劉偉平

（哈大鐵路客運(yùn)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(hù)層密封及防護(hù)技術(shù)

劉偉平

（哈大鐵路客運(yùn)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(yán)寒地區(qū)的采用無砟軌道的高速鐵路，建設(shè)及運(yùn)營管理均無成熟經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。針對哈大高鐵出現(xiàn)的橋梁與路基防水保護(hù)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(yàn)研究，確定采用PPU薄涂型聚氨酯防水漆進(jìn)行混凝土表面封閉防護(hù)、采用低彈性模量密封膠嵌縫密封的整治方案。2013年進(jìn)行了2 380. 3 m的試驗(yàn)段整治施工，2014年進(jìn)行了12 361 m的擴(kuò)大試驗(yàn)段整治施工。試驗(yàn)結(jié)果表明，聚氨酯防護(hù)涂層對防止保護(hù)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(guān)鍵詞嚴(yán)寒地區(qū)；高速鐵路；保護(hù)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(shè)計(jì)速度350 km/h，于2007年8月開工建設(shè)，2012年12月1日開通運(yùn)營，初期運(yùn)營速度定為300 km/h，冬季暫按200 km/h運(yùn)營。

自開通運(yùn)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(fù)凍融作用下線間和路肩防水保護(hù)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(wù)部門對保護(hù)層粉化和掉塊問題進(jìn)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(yùn)營后，保護(hù)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(shí)施夏季運(yùn)行圖、動(dòng)車開行速度達(dá)到300 km/h后的2周內(nèi)發(fā)生混凝土掉塊擊打列車，影響行車安全。保護(hù)層粉化、掉塊的清理已成為維修管理單位一項(xiàng)常態(tài)化工作。對保護(hù)層混凝土采取防護(hù)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(yùn)營前采取了增設(shè)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(hù)層結(jié)構(gòu)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(yán)寒地區(qū)氣候特點(diǎn)的封閉材料和技術(shù)。

2　病害原因分析

2. 1保護(hù)層混凝土病害原因分析

經(jīng)調(diào)查測試，哈大客專防水保護(hù)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(fù)凍融作用下，加之水分的滲入，極易導(dǎo)致橋梁、路基地段防水保護(hù)層混凝土產(chǎn)生粉化、掉塊現(xiàn)象，并隨著時(shí)間的增加逐層粉化，直至露筋掉塊。由于防水保護(hù)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(gòu)成較大隱患。

2. 2接縫封堵失效原因分析

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，防排水措施存在的系統(tǒng)性問題導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(huì)壓縮與脫裂，導(dǎo)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(gè)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(jì)算。

式中：L是材料尺寸；ΔT表示預(yù)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(dá)到60℃，冬天最低氣溫達(dá)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(jì)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(dāng)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(yīng)密封膠20℃施工的拉伸變形量分別為3. 60，2. 16 mm，相當(dāng)于伸縮縫寬度的30％和18％。

通過計(jì)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(dāng)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(shè)計(jì)

3. 1防護(hù)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(hù)涂層及接縫密封技術(shù)方案

防護(hù)涂層施工前必須徹底清除保護(hù)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(bǔ)，做好轉(zhuǎn)角部位及混凝土接縫的密封施工。

3. 3. 1防護(hù)涂層基本構(gòu)成

防護(hù)涂層的基本構(gòu)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(hù)層混凝土強(qiáng)度＞C20，清理后平整、密實(shí)、無麻面時(shí)可直接進(jìn)行防護(hù)涂層施工。

2）保護(hù)層混凝土強(qiáng)度＞C20，清理后基面存在不平整（如麻面）或潮濕時(shí)，應(yīng)先施工找平層，再進(jìn)行防護(hù)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(hù)層混凝土強(qiáng)度在C10～C20時(shí)，應(yīng)先施工補(bǔ)強(qiáng)層，再進(jìn)行防護(hù)涂層施工。補(bǔ)強(qiáng)層由高滲透性樹脂滲入混凝土中構(gòu)成，滲入深度≥2 mm，主要起補(bǔ)強(qiáng)作用，與混凝土基面及封閉漆具有良好的附著力，補(bǔ)強(qiáng)層也可采用聚合物改性水泥砂漿。

4）保護(hù)層混凝土中存在裂縫時(shí)應(yīng)修補(bǔ)后再進(jìn)行防護(hù)涂層施工。裂縫寬度＜0. 2 mm時(shí)可采用柔性環(huán)氧注漿膠進(jìn)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(shí)則先沿裂縫切出V形槽，然后用聚合物砂漿堵塞修補(bǔ)。

