雙塊式無(wú)砟軌道連續(xù)式道床板后澆帶施工工藝研究

張　岷

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安　710043)

雙塊式無(wú)砟軌道是一種埋入軌枕、現(xiàn)澆道床的軌道結(jié)構(gòu)形式，在我國(guó)武廣、鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)首次成功使用[1-2]。此后，由于其具有施工便捷、造價(jià)較低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路及城際鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，并形成了鐵路行業(yè)CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。但在應(yīng)用的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其存在一個(gè)難以克服的缺點(diǎn)——道床板裂紋。道床板的嚴(yán)重開(kāi)裂不但會(huì)直接影響到無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加了巨額的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，甚至?xí)绊懙叫熊?chē)安全[3]。目前，在施工過(guò)程中雖然已采取了結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝改進(jìn)、混凝土匹配設(shè)計(jì)、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等諸多措施，但效果并不顯著。為此，本文對(duì)道床板開(kāi)裂主要影響因素進(jìn)行了分析，對(duì)開(kāi)裂問(wèn)題尤為突出的路基段連續(xù)式道床板的施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，以消減道床板混凝土收縮、徐變，降低早期溫度應(yīng)力的影響，減少道床板開(kāi)裂。

1　雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)開(kāi)裂成因分析

1.1　結(jié)構(gòu)形式

圖1　路基段雙塊式無(wú)砟軌道(單位：m)

雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、現(xiàn)澆混凝土道床板、支承層(底座板)等組成。其中路基段采用連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)，僅在路橋或路隧分界點(diǎn)因不同結(jié)構(gòu)沉降差異而設(shè)置了變形縫，同時(shí)在路基分界兩端設(shè)置端梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)約束其縱橫向位移。由于路基段雙塊式無(wú)砟軌道采用了連續(xù)道床板結(jié)構(gòu)，道床板上部受鋼軌扣件約束，下部受支承層約束，且設(shè)置了端梁結(jié)構(gòu)約束其變形，混凝土所受的水平縱向應(yīng)力遠(yuǎn)大于垂直及橫向應(yīng)力，故易導(dǎo)致橫向開(kāi)裂[4]。

1.2　溫度應(yīng)力

路基段連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗裂檢算時(shí)，主要以溫度應(yīng)力控制[5]。溫度應(yīng)力取值以工點(diǎn)所在地區(qū)年最低氣溫為準(zhǔn)。按規(guī)范要求，施工溫度在5～30 ℃ 之間取值，考慮到雙塊式無(wú)砟軌道混凝土灌注通常選擇在當(dāng)日低溫時(shí)段進(jìn)行，一般可取10 ℃。因此，道床板溫降=10 ℃-施工期年最低氣溫。然而，在實(shí)際工程中由于受到環(huán)境、工期等因素的影響，混凝土的施工溫度波動(dòng)較大，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力作用將導(dǎo)致道床板混凝土開(kāi)裂。

1.3　混凝土收縮

混凝土收縮受諸多因素影響，其發(fā)展期較長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)檢算時(shí)一般將混凝土收縮率換算成溫降變化幅度，對(duì)于雙塊式無(wú)砟軌道連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)考慮折減后可按等效溫降15 ℃取值。道床板縱向設(shè)置上層9根、下層11根φ16鋼筋(配筋率0.86%)，裂縫寬度檢算允許的最大溫降約35 ℃。在混凝土收縮按等效溫降15 ℃ 取值時(shí)，允許的環(huán)境溫降為20 ℃，兩者的影響比重基本相當(dāng)。由于環(huán)境溫度無(wú)法改變，施工溫度調(diào)整空間又有限，因此如何減少混凝土收縮成為降低道床板開(kāi)裂的關(guān)鍵[6]。目前，在抑制道床板混凝土開(kāi)裂方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者、專(zhuān)家提出了諸多改良措施，如通過(guò)優(yōu)化配合比提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度和摻入內(nèi)養(yǎng)護(hù)材料降低混凝土收縮等[7-9]，取得了一定的效果。

1.4　施工方法

由于雙塊式無(wú)砟軌道道床板混凝土采用軌排框架法進(jìn)行施工，道床板與預(yù)制雙塊式軌枕間存在較多新老混凝土結(jié)合面，且施工時(shí)新澆混凝土直接暴露在空氣中，施工質(zhì)量易受環(huán)境因素影響，導(dǎo)致其開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步提高。施工現(xiàn)場(chǎng)雖已采取了潤(rùn)濕軌枕以增強(qiáng)新老混凝土結(jié)合力、振搗時(shí)避免漏振或過(guò)振、混凝土收面時(shí)嚴(yán)禁灑水、及時(shí)松開(kāi)工具軌夾板及扣件釋放工具軌溫度應(yīng)力、噴涂養(yǎng)護(hù)材料或鋪設(shè)節(jié)水保濕膜[10]等諸多措施，但仍無(wú)法根治路基段道床板貫通開(kāi)裂。

