金沙洲隧道無(wú)砟道床板病害整治施工技術(shù)*

鄭新國(guó)，董 武，李書(shū)明，楊德軍，劉 競(jìng)，曾 志，潘永健

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司，北京 100844)

0 引言

隧道是我國(guó)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，目前，我國(guó)已投入運(yùn)營(yíng)的鐵路隧道達(dá)15 117座，總長(zhǎng)度達(dá)16 331km[1]。在鐵路隧道建設(shè)中，為了減少線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)維修工作量，我國(guó)規(guī)范規(guī)定，長(zhǎng)度大于 1 000m 的隧道和隧道群宜優(yōu)先采用無(wú)砟軌道[2]。

與路基和橋涵結(jié)構(gòu)不同，鐵路隧道通常埋深幾十米到上千米，地質(zhì)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，大部分隧道中蘊(yùn)藏著豐富的水源，水中離子種類(lèi)多樣，水質(zhì)也千差萬(wàn)別，造成了部分隧道過(guò)早出現(xiàn)劣化情況，且多數(shù)病害與水有關(guān)。例如，唐呼線(xiàn)集寧隧道內(nèi)出現(xiàn)了由隧底高壓地下水沖刷隧底引起的整體道床底部離縫病害，同時(shí)共生出現(xiàn)了軌道上拱病害，嚴(yán)重影響了線(xiàn)路的正常運(yùn)行[3]；獅子嶺隧道運(yùn)營(yíng)后圍巖遇水發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞[4]；柏崖頭隧道基底地下水的長(zhǎng)期作用使隧道巖層侵蝕軟化，圍巖的基本承載力下降，列車(chē)通過(guò)時(shí)和通過(guò)后的正負(fù)水壓對(duì)結(jié)構(gòu)的反復(fù)抽吸作用導(dǎo)致基底結(jié)構(gòu)出現(xiàn)吊空或翻漿冒泥[5]。針對(duì)隧道整體道床底部水引起的離縫、上拱、沉降和翻漿冒泥病害，主要采用拆除整體道床、高壓注漿[6]、利用材料膨脹力進(jìn)行化學(xué)注漿[7]等方式進(jìn)行整治，但是針對(duì)隧道裂隙水引起的無(wú)砟軌道道床板縱向開(kāi)裂情況尚未研究。本文以京廣高鐵金沙洲隧道道床板縱向開(kāi)裂為背景，分析了病害產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的整治技術(shù)，可為類(lèi)似病害整治工程提供參考。

1 工程概況

京廣高速鐵路是京港(北京—香港)高速鐵路的重要組成部分，是我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中“八縱八橫”高速鐵路的重要“一縱”。京廣高鐵首建武廣段于2005年6月開(kāi)工建設(shè)，2009年12月開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。金沙洲隧道(K2 270+720—K2 275+189)位于京廣高速鐵路武廣段廣州北—廣州南區(qū)間，隧道全長(zhǎng)4 469m，為單洞雙線(xiàn)隧道。隧道縱斷面呈“V”字形，最大坡度2%。隧道內(nèi)鋪設(shè)CRTS I型雙塊式無(wú)砟軌道，軌道超高為0，采用W300-1型扣件。該段線(xiàn)路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。金沙洲隧道無(wú)砟軌道道床板構(gòu)筑于隧道仰拱回填層上，采用C40混凝土現(xiàn)場(chǎng)澆筑而成。道床板寬2 800mm，厚265mm(道心)，采用HRB335級(jí)鋼筋，混凝土凈保護(hù)層厚50mm。