5）保護(hù)層混凝土局部出現(xiàn)嚴(yán)重開裂、掉塊、強(qiáng)度≤C10時(shí)，應(yīng)徹底清理，重新施工，再進(jìn)行防護(hù)涂層施工。3. 3. 3轉(zhuǎn)角部位及接縫處理

保護(hù)層混凝土與底座板、防撞墻轉(zhuǎn)角部位及混凝土接縫處理應(yīng)先清除原封堵材料，再進(jìn)行密封膠和防護(hù)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(shù)條件》。

4　整治方案的實(shí)施

試驗(yàn)段整治施工基本流程見圖1。

圖1　試驗(yàn)段整治施工基本流程

2013年的試驗(yàn)段整治施工自8月開始，10月完成。共計(jì)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(kuò)大整治范圍，自8月開始施工，9月完成。共計(jì)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(yàn)證聚氨酯防護(hù)涂層整治效果，2015年4月5—20日對各個(gè)試驗(yàn)段凍融整治效果進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)查。

5. 1總體情況

調(diào)查顯示大部分防護(hù)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(gè)凍融循環(huán)后對2013年施工的聚氨酯防護(hù)涂層試驗(yàn)段附著力進(jìn)行復(fù)測，復(fù)測結(jié)果與2013年檢測結(jié)果變化不明顯。針對2014年施工試驗(yàn)段的聚氨酯防護(hù)涂層也進(jìn)行了抽樣檢測，每個(gè)區(qū)段選取檢測點(diǎn)9個(gè)。2013—2014年所施工的聚氨酯防護(hù)涂層各測點(diǎn)均滿足技術(shù)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(hù)涂層及符合《哈大客專路基面混凝土接縫密封膠暫行技術(shù)條件》的密封膠對纖維混凝土保護(hù)層及各種縫隙進(jìn)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(yùn)營期間采取表層封閉措施對減少地表水下滲，防護(hù)路基凍脹是有效的。

K186 + 551—K187 + 100段路基凍脹的檢測結(jié)果如下。

1）人工觀測結(jié)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(dòng)監(jiān)測結(jié)果。在K186 + 600，K186 + 650，K186 + 910共3處設(shè)置了自動(dòng)監(jiān)測斷面。選取凍脹量自動(dòng)監(jiān)測最大值進(jìn)行對比，見表4。根據(jù)近3年自動(dòng)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(dòng)監(jiān)測最大值對比

3）動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果。對近3年綜合檢測列車動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，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(jié)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(diào)查情況，經(jīng)過2個(gè)凍融循環(huán)，試驗(yàn)段防護(hù)涂層大部分連續(xù)完整，無涂層脫落現(xiàn)象發(fā)生。個(gè)別路段由于未清除強(qiáng)度過低的基層混凝土，出現(xiàn)防護(hù)涂層破損、剝離、空鼓等缺陷。

6　結(jié)論

1）試驗(yàn)段路基凍脹的人工觀測、自動(dòng)監(jiān)測及動(dòng)態(tài)檢測結(jié)果表明，采用密封膠和聚氨酯防護(hù)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(yùn)營及后續(xù)冬季提速奠定了基礎(chǔ)。

2）聚氨酯防護(hù)涂層對防止保護(hù)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(dá)到了阻止纖維混凝土保護(hù)層繼續(xù)粉化、掉塊的目的，有效減少了維修工作量。

3）試驗(yàn)段采用的密封膠在經(jīng)過2個(gè)冬季運(yùn)營考驗(yàn)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(shù)條件》所確定的密封膠技術(shù)指標(biāo)可滿足嚴(yán)寒及高鐵運(yùn)營振動(dòng)條件下的使用要求。

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

5）試驗(yàn)段聚氨酯防護(hù)涂層整治效果基本達(dá)到預(yù)期要求，但涂層施工對基層混凝土強(qiáng)度和環(huán)境條件有較為嚴(yán)格的要求，受制于基層混凝土強(qiáng)度低、基面潮濕、夜間施工、作業(yè)時(shí)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(gè)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(shù)、新材料的試驗(yàn)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(jià)，并提高耐久性，增加使用年限。

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（責(zé)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(xiàn)標(biāo)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(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃（Z2012-062）；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃（2014G001-H）

作者簡介：劉偉平（1960—），男，高級工程師。