2　后澆帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及施工要點(diǎn)

通過(guò)分析雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)開(kāi)裂影響因素可知，路基段道床板嚴(yán)重開(kāi)裂的根本原因是其連續(xù)式結(jié)構(gòu)缺少內(nèi)部應(yīng)力釋放途徑。據(jù)此，本文在維持連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)形式不變的前提下，借鑒長(zhǎng)大連續(xù)梁設(shè)置合攏后澆帶的設(shè)計(jì)理念，從道床板先澆段分段長(zhǎng)度、后澆帶預(yù)留長(zhǎng)度、新老混凝土結(jié)合面加強(qiáng)及后澆帶施工控制4個(gè)方面開(kāi)展研究，將雙塊式無(wú)砟軌道道床板由連續(xù)施工方式改為設(shè)置后澆帶分段施工方式，釋放因早期收縮和溫度變化所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，以達(dá)到減少裂縫的目的。

2.1　先澆段分段長(zhǎng)度

先澆段分段長(zhǎng)度的確定直接關(guān)系到后澆帶設(shè)置數(shù)量及先澆段收縮釋放效果。后澆帶作為后期二次施工結(jié)構(gòu)，是整個(gè)軌道系統(tǒng)的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，且施工物流組織較為困難，因此應(yīng)盡量延長(zhǎng)先澆段長(zhǎng)度，減少后澆帶設(shè)置數(shù)量，但先澆段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，則越不能有效地釋放收縮力，兩者相互矛盾。因此，本文采用雙塊式無(wú)砟軌道道床板伸縮區(qū)的理念來(lái)指導(dǎo)確定先澆段分段長(zhǎng)度。后澆帶澆筑前，先澆段可視為單元式結(jié)構(gòu)，僅承受混凝土收縮、溫度荷載、結(jié)構(gòu)層間摩擦力或黏結(jié)力約束作用。計(jì)算模式見(jiàn)圖3。

圖3　道床板伸縮區(qū)計(jì)算模式

由于道床板與支承層處于黏結(jié)狀態(tài)，僅板端局部在溫度及收縮作用下產(chǎn)生剝離，溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力主要是通過(guò)支承層假縫釋放，進(jìn)而導(dǎo)致支承層與級(jí)配碎石層間產(chǎn)生相對(duì)位移。因此，為便于分析可采用如下假定：①道床板與支承層黏結(jié)牢固；②支承層假縫完全開(kāi)裂；③應(yīng)力釋放在支承層與級(jí)配碎石層間。

伸縮區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算公式：X=E×ΔT×a×(A/r)。其中：E為混凝土彈性模量，C40混凝土取3.25×104N/mm2，C15混凝土取2.2×104N/mm2；ΔT為溫降幅度(含收縮折算溫降)；a為混凝土線(xiàn)膨脹系數(shù)，取1×10-5/℃；A為混凝土截面積，道床板取0.728 m2，支承層取1.02 m2；r為支承層與級(jí)配碎石層間摩阻系數(shù)，取值范圍為 2 200～2 800 N/mm。

由該計(jì)算公式可以看出：除了溫度參數(shù)，其余參數(shù)均為定值，伸縮區(qū)長(zhǎng)度只與溫降幅度ΔT相關(guān)，推導(dǎo)可得：X=0.184 4ΔT。計(jì)算出不同溫降幅度下伸縮區(qū)長(zhǎng)度,見(jiàn)表1。

表1　不同降溫幅度下伸縮區(qū)長(zhǎng)度

選擇極端最低溫度-18.9 ℃，最大溫降44.7 ℃(含收縮折算溫降)，伸縮區(qū)長(zhǎng)度計(jì)算值為8.3 m。先澆段分段長(zhǎng)度應(yīng)為伸縮區(qū)長(zhǎng)度的2倍，即16.6 m。結(jié)合目前我國(guó)單元式道床板最長(zhǎng)為20～30 m，先澆段分別按20，40 m長(zhǎng)度進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)最終確定。

2.2　后澆帶預(yù)留長(zhǎng)度

針對(duì)雙塊式無(wú)砟軌道連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，后澆帶形式及其預(yù)留長(zhǎng)度主要取決于道床板鋼筋是否斷開(kāi)。采用連續(xù)鋼筋和短后澆帶的形式雖然具有二次施工量小、無(wú)需倒運(yùn)軌排和便于施工的優(yōu)點(diǎn)，但由于鋼筋連續(xù)而不能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)單元化，釋放溫度及收縮應(yīng)力的能力不足，不但抑制道床板裂縫效果不佳，還會(huì)帶來(lái)溫升時(shí)道床板上拱的問(wèn)題[11]。因此，后澆帶必須采用鋼筋徹底斷開(kāi)的形式。由于后澆帶鋼筋完全斷開(kāi)的后澆帶長(zhǎng)度主要受控于道床縱向鋼筋配置，連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)縱向配筋搭接長(zhǎng)度不得小于0.7 m，不同搭接斷面間距不得小于1 m，故理論上后澆帶最小長(zhǎng)度不得小于1.7 m?？紤]到軌枕間距一般為0.60～0.65 m，為保證雙塊式軌枕四周結(jié)構(gòu)的完整性，后澆段最小長(zhǎng)度應(yīng)按3個(gè)軌枕間距即1.80～1.95 m控制(見(jiàn)圖4)。

