提高城市軌道交通整體道床耐久性能的措施*

王淑珍楊新文

（1.四川工商職業技術學院管理工程系，611830，成都；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，副教授）

提高城市軌道交通整體道床耐久性能的措施*

王淑珍1楊新文2

（1.四川工商職業技術學院管理工程系，611830，成都；2.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海∥第一作者，副教授）

針對城市軌道交通整體道床出現的耐久性不足現象，從整體道床的工作環境特點入手，詳細分析了整體道床的耐久性影響因素。介紹了提高整體道床耐久性的研究思路。在特定工程建設要求和自然邊界條件下，針對提高整體道床耐久性，介紹了具體的設計控制參數取值、保證施工質量的措施，以及運營階段道床定期養護維修措施。

城市軌道交通；整體道床；耐久性；提高措施

First-author's addressManagement and Engineering Department，Sichuan Technology and Business College，611830，Chengdu，China

早年建成的北京地鐵1號線和上海軌道交通1號線于近期對軌道結構進行了大修。從養護維修情況來看，鋼筋混凝土整體道床傷損治理難度大、維修成本高。

整體道床的耐久性不僅與行車安全性關系密切，還影響整個工程的綜合投資效益。業內對軌道結構的耐久性問題日益重視。

《混凝土結構耐久性設計與施工指南》要求城市地鐵輕軌系統按100年設計工作壽命考慮；《地鐵設計規范》（修訂稿）要求道床結構的設計使用年限為100年。而GB/T 50476—2008《混凝土耐久性設計規范》的實施，標志著混凝土耐久性設計已經成為強制性要求。

近年來，各地鐵公司對軌道系統的耐久性也非常關注［1-3］。南京地鐵公司聯合高校，研究了添加礦物摻和料、外加劑，調整水膠比等提高混凝土道床耐久性的方法［2］。重慶地鐵根據當地酸雨腐蝕比較嚴重的特點，研究了混凝土的腐蝕特性、評價方法和應對措施［3］。目前，對提高鋼筋混凝土整體道床的耐久性的研究基本是在工程費用基本不變或少量增加的前提條件下進行的，采取措施后的設計壽命期望一般可達60～80年。

耐久性提高措施和設計工作壽命的長短與鋼筋混凝土整體道床的工作環境和耐久性的主要影響因素密切相關。

1 整體道床工作環境特點

城市軌道交通整體道床分地下線、地面線和高架線3種敷設方式。地面線和高架線的道床長期受日曬雨淋及晝夜、四季溫差變化的影響。某些城市酸雨對混凝土道床的腐蝕也比較嚴重。由于埋設在地下，地下線氣溫基本恒定。但在地下富水區，地下水滲入隧道的情況很常見。當地下線路較長時，變坡點會較多，從而容易造成排水不暢和道床積水（見圖1），加劇對混凝土的腐蝕和道床裂縫的擴展，進而影響整體道床的耐久性。影響程度與地下水的腐蝕性密切相關。

整體道床承受從軌枕傳來的列車動荷載。道床設計一般采取容許應力法。主要過程為：

（1）在考慮列車走行中的輪重變動系數α后，計算出疲勞檢算輪重（=列車軸重×1/2×（1+ α））。

（2）根據最大脫軌系數和α，計算出疲勞檢算橫向力。

（3）根據疲勞檢算荷載，求出相應的鋼筋和混凝土應力。

圖1 整體道床積水及鈣化物淤積

城市軌道交通線路的設計通過能力一般為30對/h，遠高于鐵路；但城市軌道交通列車軸重較輕（≤16 t），因此，采用C30混凝土的整體道床強度一般可滿足應力檢算要求。但在動應力和積水等外部環境因素的共同作用下，道床裂紋會加速擴展，從而縮短道床壽命。在列車荷載作用下的疲勞問題屬于變幅、低應力、高循環、長壽命的疲勞范疇。

城市軌道交通一般采用直流供電，利用軌道鋼軌實現回流。由于鋼軌本身具有一定電阻，且走行軌不能完全對地絕緣，因此，部分電流會泄露到道床中，從而引起道床鋼筋的腐蝕。例如，北京地鐵1號線道床受雜散電流腐蝕嚴重，影響了道床的使用壽命。

2 整體道床耐久性的影響因素

影響整體道床耐久性的因素非常復雜，根據現場調查和研究資料反映的情況，文獻［1-3］總結了主要的影響因素，具體有混凝土裂縫、混凝土碳化、鋼筋腐蝕、混凝土抗滲性、混凝土抗凍性、氯離子擴散和雜散電流腐蝕等。

（1）混凝土裂縫。由于混凝土在終凝前或者剛剛終凝時強度很小，受高溫或風力的影響，混凝土表面失水過快，造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮，因此混凝土產生龜裂。影響混凝土收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、環境溫度、風速、相對濕度等。

