趙磊
中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300143
CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道是我國高速鐵路主要軌道結(jié)構(gòu)形式之一,在蘭新、合福、武廣、大西等高速鐵路項目中成功應(yīng)用。雙塊式無砟軌道具有區(qū)域地理環(huán)境適應(yīng)性好、工程造價相對較低、工藝簡單等優(yōu)點,適宜在華東、華中、華南和西南大部分地區(qū)采用[1]。工程實踐表明,雙塊式無砟軌道道床板施工完成后,在復(fù)雜氣候環(huán)境與列車荷載作用下易產(chǎn)生裂縫并逐步發(fā)展,路基地段連續(xù)式道床板裂縫尤為突出[2-4]。裂縫會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋銹蝕和混凝土劣化,削弱混凝土結(jié)構(gòu)承載力,影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性,降低運營安全[5]。道床板混凝土為非預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu),TB 10424—2018《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗收標準》第6.4.14條規(guī)定,混凝土結(jié)構(gòu)表面的非受力裂縫寬度應(yīng)不大于0.2 mm。在混凝土保護層厚度滿足設(shè)計要求條件下,裂縫對結(jié)構(gòu)耐久性、承載力、正常使用的影響可接受[6],因此應(yīng)重點控制寬度大于0.2 mm的超標裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。
本文基于昌景黃高速鐵路安徽段雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)施工實踐,分析路基地段連續(xù)式道床板早期開裂原因和發(fā)展機理,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、混凝土材料、施工工藝三個方面系統(tǒng)性提出道床板開裂綜合控制技術(shù),以期為我國夏炎冬暖(冷)和寒冷地區(qū)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)施工提供借鑒。
昌景黃高速鐵路安徽段路基地段雙塊式無砟軌道道床板包括連續(xù)式和單元式兩種。其中,連續(xù)式道床板用于長度不小于150 m的路基地段,共有29個區(qū)段,實際長度為157.65~917.10 m;單元式道床板用于長度小于150 m的路基地段,共有47個區(qū)段,實際長度為6.69~148.35 m。連續(xù)式道床板最下部結(jié)構(gòu)為強度12~18 MPa低塑性混凝土支承層,支承層沿基床表層縱向連續(xù)鋪設(shè),每不大于5 m距離設(shè)深度不大于105 mm的橫向切縫。單元式道床板最下部結(jié)構(gòu)為C30鋼筋混凝土底座板,底座板采用單元分塊澆筑,一般每個單元底座對應(yīng)兩塊道床板。