圖1 隧道內(nèi)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)橫斷面

2 病害分析

自京廣高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，金沙洲隧道道床板逐漸出現(xiàn)縱向裂紋，后發(fā)展為較大裂縫，最大裂縫寬度達(dá)20mm，局部甚至出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，為分析道床板裂損病害產(chǎn)生的原因，對(duì)隧道內(nèi)無(wú)砟軌道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、取樣檢測(cè)及無(wú)損檢測(cè)。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，金沙洲隧道內(nèi)道床板混凝土裂損、鋼筋銹蝕、鋼軌和扣件腐蝕問(wèn)題全部集中于隧道中間高程較低段，且病害位置均存在明顯積水或積水痕跡，積水越多裂損越嚴(yán)重。道床板混凝土裂損位置幾乎都存在排水溝堵塞后導(dǎo)致水流浸泡道床板下部問(wèn)題；在無(wú)積水和滲漏水痕跡處，道床板、邊溝踏步臺(tái)和隧道襯砌混凝土均無(wú)明顯裂損。另外，隧道中段部分鋼軌及扣件腐蝕較嚴(yán)重，尤其隧道拱頂漏水，水直接滴落至鋼軌及扣件處銹蝕最為嚴(yán)重。取樣檢測(cè)結(jié)果表明，隧道明水中氯化物含量為1 071mg/L，且呈酸性，開(kāi)裂區(qū)段道床板混凝土中氯離子含量均值為0.833%，最大值達(dá)1.47%，遠(yuǎn)超過(guò)TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中混凝土氯離子含量小于0.1%及混凝土拌合水中氯化物含量小于200mg/L的限制。可以看出，金沙洲隧道道床板裂損處環(huán)境潮濕，且氯離子含量較高，極易誘發(fā)鋼筋銹蝕病害。從現(xiàn)場(chǎng)剝落掉塊的道床板混凝土來(lái)看，混凝土剝落后，暴露出的縱向鋼筋銹蝕相當(dāng)嚴(yán)重，且剝落面和縱向鋼筋走向吻合。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)呈弱酸性且氯離子超標(biāo)的水體長(zhǎng)期浸泡混凝土，加之列車(chē)風(fēng)帶起的水霧、鹽霧等使氯離子逐步滲入混凝土并沉積，破壞了鋼筋既有的保護(hù)屏障，導(dǎo)致鋼筋銹蝕膨脹，最終造成混凝土裂損。由此可知，氯離子含量超標(biāo)且呈弱酸性的水是導(dǎo)致該隧道內(nèi)道床板裂損、鋼筋銹蝕等問(wèn)題的根本原因。

3 整治方案

為了徹底整治道床板裂損病害，首先應(yīng)解決氯離子侵蝕道床板混凝土問(wèn)題。工程采用疏導(dǎo)病害源頭、局部修復(fù)嚴(yán)重病害、主動(dòng)防御有害侵蝕等多舉措對(duì)道床板裂損進(jìn)行整治，恢復(fù)病害區(qū)段無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體性能，具體整治措施如下。

1)疏導(dǎo)側(cè)溝排水 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和取樣分析均表明，水是導(dǎo)致病害的根本原因。為保證病害整治質(zhì)量并防止未整治區(qū)段輕微裂損進(jìn)一步發(fā)展，須對(duì)水進(jìn)行整治。

2)鑿除裂損嚴(yán)重的道床板混凝土 對(duì)于道床板兩側(cè)縱向裂損嚴(yán)重和掉塊區(qū)段，顯然已無(wú)法通過(guò)修補(bǔ)恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性從而阻止進(jìn)一步裂損，須對(duì)道床板裂損嚴(yán)重的混凝土和配筋進(jìn)行徹底更換，以達(dá)到根治目的。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，確定裂損嚴(yán)重的道床板混凝土鑿除范圍，將裂損混凝土鑿除，同時(shí)，將銹蝕嚴(yán)重鋼筋切割拆除或除銹防腐。

3)配置防腐蝕鋼筋 采用環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋替換原有銹蝕鋼筋，并對(duì)橫向鋼筋做防腐處理和加強(qiáng)植筋，在恢復(fù)軌道配筋情況下保證后期耐久性。

4)重新澆筑混凝土 對(duì)原有混凝土界面進(jìn)行處理后，采用快硬型聚合物混凝土重新澆筑恢復(fù)道床板結(jié)構(gòu)。

5)涂刷氟碳保護(hù)涂層 混凝土澆筑后，在混凝土表面涂刷氟碳保護(hù)涂層，進(jìn)一步阻止外界氯鹽侵蝕混凝土及鋼筋，保證軌道結(jié)構(gòu)耐久性。

4 施工技術(shù)

金沙洲隧道道床板裂損病害整治工藝流程為：疏通排水→道床板切縫→混凝土鑿除→既有鋼筋處理→橫向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋錨固→縱向防腐鋼筋綁扎→混凝土界面處理→混凝土澆筑→混凝土表面增強(qiáng)處理。