（2）混凝土碳化?；炷撂蓟侵缚諝庵械腃O2首先滲透到孔隙和毛細孔中，然后溶解于孔中液體，進而與水泥水化作用產物氫氧化鈣、硅酸鈣等作用形成碳酸鈣?；炷撂蓟?，部分凝膠孔和毛細孔被碳酸鈣堵塞，雖然其密實性和抗壓強度有所提高，但混凝土碳化后堿性程度降低，一旦碳化層達鋼筋表面，將破壞鋼筋表面的鈍化膜而使其生銹。而且碳化的混凝土會加劇收縮變形，導致裂縫出現、粘結力下降，甚至鋼筋保護層脫落。城市軌道交通地下線空氣中CO2的濃度較高，如果道床長期浸水，則會加快道床的混凝土碳化。另外，為了防止混凝土碳化腐蝕鋼筋，應有足夠的鋼筋保護層厚度。

（3）鋼筋腐蝕?；炷撂蓟瘜舆_到鋼筋表面，或混凝土原生的和各種原因產生的縫隙使周圍的空氣、水和土壤中的氯離子到達鋼筋表面，都會銹蝕破壞鋼筋表面的局部鈍化膜，漏出鐵基體。銹蝕處的鐵基體與完好的鈍化膜之間形成電位差。其中，小面積的銹蝕點成為陽極，而大面積的鈍化膜為陰極。大陰極的陰極反應生成OH-，從而提高PH值；小陽極表面的鐵溶解后生成Fe（OH）2，成為固態腐蝕物。因而，鋼筋銹蝕后會先出現電蝕，發展為坑蝕，并快速向外蔓延，最后擴展成為全面銹蝕。銹蝕物的體積是鐵基的數倍，體積膨脹會使道床產生順筋裂縫。

（4）混凝土抗滲性?；炷恋目節B性是決定混凝土耐久性最基本的因素。若混凝土的抗滲性差，則周圍液體物質易滲入其內部。當遇有低溫或環境水中含有侵蝕性介質時，混凝土就會因冰凍或侵蝕作用而破壞，對鋼筋混凝土還將引起其內部鋼筋的銹蝕，并導致表面混凝土保護層開裂與剝落?；炷翝B水是由于內部的孔隙形成連通的滲水通道。這些通道主要是水泥漿中多余水分的蒸發而留下的氣孔、水泥漿泌水所形成的毛細孔及粗骨料下部界面水富集所形成的孔穴。另外，在混凝土施工成型時，振搗不實產生的蜂窩、孔洞都會造成混凝土滲水?；炷恋拿軐嵍燃皟炔靠紫兜拇笮『蜆嬙焓菦Q定其抗滲性的重要因素。

（5）混凝土抗凍性。整體道床地面和高架線在寒冷地區，特別是在接觸水的環境下，要求具有較高的抗凍性能?；炷量箖鲂允侵钙涞挚苟啻蝺鋈谘h而不疲勞破壞的性質。如果混凝土內部孔隙中的水因結冰膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸汽壓而產生的內應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產生裂縫。多次凍融會使裂縫不斷發展直至破壞。混凝土的密實度、孔隙構造和數量、孔隙的充水程度是決定其抗凍性的重要因素。

（6）氯離子擴散。外界的氯離子以水溶液的形式大量分布于整體道床鋼筋混凝土的表面，當混凝土表面存在裂縫、開口孔隙等現象時，氯離子會滲入其中并積聚在鋼筋周圍，當鋼筋周圍的氯離子濃度較高時，氯離子會滲入鈍化膜與鐵離子結合破壞鋼筋鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，進而導致混凝土結構被破壞。有試驗表明，混凝土拌和物中氯離子含量若達到水泥含量的0.035%，就足以使混凝土中的鋼筋局部去鈍化，從而導致鋼筋銹蝕。因此，氯離子是促使鋼筋銹蝕、破壞鋼筋混凝土耐久性的最危險物質之一。

（7）雜散電流腐蝕［5］。地鐵雜散電流對道床鋼筋的腐蝕。在本質上是電化學腐蝕，屬于局部腐蝕?；炷羶蠕摻畹母g速率與周圍介質的電阻率、混凝土的水膠比等有關。實際的電化學當量、腐蝕速率遠遠小于電解質溶液中的腐蝕速率?；炷恋碾娮杩梢猿蔀楹饬炕炷翜p少雜散電流的腐蝕的指標。有試驗表明混凝土中摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰可以使同水膠比的基準混凝土的電阻增大5倍。優化后的混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力可比同水膠比的基準混凝土提高6～8倍。整體道床常采用的水膠比0.38的C30泵送混凝土。

3 提高整體道床耐久性的措施

由上可見，影響混凝土道床耐久性的因素眾多，耐久性的提高是一個復雜的系統工程。近年來混凝土整體道床的耐久性日益受到重視。在不增加投資的條件下，南京、廣州、成都等地鐵已開始進行整體道床耐久性的研究。整體道床耐久性提升要從混凝土材料組成的改進、道床結構設計優化、施工工藝改進和加強運營維護等方面入手，其研究思路如圖2所示。

3.1 優化整體道床耐久性設計控制參數

優化選擇整體道床耐久性的設計控制參數，首先要根據工程建設要求和自然邊界條件確定期望壽命和投資限額；然后確定耐久性設計條件和要求輸入參數；最后根據所述整體道床耐久性影響因素及控制方法，提出具體的整體道床耐久性設計控制參數。

