基本得到控制。

5. 2檢測情況

經(jīng)2個凍融循環(huán)后對2013年施工的聚氨酯防護涂層試驗段附著力進行復測，復測結果與2013年檢測結果變化不明顯。針對2014年施工試驗段的聚氨酯防護涂層也進行了抽樣檢測，每個區(qū)段選取檢測點9個。2013—2014年所施工的聚氨酯防護涂層各測點均滿足技術要求，涂層附著力檢測合格。

5. 3凍脹整治效果

根據(jù)近2年的跟蹤檢測，路基段采取聚氨酯防護涂層及符合《哈大客專路基面混凝土接縫密封膠暫行技術條件》的密封膠對纖維混凝土保護層及各種縫隙進行了封堵，地表水下滲問題得到明顯緩解，路基凍脹得到抑制，軌道幾何狀態(tài)得到了明顯優(yōu)化。說明運營期間采取表層封閉措施對減少地表水下滲，防護路基凍脹是有效的。

K186 + 551—K187 + 100段路基凍脹的檢測結果如下。

1）人工觀測結果。2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年人工觀測的路基凍脹變形最大值分別為18. 0，6. 8，2. 2 mm，平均值分別為9. 0，2. 2，1. 4 mm。

2）自動監(jiān)測結果。在K186 + 600，K186 + 650，K186 + 910共3處設置了自動監(jiān)測斷面。選取凍脹量自動監(jiān)測最大值進行對比，見表4。根據(jù)近3年自動監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，凍脹變形值明顯減小。

表4　路基凍脹量自動監(jiān)測最大值對比

3）動態(tài)檢測結果。對近3年綜合檢測列車動態(tài)檢測結果進行統(tǒng)計，2013-02-20，2014-02-19，2015-02-17檢測的Ⅰ級超限處所分別為16，1，1處；Ⅱ級超限處所分別為3，0，0處。

4）凍害現(xiàn)場核查結果。2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年現(xiàn)場檢查的凍害數(shù)量分別為8，3，2處；最大凍脹變形量分別為10. 0，10. 0，4. 5 mm，凍害最大長度分別為30，20，10 m。

5. 4混凝土粉化整治效果

根據(jù)現(xiàn)場調查情況，經(jīng)過2個凍融循環(huán)，試驗段防護涂層大部分連續(xù)完整，無涂層脫落現(xiàn)象發(fā)生。個別路段由于未清除強度過低的基層混凝土，出現(xiàn)防護涂層破損、剝離、空鼓等缺陷。

6　結論

1）試驗段路基凍脹的人工觀測、自動監(jiān)測及動態(tài)檢測結果表明，采用密封膠和聚氨酯防護涂層可有效防止地表水下滲，抑制路基凍脹程度，使軌道幾何狀態(tài)明顯優(yōu)化，為線路的安全運營及后續(xù)冬季提速奠定了基礎。

2）聚氨酯防護涂層對防止保護層混凝土粉化效果明顯，有效地阻止了濕氣及雨水滲入，基本達到了阻止纖維混凝土保護層繼續(xù)粉化、掉塊的目的，有效減少了維修工作量。

3）試驗段采用的密封膠在經(jīng)過2個冬季運營考驗后，未出現(xiàn)開裂、剝離現(xiàn)象，表明《哈大客專路基面混凝土接縫密封膠暫行技術條件》所確定的密封膠技術指標可滿足嚴寒及高鐵運營振動條件下的使用要求。

4）個別路段防護涂層存在表面漆破損、剝離，防護涂層剝離、空鼓等缺陷，但多數(shù)缺陷是由基層混凝土強度過低引起，附著力測試與缺陷調查情況證實涂層與基層的附著力良好，表明試驗選用的聚氨酯涂料及防護體系可滿足哈大高鐵嚴寒條件下的使用要求。

5）試驗段聚氨酯防護涂層整治效果基本達到預期要求，但涂層施工對基層混凝土強度和環(huán)境條件有較為嚴格的要求，受制于基層混凝土強度低、基面潮濕、夜間施工、作業(yè)時間短等客觀條件，造成施工成本較高，很難完全避免整治后個別路段繼續(xù)出現(xiàn)涂層剝離、空鼓等缺陷。因此，建議繼續(xù)開展新技術、新材料的試驗研究工作，針對現(xiàn)場需要，簡化施工工藝及作業(yè)程序，降低施工造價，并提高耐久性，增加使用年限。

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（責任審編李付軍）

Study on Sealing and Protection Technology for Protective Layer of Bridge and Subgrade on Harbin -Dalian High Speed Railway

LIU Weiping
（Harbin-Dalian Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110002，China）

AbstractHarbin -Dalian high speed railway is the first one which adopts slab-type ballastless track and is located in cold region. No experience of construction and operation management was available. Different damage types of Harbin -Dalian high speed railway，such as concrete efflorescence，spalling，expansion joint cracking and subgrade frost heaving，were analyzed. PPU polyurethane waterproofing coating was suggested to cover concrete surface，and low-elastic-modulus sealant was used for inlay sealing. T his technology had been applied to 2 380. 3 m railway in 2013 and 12 361 m in 2014. T he application results showed that polyurethane coating effectively prevented concrete efflorescence. In particular，the coating and the inlay sealing prevented the infiltration of surface water，and thus the subgrade frost heaving was controlled. In this way，the track geometry status was improved significantly.

Key wordsCold region；High speed railway；Protective layer；Efflorescence；Subgrade frost heaving；T reatment

中圖分類號U213. 1

文獻標識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 37

文章編號：1003-1995（2016）05-0162-04

收稿日期：2016-02-17；修回日期：2016-03-21

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃（Z2012-062）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃（2014G001-H）

作者簡介：劉偉平（1960—），男，高級工程師。