4.1 疏通排水

因道床板混凝土裂損和鋼筋銹蝕是由氯離子含量超標(biāo)的水造成，故應(yīng)清理邊溝和排水溝內(nèi)淤積、水體結(jié)晶物及其他雜物，疏通原有排水系統(tǒng)，一方面保證施工時(shí)排水暢通無(wú)明顯積水，避免超標(biāo)水體污染施工區(qū)域，影響施工質(zhì)量；另一方面最大限度減少隧道明水對(duì)整治后道床板混凝土造成侵蝕。

4.2 道床板鑿除范圍確定

在鑿除裂損的道床板混凝土前，需根據(jù)道床板混凝土中氯離子含量確定混凝土鑿除范圍，盡量將氯離子含量超標(biāo)的混凝土鑿除，以免后期氯離子遷移造成鋼筋繼續(xù)銹蝕。根據(jù)取樣檢測(cè)結(jié)果，道床板靠邊溝側(cè)的3根縱向φ20鋼筋已全部處于氯離子含量超限環(huán)境中，且大概率已經(jīng)銹蝕。為保證后期道床板鋼筋耐久性，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)道床板縱向裂縫位置，以更換銹蝕鋼筋和氯離子超標(biāo)混凝土為原則，確定道床板混凝土鑿除范圍，如圖2所示。具體鑿除范圍為道床板表面寬283mm、軌枕底面位置寬270mm、道床板底面寬180mm區(qū)域，其中，上半部約102mm范圍沿著軌枕端面鑿除，以保證混凝土的整體性，防止界面開(kāi)裂。

圖2 道床板混凝土鑿除范圍

為準(zhǔn)確鑿除確定范圍內(nèi)的混凝土，防止鑿除時(shí)影響相鄰混凝土表面，在混凝土鑿除前對(duì)道床板混凝土進(jìn)行切縫，切縫深度約30mm。切割過(guò)程中包括保護(hù)鋼軌、扣件及軌枕，防止污染，切割完畢后及時(shí)沖洗道床板泥污。

4.3 混凝土鑿除

采用電鎬或小型風(fēng)鎬按確定范圍鑿除道床板混凝土，鑿除過(guò)程中應(yīng)避免傷及完好道床板混凝土、道床板橫向鋼筋和軌枕桁架鋼筋。

4.4 鋼筋處理及綁扎

4.4.1縱向鋼筋處理

道床板邊緣裂損區(qū)的3根縱向鋼筋幾乎全部處于高氯離子環(huán)境中，且部分裂損嚴(yán)重區(qū)域已銹蝕外露，整治時(shí)需將其全部更換為環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋。環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋是在工廠(chǎng)生產(chǎn)條件下，采用靜電噴涂法將環(huán)氧樹(shù)脂粉末噴涂在普通帶肋鋼筋和普通光圓鋼筋表面的一種具有涂層的鋼筋，具有很好的耐蝕性，適用于處在潮濕環(huán)境或侵蝕性介質(zhì)中的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。新鋼筋與原縱向鋼筋按等型號(hào)、等直徑φ20 HRB335鋼筋原位置替換，如圖3所示。對(duì)縱向鋼筋鑿除部分除銹并涂刷鋼筋阻銹劑，鋼筋阻銹劑在鋼筋表面形成單分子吸附膜，吸附膜具有致密疏水性，可有效抑制侵蝕性介質(zhì)引起的鋼筋銹蝕，其主要技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足JT/T 537—2018《鋼筋混凝土阻銹劑》中第5.1節(jié)表2要求。按原設(shè)計(jì)要求，將縱向鋼筋搭接綁扎，搭接長(zhǎng)度不得小于700mm，且同一層鋼筋的搭接接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，如圖4所示。

