高速鐵路隧道道床板裂紋成因分析及控制技術(shù)

程文強

摘 要：隨著我國高速鐵路無砟軌道技術(shù)的發(fā)展和十幾年的探索，通過進行經(jīng)濟比選，目前國內(nèi)大多數(shù)高速鐵路采用有砟軌道，僅有隧道及隧道群內(nèi)采用無砟軌道，本文以張呼鐵路無砟軌道為例，從施工、設(shè)計和環(huán)境等多個方面對無砟軌道道床板裂紋產(chǎn)生的原因和控制措施進行分析和研究，研究結(jié)果表明嚴寒地區(qū)隧道無砟軌道道床板裂紋的產(chǎn)生與隧道沉降縫、仰拱及填充沉降縫、道床板伸縮縫的設(shè)置、軌排之間魚尾板及軌排扣件松動時間及施工工藝息息相關(guān)，并表述了相關(guān)的控制措施，為今后嚴寒地區(qū)高速鐵路無砟軌道設(shè)計和施工提供借鑒。

關(guān)鍵詞：嚴寒地區(qū);隧道;無砟軌道道床板;裂紋成因;控制措施

0 引言

自2004年9月遂（四川遂寧）渝（重慶）鐵路建設(shè)，我國首條無砟軌道試驗段開始綜合試驗，到2009年12月26日武廣高速鐵路投入運行直至現(xiàn)今，無砟軌道先后應(yīng)用了RHEDA雙塊式、CRTS-Ⅰ型、CRTS-Ⅱ型、CRTS-Ⅲ型無砟軌道技術(shù)。無砟軌道具有的高穩(wěn)定性、少維修和壽命長的優(yōu)點均被業(yè)內(nèi)人士認可，但建設(shè)期間的質(zhì)量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，修復(fù)工作較有砟軌道修復(fù)工作比較復(fù)雜，且需要大量費用和時間，一旦損壞引起封閉線路維修將產(chǎn)生很大的經(jīng)濟損失和社會影響，而在建設(shè)無砟軌道之前，絕大部分經(jīng)濟研究并沒有考慮無砟軌道到了壽命周期后高昂的再建費用，最近幾年無砟軌道建設(shè)規(guī)模銳減。但通過十幾年的摸索發(fā)現(xiàn)，由于限制基礎(chǔ)的長期沉降需要維護，橋梁和路基上的無砟軌道經(jīng)濟效益較差，比有砟軌道要多出2倍，但隧道內(nèi)的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經(jīng)濟效益[1]。而影響隧道內(nèi)無砟軌道使用壽命的重要的一項就是道床板裂紋。本文以張家口至呼和浩特高速鐵路隧道群無砟軌道為例，通過3年時間對道床板裂紋的產(chǎn)生、發(fā)展和原因進行系統(tǒng)的研究，并通過積累施工經(jīng)驗，提供理論依據(jù)，從而指導(dǎo)嚴寒地區(qū)隧道內(nèi)無砟軌道的設(shè)計和施工。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

張呼鐵路隧道及隧道群內(nèi)采用CRTS-1型雙塊式無砟軌道，隧道地段道床板寬度2 800 mm、一般地段厚度為260 mm，

隧道洞口195 m范圍內(nèi)或在有砟與無砟分界點195 m范圍內(nèi)道床板采用分塊澆筑，每隔19.5 m設(shè)置2 cm伸縮縫，洞口195 m范圍外道床板采用連續(xù)澆筑。

1.2 軌道板裂紋情況

從無砟軌道道床板澆筑至聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，對大尖山隧道群無砟軌道中的三號隧道195 m范圍內(nèi)道床板和洞內(nèi)連續(xù)段60 m道床板裂紋情況進行了為期3年的觀測，觀測結(jié)果如下：

1.2.1 洞口段板塊（19.5 m）裂紋情況

①混凝土澆筑完成后僅有少數(shù)軌枕四周有輕微的八字裂紋，八字裂紋的數(shù)量隨著一個凍融期后明顯增加，在經(jīng)歷第二個凍融期后裂紋變化不大，趨于穩(wěn)定，聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間在動荷載作用以后，八字裂紋數(shù)量有明顯增加。

②洞口段道床板裂紋數(shù)量明顯多于洞內(nèi)連續(xù)段裂紋數(shù)量，在道床板完成6個月后，在對應(yīng)隧道仰拱施工縫位置道床板上出現(xiàn)“7字”裂紋，1年后該裂紋沿道床板橫向貫通，相應(yīng)仰拱填充沿道床板貫通裂紋位置也產(chǎn)生裂紋。

1.2.2 洞內(nèi)60 m連續(xù)段裂紋情況

洞內(nèi)無砟軌道道床板裂紋數(shù)量明顯少于洞口段，但隨著時間的推移，在1年后在隧道仰拱施工縫位置道床板上出現(xiàn)1條橫向的貫通裂紋，再過1年后在距離上道貫通裂紋30 m左右的仰拱施工縫位置道床板上又出現(xiàn)1條橫向的貫通裂紋，其他裂紋隨著時間的推移，裂紋的數(shù)量和發(fā)展并不明顯。