圖4　鋼筋斷開(kāi)的后澆帶結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.3　結(jié)合面加強(qiáng)措施

在確定后澆帶長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，考慮到大溫差下連續(xù)式道床板可能存在與下部結(jié)構(gòu)剝離的風(fēng)險(xiǎn)，在后澆帶范圍內(nèi)設(shè)置了2排8根連接鋼筋，加強(qiáng)道床板與支承層的豎向連接(見(jiàn)圖5)，以保證道床板長(zhǎng)期的整體穩(wěn)定性。

圖5　后澆帶連接鋼筋布置(單位:mm)

后澆帶與先澆段之間界面屬于新老混凝土結(jié)合面，采用后澆工藝雖未改變結(jié)構(gòu)整體性，但該結(jié)合面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)增大。因此，在該結(jié)合面處的道床板表層預(yù)留寬10 mm、深10 mm的灌注縫，采用有機(jī)硅酮灌注封閉，防止后期開(kāi)裂鋼筋銹蝕，見(jiàn)圖6。

圖6　結(jié)合面灌注縫(單位：mm)

2.4　施工要點(diǎn)

后澆帶施工工藝作為雙塊式無(wú)砟軌道施工的一種新型工藝，其關(guān)鍵在于道床板的分段澆筑，在保證無(wú)砟軌道平順性的前提下，盡可能地釋放混凝土收縮力，精細(xì)化施工各結(jié)合面，保證最終成品的整體性?；谏鲜鲈瓌t提出如下施工要點(diǎn)：

1)無(wú)砟軌道先澆段道床板澆筑時(shí)，后澆帶鋼筋及軌枕均應(yīng)一次鋪設(shè)并精調(diào)到位，二次澆筑后澆帶時(shí)需復(fù)測(cè)其幾何尺寸。

2)后澆帶施工與先澆段澆筑的時(shí)間間隔應(yīng)不小于1個(gè)月，并應(yīng)盡量在接近當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁氐臏囟认逻M(jìn)行后澆帶施工。

3)先澆段道床板端部應(yīng)保證垂直，在后澆帶澆筑時(shí)，對(duì)該結(jié)合面進(jìn)行鑿毛、清理、潤(rùn)濕。

3　現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

結(jié)合寶蘭客專(zhuān)無(wú)砟軌道工程實(shí)際，采用確定的后澆帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及施工保證措施，開(kāi)展后澆帶試驗(yàn)。試驗(yàn)段共實(shí)施6個(gè)段落，其中先澆段長(zhǎng)度20 m的試驗(yàn)段3處，合計(jì)1.9 km(鋪軌)，先澆段長(zhǎng)度40 m的試驗(yàn)段3處，合計(jì)1.8 km(鋪軌)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的長(zhǎng)期觀測(cè)，得出：①傳統(tǒng)工法橫向裂縫間距一般在2～5 m；②先澆段長(zhǎng)度為20 m的試驗(yàn)段，除與下部基礎(chǔ)結(jié)合部(如樁板結(jié)構(gòu)伸縮縫)出現(xiàn)個(gè)別橫向裂縫外，裂縫數(shù)量較傳統(tǒng)工法大幅減少；③先澆段長(zhǎng)度為40 m的試驗(yàn)段除與下部基礎(chǔ)結(jié)合部出現(xiàn)裂縫外，還在道床板10～20 m內(nèi)出現(xiàn)橫向貫通裂縫；④將后澆帶長(zhǎng)度調(diào)整為3 m左右，后澆帶新老混凝土結(jié)合面的位置與支承層假縫及下部基礎(chǔ)伸縮縫相對(duì)應(yīng)時(shí)，裂縫數(shù)量約減少60%。

4　結(jié)論

1)雙塊式無(wú)砟軌道道床板采用后澆帶法施工，先澆段長(zhǎng)度20 m，后澆帶預(yù)留長(zhǎng)度3 m，與傳統(tǒng)連續(xù)澆筑法相比，道床板橫向裂縫有效減少。

2)在后澆帶與先澆段的結(jié)合面處設(shè)置寬10 mm、深10 mm的灌注縫，采用有機(jī)硅酮灌注封閉，可防止結(jié)合面離縫引起的滲水問(wèn)題。

3)在最低氣溫-10 ℃以下的地區(qū)，雙塊式無(wú)砟軌道連續(xù)式道床板后澆帶施工工藝尤其具有推廣使用的價(jià)值。

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