圖3 銹蝕鋼筋處理

圖4 道床板縱向鋼筋處理

4.4.2橫向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋錨固

為保證道床板整體性，降低對(duì)原軌道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，原則上不更換道床板橫向鋼筋，而采取原鋼筋局部除銹，增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)橫向鋼筋的處理方案，同時(shí)對(duì)上、下層橫向鋼筋采用同型號(hào)φ16 HRB335環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋和環(huán)氧樹(shù)脂植筋膠進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)植筋。在原上層鋼筋高度每2根軌枕間按間距300mm植入2根補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，植筋深100mm，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋長(zhǎng)324mm；在原下層鋼筋高度每根軌枕正下方位置植入1根補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，植筋深100mm，補(bǔ)強(qiáng)鋼筋長(zhǎng)270mm。補(bǔ)強(qiáng)鋼筋末端與原橫向鋼筋末端對(duì)齊并保證道床板側(cè)面保護(hù)層厚度不小于50mm。

道床板橫向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋采用環(huán)氧樹(shù)脂植筋膠植入，植筋深度為100mm，植筋時(shí)應(yīng)清洗并吹干植筋孔，環(huán)氧樹(shù)脂植筋膠的主要性能指標(biāo)滿(mǎn)足JG/T 340—2011《混凝土結(jié)構(gòu)工程用錨固膠》中第5.1節(jié)表1中有機(jī)類(lèi)錨固膠的要求。

縱向鋼筋與橫向鋼筋間根據(jù)綜合接地和軌道電路絕緣要求設(shè)置焊接接頭或絕緣卡。

4.4.3鋼筋綁扎

將φ20縱向環(huán)氧樹(shù)脂涂層鋼筋與橫向既有鋼筋和橫向補(bǔ)強(qiáng)鋼筋通過(guò)絕緣卡綁扎固定，兩端與既有縱向鋼筋搭接綁扎，同層縱向鋼筋搭接范圍錯(cuò)開(kāi)。

4.5 混凝土界面處理

清理混凝土界面碎屑及松動(dòng)混凝土塊，用水清洗界面，切割機(jī)切縫位置應(yīng)采用刷洗方式。清洗完畢采用吹風(fēng)機(jī)吹掉明水，在清洗過(guò)的混凝土界面涂刷混凝土界面劑，界面劑主要技術(shù)指標(biāo)滿(mǎn)足JT/T 907—2018《混凝土界面處理劑》中第6.2節(jié)表1要求。

4.6 混凝土澆筑

為確保修補(bǔ)混凝土的界面黏結(jié)性、優(yōu)異的體積穩(wěn)定性和良好的耐久性，以滿(mǎn)足天窗時(shí)間施工為前提，采用C50快硬高性能聚合物混凝土對(duì)道床板進(jìn)行修復(fù)，聚合物混凝土的主要性能指標(biāo)如表1所示。現(xiàn)場(chǎng)支立鋼模板澆筑聚合物混凝土并振搗密實(shí)。

表1 C50快硬高性能聚合物混凝土技術(shù)要求

4.7 混凝土表面增強(qiáng)處理

在快硬高性能聚合物混凝土硬化后對(duì)其表面及相鄰既有混凝土表面噴涂混凝土表面增強(qiáng)劑，使表層混凝土毛孔緊縮，減緩?fù)饨绮涣妓w滲入，進(jìn)一步提高混凝土抗氯化物侵蝕能力。混凝土表面增強(qiáng)劑滲透混凝土內(nèi)部，與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，收縮混凝土毛孔和裂縫，使混凝土致密，從而提高其硬度和耐久性。

道床板修復(fù)完成后新舊混凝土界面黏結(jié)良好，混凝土表面密實(shí)，隧道中排水暢通，線(xiàn)路恢復(fù)常速運(yùn)營(yíng)，達(dá)到了預(yù)期的修復(fù)效果。

5 結(jié)語(yǔ)

1)隧道內(nèi)呈弱酸性且氯離子含量高的裂隙水侵蝕是導(dǎo)致金沙洲隧道道床板裂損及鋼筋銹蝕的主要原因。

2)根據(jù)金沙洲隧道道床板病害產(chǎn)生原因，提出疏通排水、鋼筋處理、混凝土修復(fù)及表面防護(hù)于一體的整治修復(fù)技術(shù)。

3)經(jīng)過(guò)對(duì)金沙洲隧道道床板病害分析，查明了病害產(chǎn)生原因，并對(duì)隧道漏水、側(cè)溝排水、鋼筋銹蝕及混凝土碎裂進(jìn)行了綜合整治，修復(fù)了無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，線(xiàn)路恢復(fù)常速運(yùn)營(yíng)，達(dá)到了預(yù)期整治效果。