2 裂紋成因分析

2.1 混凝土振搗不到位引起

道床板澆筑過程中，混凝土布料時未從一側(cè)向另一側(cè)擠壓式布料或布料不均勻，振搗棒振搗時未對軌枕下部進行加強振搗，導(dǎo)致軌枕下部混凝土不密實，在軌排扣件松動時，軌枕下沉造成軌枕周圍混凝土擾動，產(chǎn)生肉眼不可見的八字裂紋，后期在熱脹冷縮和荷載作用下，裂紋開始發(fā)展。

2.2 軌排對軌枕的束縛引起

嚴寒地區(qū)一天之內(nèi)溫差較大，混凝土澆筑后未及時拆除軌排之間的魚尾夾板或未及時解除扣件對軌枕的束縛，在溫差較大的情況下，混凝土的收縮和軌排的伸縮不同步，導(dǎo)致軌排拉動軌枕發(fā)生輕微的位移，使軌枕四角產(chǎn)生放射性發(fā)展的八字裂紋，該裂紋沿軌枕四周發(fā)展，長度一般在3 cm～15 cm之間，裂紋的寬度和深度較小。

2.3 外部環(huán)境引起

通過觀測道床板裂紋數(shù)量發(fā)現(xiàn)，洞口段道床板裂紋數(shù)量要明顯多于洞內(nèi)道床板裂紋。通過分析研究得出，因洞口段和短隧道洞內(nèi)外溫差較大，且晝夜溫差較大，致使軌排與混凝土、軌枕與混凝土之間收縮差較大，導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂紋。

2.4 結(jié)構(gòu)本身設(shè)計引起

通過對洞口分塊段和洞內(nèi)連續(xù)段道床板裂紋所在位置觀測發(fā)現(xiàn)，洞口分塊段在道床板施工完成1年后沿道床板橫向產(chǎn)生了1條貫通裂紋，洞內(nèi)60 m連續(xù)道床板上，在道床板施工完成1～2年以后，沿道床板橫向產(chǎn)生了3條貫通裂紋。通過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)，該4條貫通裂紋均在隧道仰拱與仰拱填充施工縫位置，從而得出結(jié)果為該貫通裂紋是因無砟軌道道床板伸縮縫未與隧道仰拱和仰拱填充沉降縫在同一斷面，導(dǎo)致隧道仰拱及仰拱填充混凝土在熱脹冷縮過程中將沉降縫位置的道床板混凝土拉裂。

2.5 外加動荷載引起

通過對同塊道床板聯(lián)調(diào)聯(lián)試前后裂紋數(shù)量、長度、寬度和深度的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，在動車行駛一段時間后，個別軌枕四角位置產(chǎn)生了八字裂紋。通過選擇多塊道床板觀測，出現(xiàn)的裂紋形式和位置基本一致，分析原因是因為動車產(chǎn)生的動荷載作用于軌道后，使軌枕四角混凝土產(chǎn)生裂紋。

3 裂紋控制措施

3.1 加強軌枕底部振搗

混凝土布料時，在每排軌枕之間采用“之”字形方式布料，使每塊軌枕下部混凝土飽滿，混凝土振搗采用“大配小”的振搗方式，軌枕四周采用φ50振搗棒振搗，軌枕底部采用φ30振搗棒振搗，確保軌枕底部混凝土密實，使軌枕與混凝土密實結(jié)合。

3.2 嚴控軌排應(yīng)力釋放時間

通過多次試驗證明，混凝土澆筑完成后，將2 cm鋼球輕輕放置于混凝土表面，混凝土凹陷為5 mm時即可拆除軌排之間的魚尾夾板，待混凝土表面凹陷為2 mm時即可松動軌枕扣件，才能將混凝土裂紋控制到最佳效果。

3.3 選擇最佳的澆筑時間

為了避免因溫差因素產(chǎn)生道床板裂紋，在道床板混凝土澆筑時，選擇在溫度較恒定的晚上或是陰天施工，以降低軌排的收縮，道床板澆筑完成后及時進行覆蓋養(yǎng)護，降低混凝土與環(huán)境之間的溫差，從而控制道床板裂紋。

3.4 合理設(shè)置道床板伸縮縫

為了防止道床板出現(xiàn)橫向貫通裂紋，一是在隧道施工過程中，嚴格控制隧道二襯、仰拱和仰拱填充的施工縫和沉降縫在同一斷面，使各部收縮、沉降一致;二是在隧道板塊劃分時，確保道床板伸縮縫與隧道的施工縫和沉降縫在同一斷面;三是隧道二襯、仰拱、仰拱填充層和洞內(nèi)連續(xù)段道床板根據(jù)當?shù)刈畹蜌鉁厍闆r，均需合理設(shè)置伸縮縫[2]。

4 結(jié)束語

無砟軌道道床板裂紋控制一直是無砟軌道施工的技術(shù)難題，本文通過對無砟軌道道床板在經(jīng)歷凍融交替和動荷載加載情況下裂紋觀測研究，從施工工藝、施工環(huán)境、結(jié)構(gòu)設(shè)計和外部荷載等方面進行分析研究，并針對不同原因，總結(jié)出防控措施，可有效控制無砟軌道道床板裂紋出現(xiàn)，對今后嚴寒地區(qū)高速鐵路隧道無砟軌道施工有一定的借鑒意義。

參考文獻：

[1]馬迪.我國高速鐵路無砟軌道經(jīng)濟性研究[D].西南交通大學(xué)，2009.

[2]高增增.CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究[J].鐵道標準設(shè)計，2017，61（11）：13-18.