高速鐵路隧道道床板裂紋成因分析及控制技術

程文強

摘 要：隨著我國高速鐵路無砟軌道技術的發展和十幾年的探索，通過進行經濟比選，目前國內大多數高速鐵路采用有砟軌道，僅有隧道及隧道群內采用無砟軌道，本文以張呼鐵路無砟軌道為例，從施工、設計和環境等多個方面對無砟軌道道床板裂紋產生的原因和控制措施進行分析和研究，研究結果表明嚴寒地區隧道無砟軌道道床板裂紋的產生與隧道沉降縫、仰拱及填充沉降縫、道床板伸縮縫的設置、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，并表述了相關的控制措施，為今后嚴寒地區高速鐵路無砟軌道設計和施工提供借鑒。

關鍵詞：嚴寒地區;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，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今，無砟軌道先后應用了RHEDA雙塊式、CRTS-Ⅰ型、CRTS-Ⅱ型、CRTS-Ⅲ型無砟軌道技術。無砟軌道具有的高穩定性、少維修和壽命長的優點均被業內人士認可，但建設期間的質量缺陷將為整個使用壽命期留下隱患，修復工作較有砟軌道修復工作比較復雜，且需要大量費用和時間，一旦損壞引起封閉線路維修將產生很大的經濟損失和社會影響，而在建設無砟軌道之前，絕大部分經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規模銳減。但通過十幾年的摸索發現，由于限制基礎的長期沉降需要維護，橋梁和路基上的無砟軌道經濟效益較差，比有砟軌道要多出2倍，但隧道內的無砟軌道相對有砟軌道具有良好的經濟效益[1]。而影響隧道內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生、發展和原因進行系統的研究，并通過積累施工經驗，提供理論依據，從而指導嚴寒地區隧道內無砟軌道的設計和施工。

1 工程概況

1.1 設計概況

張呼鐵路隧道及隧道群內采用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范圍內或在有砟與無砟分界點195 m范圍內道床板采用分塊澆筑，每隔19.5 m設置2 cm伸縮縫，洞口195 m范圍外道床板采用連續澆筑。

1.2 軌道板裂紋情況

從無砟軌道道床板澆筑至聯調聯試期間，對大尖山隧道群無砟軌道中的三號隧道195 m范圍內道床板和洞內連續段60 m道床板裂紋情況進行了為期3年的觀測，觀測結果如下：

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軌枕四周有輕微的八字裂紋，八字裂紋的數量隨著一個凍融期后明顯增加，在經歷第二個凍融期后裂紋變化不大，趨于穩定，聯調聯試期間在動荷載作用以后，八字裂紋數量有明顯增加。

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

1.2.2 洞內60 m連續段裂紋情況

洞內無砟軌道道床板裂紋數量明顯少于洞口段，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1條橫向的貫通裂紋，其他裂紋隨著時間的推移，裂紋的數量和發展并不明顯。

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向另一側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，裂紋開始發展。

2.2 軌排對軌枕的束縛引起

嚴寒地區一天之內溫差較大，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，導致軌排拉動軌枕發生輕微的位移，使軌枕四角產生放射性發展的八字裂紋，該裂紋沿軌枕四周發展，長度一般在3 cm～15 cm之間，裂紋的寬度和深度較小。

2.3 外部環境引起

通過觀測道床板裂紋數量發現，洞口段道床板裂紋數量要明顯多于洞內道床板裂紋。通過分析研究得出，因洞口段和短隧道洞內外溫差較大，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，導致混凝土表面產生裂紋。

2.4 結構本身設計引起

通過對洞口分塊段和洞內連續段道床板裂紋所在位置觀測發現，洞口分塊段在道床板施工完成1年后沿道床板橫向產生了1條貫通裂紋，洞內60 m連續道床板上，在道床板施工完成1～2年以后，沿道床板橫向產生了3條貫通裂紋。通過現場勘查發現，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調聯試前后裂紋數量、長度、寬度和深度的統計分析發現，在動車行駛一段時間后，個別軌枕四角位置產生了八字裂紋。通過選擇多塊道床板觀測，出現的裂紋形式和位置基本一致，分析原因是因為動車產生的動荷載作用于軌道后，使軌枕四角混凝土產生裂紋。

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合。

3.2 嚴控軌排應力釋放時間

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護，降低混凝土與環境之間的溫差，從而控制道床板裂紋。

3.4 合理設置道床板伸縮縫

為了防止道床板出現橫向貫通裂紋，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、仰拱填充層和洞內連續段道床板根據當地最低氣溫情況，均需合理設置伸縮縫[2]。

4 結束語

無砟軌道道床板裂紋控制一直是無砟軌道施工的技術難題，本文通過對無砟軌道道床板在經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、施工環境、結構設計和外部荷載等方面進行分析研究，并針對不同原因，總結出防控措施，可有效控制無砟軌道道床板裂紋出現，對今后嚴寒地區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濟性研究[D].西南交通大學，2009.

[2]高增增.CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構優化設計研究[J].鐵道標準設計，2017，61（11）：13-18.