高原铁路无砟轨道道床板裂缝控制措施

何财基 苗国林 李享涛 东怀正 裘智辉 刘伟斌

（1.川藏铁路有限公司，成都 610043；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.西藏铁路建设有限公司，拉萨 850000）

无砟轨道现浇混凝土道床板具有施工便捷、造价较低、工程适应性强等优点，在我国铁路建设中应用广泛［1-2]。其中，CRTSⅠ型双块式、弹性支承块式和长枕埋入式是较为常见的结构形式。工程实践表明［3-5]，无砟轨道现浇混凝土道床板在施工过程中易出现龟裂、轨枕四角处八字裂缝、板面横向贯通裂缝、轨枕环向离缝等开裂问题。气候环境恶劣时道床板开裂现象更为严重。道床板裂缝将影响结构耐久性、轨枕稳定性及其道床板整体受力特性，严重时甚至影响到列车运营安全。因此，研究高原地区现浇混凝土道床板开裂控制措施，对减少无人区铁路轨道工程的养护维修量具有重要意义。

本文主要从结构、材料和施工工艺三个方面提出减少高原铁路无砟轨道道床板开裂的措施，并通过现场试验验证其对高原环境的适应性，为今后高原铁路无砟轨道施工质量控制提供借鉴。

1 结构优化措施

1.1 道床板铺设方式

无砟轨道道床板的铺设方式分为连续式和分块式。连续式道床板整体结构简单、稳定性好，在列车荷载作用下抗弯能力较强，但对温度变化敏感，受上部和下部强约束的影响，混凝土所受的水平纵向应力远大于横向应力，易发生横向开裂［6]，而分块式道床板在温度力作用下内部应力小，板端位移量小，有利于减少裂缝的数量和宽度［7]。综合考虑2 种道床板的受力特点，高原铁路无砟轨道宜按分块式道床板设计。

1.2 道床板厚度

无砟轨道结构所受荷载主要来自上部列车动荷载，列车频繁的动载作用会造成道床板与底座板剥离，尤其是道床板厚度不足时两者间离缝会更严重。图1 为道床板宽度280 cm 时弯曲应力随道床板厚度变化曲线。可知，道床板厚度从24 cm 增至42 cm，道床板所受的弯曲应力由1.89 MPa 降至0.83 MPa。增加道床板厚度可有效减小列车动荷载作用下道床板所承受的弯曲应力。为了减小列车动荷载对道床板的破坏作用，无砟轨道道床板厚度不宜小于35 cm。

图1 弯曲应力随道床板厚度的变化曲线

1.3 道床板宽度

道床板厚度35 cm 时弯曲应力随道床板宽度的变化曲线见图2。可知，道床板宽度由240 cm 增至280 cm 时，道床板所受的弯曲应力由1.18 MPa 降至1.08 MPa，道床板宽度达到280 cm 以上时弯曲应力基本无变化。这说明在一定范围内增加道床板宽度，可有效减小列车动荷载作用下道床板所受的弯曲应力，道床宽度宜按280 cm设计。

图2 弯曲应力随道床板宽度变化曲线

1.4 抗裂钢筋

现浇板式无砟轨道轨枕四周道床板混凝土应力较集中，须采取适宜构造措施。如轨枕四周可增设八字抗裂钢筋（图3）。按环境条件恶劣程度的不同，抗裂钢筋有单排和双排两种布置方式。相比单排布置，双排布置抗裂钢筋对道床板抗裂作用更强。该方案在兰新、宝兰、兴泉铁路进行了应用，增设抗裂钢筋后道床板整体温度纵向应力减小5.27%［8]，减少了轨枕四周八字裂缝的出现概率。

图3 斜向抗裂钢筋布置

2 材料优化措施

2.1 低收缩道床板混凝土配制

减小混凝土的塑性收缩和干燥收缩是降低混凝土开裂的重要途经。通过优化配合比，降低胶凝材料用量、水胶比和坍落度，适当提高含气量，可提高混凝土的匀质性，降低混凝土的塑性收缩及干燥收缩，从而达到提高混凝土抗裂性的目的。“三低一高”低收缩道床板混凝土配制技术要点［9-10]：①混凝土胶凝材料用量宜控制在380 kg/m3左右，不得大于400 kg/m3；②混凝土单方最大浆体体积不应大于0.32 m3；③混凝土砂率不宜大于40%；④混凝土的含气量宜控制在4%～6%；⑤混凝土坍落度不宜大于140 mm。

2.2 基于内养护的高抗裂道床板混凝土技术

高原地区太阳辐射强、昼夜和全年气温波动大、大风干燥，大部分地区全年8 级以上的大风日在50 d以上，1月平均气温均低于0 ℃，极端最低气温低于-20 ℃。在如此恶劣环境下进行无砟轨道施工，还须采取技术措施进一步提高混凝土自身的抗裂性能。针对干燥环境下混凝土湿度补偿需要，课题组提出掺内养护剂的方法提高道床板混凝土的抗裂性能。图4为掺内养护剂混凝土的塑性收缩和干燥收缩随龄期的变化曲线。可知，与基准混凝土相比，掺内养护剂混凝土72 h龄期塑性收缩降低85%，240 d龄期干燥收缩降低36%。无论在塑性阶段还是硬化阶段，内养护剂均具有优异的减缩效果，使混凝土抗裂性能得到明显提升。