為了對比研究結(jié)構(gòu)形式對道床板裂縫發(fā)展的影響,選取區(qū)間正線DK5+760.26—DK5+921.8左線(長161.54 m,試驗段)、DK8+758.79—DK8+916.44左線(長157.65 m,區(qū)段1)和DK8+113.88—DK8+189.70雙線(長75.82 m,區(qū)段2)三個區(qū)段為研究對象。其中試驗段和區(qū)段1均為連續(xù)式道床板,區(qū)段2為單元式道床板?,F(xiàn)澆鋼筋混凝土道床板采用軌排框架法施工,混凝土強度等級為C40,澆筑日期分別為2021年10月7日、2021年12月6日、2021年12月30日。道床板寬度為2 800 mm,厚度為260 mm。支承層和底座板的寬度均為3 400 mm,厚度均為300 mm。連續(xù)式道床板的兩端分別設(shè)置兩個鋼筋混凝土端梁,端梁尺寸橫向為3.4 m,縱向為0.8 m,端梁與道床板澆筑為一個整體。
2022年12月6日,對試驗段道床板開裂情況進行了現(xiàn)場調(diào)查。結(jié)果表明:裂縫寬度普遍超過0.2 mm;裂縫最初出現(xiàn)在道床板表面,沿道床板縱深發(fā)展;各類裂縫相互連通,形成橫向貫通,如圖1所示。
圖1 雙塊式無砟軌道道床板裂縫
選取試驗段長50 m的區(qū)段(共78根軌枕)進行統(tǒng)計分析,共605條裂縫,裂縫的類型、數(shù)量及分布特征如下。
1)八字形角裂縫。共584條。出現(xiàn)在軌枕塊四角區(qū)域,與道床板橫向成10°~60°不等(多為45°左右),并向外延伸。同一軌枕塊相鄰兩角裂縫形似八字。
2)一字形橫向裂縫。共20條。出現(xiàn)在道床板橫向兩側(cè)軌枕塊端部至道床板邊緣,或道床板縱向兩軌枕間并垂直于線路方向。裂縫從道床板橫向兩側(cè)邊緣開始,向線路中心方向延伸;或以相反方向從道床板橫向兩側(cè)軌枕塊端部開始,向道床板邊緣延伸。
3)L形裂縫。共93條。八字形角裂縫延伸至道床板邊緣后,向側(cè)立面縱深擴展,形似L。一字形橫向裂縫延伸至道床板邊緣后向側(cè)立面縱深發(fā)展,也會形成L形裂縫。
4)縱向枕間橫向裂縫。共1條。從軌枕兩側(cè)或四角開始,大致沿線路方向延伸,嚴重時在道床板縱向兩枕間貫通。
5)軌枕四周環(huán)向裂縫。共12條。早期沿道床板橫向,在軌枕塊單側(cè)與道床混凝土剝離,后期道床板混凝土沿軌枕四周完全剝離,造成新舊混凝土離縫。
6)橫向枕間貫通裂縫。共111條。在道床板橫向中部,八字形角裂縫延伸擴展,在枕間形成貫通裂縫。少部分裂縫從道床板中部開始形成,延伸至兩軌枕塊端部,形成貫通裂縫。
7)道床板表面龜裂縫。出現(xiàn)在局部縱向軌枕塊間,在混凝土初凝后2~3 d形成,呈不規(guī)則網(wǎng)狀或樹枝狀。
8)反射裂縫。出現(xiàn)在支撐層切縫處或底座與支撐層交界處,最終發(fā)展成L形裂縫。
針對試驗段道床板早期開裂較多的現(xiàn)狀,調(diào)整了混凝土配合比,見表1。試驗段環(huán)境等級T2,采用江西錦溪(低堿)P·O 42.5水泥,水膠比0.34。根據(jù)調(diào)整方案,粗骨料由隧道洞渣經(jīng)機械破碎加工的碎石改為外購(采購自休寧永旺石料廠);水泥用量由334 kg/m3調(diào)整為296 kg/m3,Ⅱ級粉煤灰含量由20%調(diào)整為30%,初始坍落度由(140±20)mm調(diào)整為(120±20)mm,初始含氣量由2.8%調(diào)整為3.4%。采用調(diào)整后配合比對區(qū)段1和區(qū)段2的道床板進行澆筑。
表1 調(diào)整前后道床板混凝土配合比
2022年2月15日和5月7日,對區(qū)段1連續(xù)式道床板混凝土開裂情況進行了兩次現(xiàn)場調(diào)查。取大里程側(cè)長度為29.2 m(含45根軌枕)和小里程側(cè)長度為32.5 m(含50根軌枕)的道床板區(qū)段進行統(tǒng)計分析,結(jié)果見表2。其中小里程側(cè)為端梁區(qū)段,道床板最下部結(jié)構(gòu)為底座板??芍孩僬{(diào)整配合比后混凝土的各類裂縫均明顯減少。②各類裂縫均隨時間呈增加趨勢,其中最下部結(jié)構(gòu)為支承層的大里程側(cè)各類裂縫的增幅普遍大于最下部結(jié)構(gòu)為底座板的小里程側(cè),尤其是大里程側(cè)L形裂縫,增幅達到32倍;八字形角裂縫和橫向枕間貫通裂縫發(fā)展相對緩慢;縱向枕間橫向裂縫和軌枕四周環(huán)向裂縫逐漸出現(xiàn),其中后者急劇增加。