图4 掺内养护剂混凝土塑性收缩与干燥收缩随龄期变化曲线

图5 圆环约束开裂试验装置

图6 内养护剂对砂浆抗裂性能的影响

采用圆环约束开裂法评价混凝土的抗裂性能，试验装置见图5，内养护剂对与C40 道床混凝土同配比砂浆（筛除碎石）抗裂性能的影响见图6。可知，基准砂浆在接近5 d 龄期时开裂，开裂前钢环最大应变为57×10-6；掺内养护剂砂浆至18 d 龄期时仍未开裂，且其收缩引起的钢环应变与基准砂浆相比一直处于较低水平。可见，内养护剂能提高砂浆硬化后的抗裂性能。这主要是因为保水组分在砂浆内部迁移和阻滞水分可提高砂浆黏聚力，减缓砂浆表面水分的散失；湿度调控组分在砂浆内部进行水分补偿，为水泥水化提供良好的内部湿度环境，可降低砂浆的塑性收缩和自收缩。

3 施工工艺优化措施

3.1 机械化施工

为避免道床板混凝土浇筑过程中离析、分层，需采用“三低一高”低收缩道床板混凝土进行施工。因高原条件下传统施工工艺导致工人劳动强度高，针对高抗裂道床板混凝土施工性能特点，课题组提出己字形三点布料浇筑工艺（图7）并研制了机械振捣机。采用该布料工艺可提高混凝土入模后的匀质性，减少混凝土表层浮浆，抑制表面龟裂和八字裂缝。机械振捣机（图8）由行走系统、振捣系统、升降系统等组成，横向布设4 根φ100 高频振捣器，保证轨枕底部混凝土密实和界面黏结质量，避免振捣、抹面过程中工人随意洒水，减少轨枕四周离缝、八字裂缝出现的概率。

图8 机械振捣机

3.2 高效保湿养护

养护是减少道床板混凝土开裂的重要环节。工程上道床板养护常采用洒水覆盖、滴灌等传统养护方法，但均须在养护期间不间断补水，且暴露面积大的现浇混凝土还存在洒水早易起皮、洒水晚易开裂的问题。针对高原地区道床板混凝土养护时效性强的特点，课题组提出了成膜保湿养护方法。最后一次抹面后，在道床板混凝土表面喷洒或涂刷成膜养护剂，形成一层连续致密薄膜以阻止水分散失进而达到高效保湿养护的目的。成膜型养护剂对混凝土塑性开裂性能的影响见表1。可知，与基准混凝土相比，喷涂成膜型养护剂混凝土的开裂时间延迟3.4 h，裂缝数量、最大裂缝宽度、最大裂缝长度和开裂面积均显著减小，这说明成膜型养护剂可有效防止表层混凝土水分散失，进而提高道床板混凝土的抗裂性能。

4 工程应用

表2 试验段裂缝统计结果

拉林（拉萨—林芝）铁路为160 km/h 客货共线铁路，在地质情况良好且长度大于1 km 的隧道内铺设弹性支承块式无砟轨道，先期施工的道床板已出现不同程度的开裂。为验证上述无砟轨道道床板综合抗裂技术措施在高原地区的适应性，选择代表性工点开展了现场试验。在道床板合理设计、机械化施工的基础上，设计了三种方案重点研究增设抗裂钢筋、掺内养护剂、喷涂成膜型养护剂对道床板混凝土抗裂性能的影响。对现场道床板开裂情况进行了持续观测，140 d龄期的观测结果见表2。可知：方案2 和方案3 均能有效降低道床板混凝土的裂缝数量和最大裂缝宽度，且方案3效果更明显。与方案2比较，方案3混凝土每延米裂缝数量降低了78.4%，每平方米道床板裂缝总长度降低了92.8%，最大裂缝宽度减小了72.2%，彻底消除了贯穿裂缝，表明内养护剂的抗裂效果显著。方案1和方案2混凝土表面龟裂严重（图9（a）），而方案3混凝土表面均没有出现龟裂（图9（b）），说明内养护剂能有效阻止混凝土早期水分散失。

图9 道床板现场试验效果

5 结语

因环境严酷、原材料品质差，高原地区道床板开裂敏感性高。高原铁路无砟轨道道床板裂缝控制是一项系统工程，需从结构、材料和施工三方面采取综合技术措施。增设抗裂钢筋能一定程度上降低道床板的八字裂缝，掺内养护剂不仅能显著降低道床板八字裂缝，还能有效避免横向贯穿裂缝，机械化施工能有效降低轨枕四周离缝，喷涂成膜型养护剂可显著降低道床板表层龟裂。本文提出的道床板裂缝控制措施可为高原铁路无砟轨道工程建设提供借鉴。