表2 區(qū)段1(部分)道床板混凝土裂縫數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果
2022年6月1日,對區(qū)段2左右線單元式道床板開裂情況進行了現(xiàn)場調(diào)查。取左右線各10塊單元式道床板(各93根軌枕)進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明:186根軌枕中,有35根周圍未出現(xiàn)裂縫,占18.8%;出現(xiàn)5~15條、15~25條、25~35條裂縫的單元式道床板分別為5、9、6塊;單塊道床板裂縫最多為35條,最少為4條;八字形角裂縫不明顯,裂縫寬度普遍小于0.2 mm,較長的角裂縫長90~185 mm,僅出現(xiàn)1條角裂縫延伸至道床板邊緣。各類型裂縫數(shù)量見表3??梢姡捎脝卧浇Y(jié)構(gòu)明顯降低了道床板開裂敏感性。
表3 區(qū)段2(部分)道床板混凝土裂縫數(shù)量統(tǒng)計結(jié)果
路基地段雙塊式無砟軌道道床板裂縫產(chǎn)生和發(fā)展原因可分為5類[7-9]。①無砟軌道設(shè)計結(jié)構(gòu)形式引起的道床板裂縫,包括連續(xù)式道床板所受拉應(yīng)力不能有效釋放和受結(jié)構(gòu)鋼筋、軌枕、支承層、端梁等強約束造成的薄弱部位開裂;②外荷載引起的結(jié)構(gòu)型裂縫,包括常規(guī)結(jié)構(gòu)計算中的主要應(yīng)力以及其他結(jié)構(gòu)次應(yīng)力造成的受力裂縫;③混凝土材料型裂縫,主要是混凝土自身收縮變形引起的;④溫度裂縫,主要是縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)對整體溫度變化極為敏感,在溫度應(yīng)力作用下出現(xiàn)道床板開裂;⑤施工工藝型裂縫,包括骨料布料不均、振搗不到位、抹面工藝不合理、養(yǎng)護不當?shù)仍斐傻牧芽p。
2.1.1 道床板連續(xù)結(jié)構(gòu)
路基地段連續(xù)式道床板結(jié)構(gòu)在路橋過渡段設(shè)置了搭板,在路隧分界點設(shè)置了變形縫;同時,在路基兩端設(shè)置端梁,且端梁一定范圍內(nèi)的支承層采用鋼筋混凝土底座結(jié)構(gòu),道床板與鋼筋混凝土底座之間用錨固鋼筋連接。道床板橫向應(yīng)力遠小于縱向應(yīng)力,且越接近道床板表面,縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力越大,應(yīng)力得不到有效釋放,導(dǎo)致一字形橫向裂縫發(fā)生并較易橫向擴展,形成L形裂縫、橫向枕間貫通裂縫。
預(yù)制雙塊式軌枕混凝土強度等級為C60,而道床混凝土設(shè)計為C40,導(dǎo)致軌枕與道床混凝土結(jié)構(gòu)整體性差,收縮不同步,在新舊混凝土結(jié)合面形成聯(lián)結(jié)薄弱部位。新澆筑的道床混凝土自身收縮及結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量由高溫向低溫進行熱傳導(dǎo)是造成軌枕四周環(huán)向裂縫的主要原因。
收縮是造成混凝土產(chǎn)生裂縫的主要因素[10],主要包括塑性收縮、水泥水化收縮和干燥收縮三種類型。混凝土澆筑后至凝固前會產(chǎn)生塑性收縮,水泥在水化過程中造成一定體積變形減小,混凝土凝結(jié)后暴露面持續(xù)失去水平衡會引起進一步收縮?;炷了苄允湛s與水泥用量、養(yǎng)護、抹面、表層水泥砂漿均勻性有關(guān),干燥收縮則與水灰比、水泥成分、水泥用量等有關(guān),膠凝材料用量、單方用水量、坍落度和含氣量直接影響混凝土的抗裂性能。道床混凝土自身收縮是多種裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要原因。其中,混凝土塑性收縮會導(dǎo)致除L形裂縫和反射裂縫外的6種裂縫;水泥水化熱會導(dǎo)致八字形角裂縫、一字形橫向裂縫、縱向枕間橫向裂縫、表面龜裂縫;混凝土干燥收縮會導(dǎo)致除反射裂縫外的7種裂縫。
在道床板結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度發(fā)生變化以及持續(xù)對流熱交換和結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)作用下,道床板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度荷載。由于軌枕、支承層、端梁等外在強約束和混凝土內(nèi)部相互約束,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當溫度應(yīng)力為拉應(yīng)力且超過材料的抗拉強度時,道床板結(jié)構(gòu)發(fā)生早期裂縫,主要是混凝土結(jié)構(gòu)溫差導(dǎo)致的,包含水化熱引起的混凝土內(nèi)外溫差、軌道結(jié)構(gòu)整體的溫度升降差、道床板垂向及縱向溫度梯度?;炷林兴瘻厣^高,會引起混凝土開裂。溫度梯度造成道床板縱向溫度應(yīng)力遠大于橫向溫度應(yīng)力,且道床板表面縱向及橫向溫度應(yīng)力大于內(nèi)部溫度應(yīng)力,在道床板橫向中部及軌枕間較易產(chǎn)生龜裂縫,軌枕四角部位容易出現(xiàn)八字形角裂縫。裂縫逐漸橫向發(fā)展,在道床板邊緣及側(cè)立面垂向縱深方向出現(xiàn)L形裂縫。溫度應(yīng)力會導(dǎo)致除反射裂縫外的7種裂縫。
CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道一般采用軌排框架法施工。道床混凝土初凝后,若不能及時松開工具軌扣件和魚尾板螺栓,工具軌受日照影響熱脹冷縮,帶動軌枕縱向位移,軌排應(yīng)力得不到釋放,較易出現(xiàn)軌枕四周環(huán)向裂縫。同時在軌枕四角處造成應(yīng)力集中,產(chǎn)生八字形角裂縫。
1)工序管控不到位(主要包括混凝土運輸時間過長、骨料布料不均勻、未采用二次振搗工藝、抹面操作不合理、早期養(yǎng)護不當?shù)龋斐傻来舶寤炷凉ぷ餍阅懿睢①|(zhì)量不穩(wěn)定,導(dǎo)致軌道板開裂,產(chǎn)生除反射裂縫外的7種裂縫。
教師在課堂教學(xué)中要多為學(xué)生提供一些開放性問題,以供學(xué)生思考,發(fā)散學(xué)生的思維,使他們從不同的角度思考問題、解決問題。但教師提出的問題不能過于簡單,否則難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,難度還不宜過大,否則會導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生畏難情緒,教師要把握好開放性問題的“度”。例如:有一個花壇,是由四個相同的小三角形組成的一個大三角形,每個小三角形邊上種了10棵花,那么大三角形的一周種了多少棵花?一共種了多少棵?面對這樣的問題,學(xué)生必然會開動腦筋積極思考,開始畫圖或擺出模型計算答案,在活躍的氛圍中達到了學(xué)以致用的境界。
2)混凝土澆筑的時間和氣溫選擇不合理,混凝土入模溫度控制不到位,澆筑前模板內(nèi)雜物或浮渣清除不徹底,軌枕塊及支承層表面未充分潤濕或模板內(nèi)積水,混凝土入模溫度與軌枕塊、支承層、鋼筋、模板等表面溫差過大,這些因素易造成新舊混凝土界面開裂,產(chǎn)生除L形裂縫和反射裂縫外的6種裂縫。
1)路基局部不均勻沉降變形或整體沉降較大,路基填料中含有的硫酸鹽、黃鐵礦等膨脹性物質(zhì)超標而引起道床板上拱,出現(xiàn)一字形橫向裂縫。
2)支承層切縫處或底座板與支撐層分界處出現(xiàn)的道床板反射裂縫,多是貫通裂縫,表現(xiàn)為一字形橫向裂縫、L形裂縫、反射裂縫。
根據(jù)CRTSⅠ型無砟軌道道床板早期開裂機理,為減少或降低混凝土裂縫出現(xiàn)數(shù)量,控制寬度大于0.2 mm超標裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展,制定了道床板裂縫綜合控制技術(shù)措施:①優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計;②通過改善配合比實現(xiàn)低收縮道床板混凝土配置;③改進施工工藝,加強各工序管控。
3.1.1 采用單元式道床板結(jié)構(gòu)
昌景黃高速鐵路安徽段工程實踐表明,路基地段單元式道床板裂縫遠少于縱向連續(xù)式道床板,說明采用單元式道床板可顯著降低混凝土開裂敏感性,減小溫度應(yīng)力[11]。因此,路基地段應(yīng)優(yōu)先采用單元式結(jié)構(gòu)。具體方案為:道床板采用單元結(jié)構(gòu),每塊道床板長5~7 m,設(shè)兩個凸向底座方向的限位凹槽,道床板間設(shè)100 mm板縫;底座板采用分塊單元結(jié)構(gòu),每塊底座板對應(yīng)2塊道床板,寬3 400 mm,高300 mm;相鄰兩塊底座板間設(shè)20 mm的伸縮縫,伸縮縫處用11根傳力桿連接;每塊底座板上設(shè)限位凹槽,與道床板的限位凹槽相匹配;道床板與底座板間設(shè)4 mm厚隔離層。
3.1.2 設(shè)置后澆帶
縱向連續(xù)式道床板混凝土由于自身收縮、徐變以及受到外部強約束和持續(xù)的溫度荷載作用,內(nèi)部應(yīng)力得不到有效釋放。因此,可以在連續(xù)式道床板設(shè)置后澆帶,進行二次澆筑。現(xiàn)澆段長20 m,后澆帶預(yù)留約3 m,后澆帶與現(xiàn)澆段分界處設(shè)寬10 mm、深10 mm的伸縮縫,采用硅酮膠密封;后澆帶新舊混凝土分界位置盡量與支承層切縫相對應(yīng)。這一措施應(yīng)用于寶蘭客運專線工程中,裂縫數(shù)量減少了60%,明顯降低了收縮開裂的概率[12]。
3.1.3 增設(shè)抗裂鋼筋
雙塊式無砟軌道現(xiàn)澆道床板最大應(yīng)力出現(xiàn)在軌枕四周交界處,且越接近表層縱向應(yīng)力及橫向應(yīng)力越大,在軌枕四角產(chǎn)生45°八字形角裂縫。因此,可以通過在軌枕四角增設(shè)上層鋼筋來控制八字形角裂縫,如圖2所示。具體做法為在道床板上層配置雙排或單排鋼筋,雙排為每根軌枕增設(shè)16?12抗裂鋼筋,單排為8?12。昌景黃高速鐵路安徽段工程實踐表明,道床板上層配置雙排鋼筋的抗裂效果優(yōu)于單排鋼筋。
圖2 道床板上層增設(shè)抗裂鋼筋
混凝土自身收縮是道床板早期開裂的重要因素。通過調(diào)整配合比,優(yōu)化各項參數(shù),適當減少水泥用量,摻加適量粉煤灰,降低用水量、漿體體積、水膠比和坍落度,適當提高混凝土含氣量,可以延緩水化反應(yīng),減小混凝土自身收縮,提高早期抗裂性能。同時,避免使用隧道洞渣加工碎石作為粗骨料,而是采用二級或多級級配粗骨料。根據(jù)相關(guān)研究成果[13],并結(jié)合昌景黃高速鐵路安徽段現(xiàn)場實踐,采取了三低兩適的配合比,即低水泥用量、低用水量、低坍落度,適當含氣量、適量粉煤灰。具體內(nèi)容包括:①水泥用量控制在300 kg/m3左右,摻加30%優(yōu)質(zhì)粉煤灰;②坍落度控制在(120±20)mm;③用水量不大于150 kg/m3;④混凝土含氣量控制在3.0%~3.4%。
路基地段縱向連續(xù)式道床板混凝土施工應(yīng)充分結(jié)合工程的結(jié)構(gòu)和環(huán)境特征。在我國夏炎冬暖、夏炎冬冷和寒冷地區(qū),結(jié)合昌景黃高速鐵路安徽段工程實踐,從支承層/底座板驗收、混凝土施工工藝、早期保溫保濕養(yǎng)護[14]、工具軌排應(yīng)力釋放四個方面對道床板施工過程控制進行闡述。
3.3.1 支承層/底座板驗收
一般在混凝土終凝后或強度達到2~3 MPa時切縫,橫向兩端切縫深度至基床表層;支承層混凝土在施工完成后靜置2~3個月后再進行道床板混凝土施工。
3.3.2 混凝土施工工藝
1)混凝土制備和運輸。粗骨料采用二級或多級級配;含水粗細骨料應(yīng)晾曬、靜置2 h左右;混凝土運輸時間應(yīng)小于1 h,并保證連續(xù)供應(yīng);運輸過程中和澆筑前嚴禁加水;檢驗每車混凝土的坍落度、含氣量、入模溫度等指標。
2)澆筑。采用吊斗布料;灑水潤濕支承層/底座板及軌枕表面,模板內(nèi)不得積水;采用之字形路徑均勻布料[圖3(a)];嚴格控制道床板混凝土表面泌水和浮漿厚度;將混凝土入模溫度與軌枕、支承層、鋼筋、模板溫差控制在15℃以內(nèi);預(yù)先準備好防雨、防曬棚架等設(shè)施。
3)振搗。為降低八字形角裂縫和軌枕四周環(huán)向裂縫,宜采用二次振搗工藝[圖3(b)]。采用?50振搗棒在軌枕間充分振搗后,再使用?30振搗棒在軌枕四周及下部進行振搗。
圖3 道床板混凝土澆筑及振搗工藝示意
4)抹面?;炷寥肽<s0.5 h內(nèi)采用橫梁刮尺控制混凝土兩側(cè)標高及橫向排水坡;用木抹子提漿,1~2 h內(nèi)再用鋼抹子抹平(至少兩遍),初凝前用鋼抹子抹平壓光(2~3遍);增加用鋼抹子對軌枕與四周混凝土結(jié)合面處的抹平、壓光次數(shù)。
3.3.3 保溫保濕養(yǎng)護
初期養(yǎng)護采用噴霧器霧化方式,拆除軌道排架后采用兩布一膜+灑水的覆蓋養(yǎng)護方式;加強軌枕四周養(yǎng)護,必要時在最后一次抹面后均勻噴涂高效養(yǎng)護液進行保濕養(yǎng)護;抹面后立即進行養(yǎng)護。
3.3.4 工具軌排應(yīng)力釋放
混凝土初凝后進行軌排應(yīng)力釋放。步驟為:①按順序旋升螺柱支桿1/4~1/2圈(1~2 mm);②松開軌道扣件和軌道魚尾板螺栓,魚尾板及扣件松動時首先解除接頭處的魚尾板,而后采用跳解的方式解鎖。側(cè)模拆除后立即涂刷養(yǎng)護劑。
1)路基地段應(yīng)優(yōu)先采用單元式軌道結(jié)構(gòu),可以顯著降低道床板混凝土開裂的敏感性;在連續(xù)式道床板設(shè)置后澆帶進行二次澆注,可以有效減少收縮裂縫產(chǎn)生的概率;在軌枕四角增配上層抗裂鋼筋起到控制八字形角裂縫數(shù)量和早期發(fā)展的作用。
2)采用低水泥用量、低用水量、低坍落度、適當含氣量、摻加適量粉煤灰的配合比設(shè)計,能夠有效降低混凝土自身塑性收縮和干燥收縮,提高道床板抗裂性能。
3)從支承層/底座板驗收、混凝土施工工藝、早期保溫保濕養(yǎng)護、工具軌排應(yīng)力的及時釋放四個方面對施工過程進行控制,可以更好地控制道床板裂縫。