圖2 整體道床耐久性優化思路

從調研情況來看，國內目前混凝土整體道床的期望設計壽命在60～80年，大多在不增加或少量增加投資的條件下進行整體道床耐久性設計。表1為某城市軌道交通地下線整體道床耐久性設計輸入參數，主要包括列車荷載因素、氣溫和濕度影響、碳化和鋼筋銹蝕速度等。

表1 耐久性設計輸入參數

綜合考慮整體道床耐久性影響因素后提出了耐久性設計控制參數，如表2所示。表2中數據表明，在不增加投資的前提下，該線整體道床要達到60～80年的期望設計壽命，混凝土強度等級須采用C35，配筋率、鋼筋保護層厚度、水膠比、裂縫寬度須滿足特定要求，道床結構須設置足夠的排水坡度，以確保排水通暢。

如果按道床結構的設計使用年限為100年的標準考慮，還需重新審視道床耐久性設計控制參數。城市軌道交通整體道床100年設計壽命的研究才剛剛開始，還有很長的路要走，其關鍵問題是工程費用增加量和耐久性提高程度之間的平衡問題。

表2 整體道床耐久性的設計控制參數

3.2 保證施工質量

城市軌道交通整體道床一般采用現場澆注的施工方法。為了提高施工質量，保證混凝土道床的耐久性，施工過程中要對鋼筋網綁扎、立模澆注、振動搗固、養生清理四個環節的工作加強管理。具體要求為：①道床鋼筋網應按設計尺寸綁扎牢固，無歪斜扭曲現象。根據雜散電流排流要求對橫向和縱向鋼筋進行焊接，并預留排流端子。②盡量采用鋼模板，須將模板內表面清理干凈，模板安裝后檢查鋼筋保護層厚度必須滿足設計要求?；炷吝\輸和卸料過程中要保證質量，澆注混凝土時應做到布料均勻，不污染軌排架和軌枕。③加強混凝土搗固質量，尤其是下部鋼筋網和軌枕底部，并避免搗固棒接觸軌排架和軌枕。道床采用專用量具控制斷面形狀，做到一步到位，表面修平抹光后的平整度為5 mm。④道床拆模后應及時修補支腿孔部位和進行養生工作，養生周期根據所在地氣候條件確定，一般為7～14 d。養生強度達到要求后應全面清理道床表面，鏟除多余灰渣，清掃干凈。

3.3 加強道床養護維修

為了保證整體道床的正常工作狀態和耐久性，工程交付運營后，應對道床進行定期維修，主要包括下列項目：①檢查整體道床及排水溝混凝土表面、軌枕與道床混凝土間是否出現裂縫，記錄裂縫長度、寬度及形狀，并觀測裂縫是否發展。②檢查整體道床是否有上拱或下沉現象，并觀測上拱或下沉是否發展。當發展變化量在扣件調整允許范圍內時可用扣件進行調整，并盡快采取結構注漿的措施進行控制。③檢查排水系統是否通暢，排水溝是否淤塞、排水溝是否有裂紋。④檢查工作應做好觀察記錄，檢查頻次根據實際需要安排。

4 結語

城市軌道交通建設和運營的實踐表明，提高鋼筋混凝土整體道床的耐久性可以減少維修工作量和維修周期，提升整個工程的綜合經濟效益，這也是今后軌道工程建設的熱點問題［6］。整體道床除了受列車動荷載長期作用、雜散電流腐蝕外還受復雜多變的自然因素的化學、物理作用。

要提高整體道床的耐久性，首先要合理確定具體的整體道床耐久性設計控制參數，其次是保障施工質量，以及做好養護維修工作。

［1］ 黃文新.廣州地鐵混凝土結構在環境多因素作用下抗侵蝕耐久性的研究［D］.廣州：華南理工大學，2010.

［2］ 杜應吉.地鐵工程混凝土耐久性研究與壽命預測［D］.南京：河海大學，2005.

［3］ 陳寒斌.嚴重酸雨環境下混凝土性能與環境評價［D］.重慶：重慶大學，2006.

［4］ 曾宇光.淺談混凝土結構的耐久性［J］.山西建筑，2009，35（35）：32.

［5］ 秦峰，朱祥連，奚杰，等.城市軌道交通設施雜散電流的防護［J］.機電工程，2013，1（1）：102.

［6］ 薛許坤，韓豫，成虎.城市軌道交通全壽命周期設計理論及應用［J］.城市軌道交通研究，2013（1）：14.

北京公交、地鐵12月28日起實行新票價

北京公交、地鐵自12月28日起，所有線路（機場線除外）將實行新票價。道路公交方面，10 km（含）內2元，10 km以上部分，每增加1元可乘坐5 km。使用市政交通一卡通刷卡，市域內路段普通卡打5折，學生卡2.5折，八方達所屬市域外線路實行八折優惠。地鐵方面，6 km（含）內3元；6-12 km（含）4元；12-22 km（含）5元；22-32 km（含）6元；32 km以上部分，每增加1元可乘坐20 km。使用市政交通一卡通，每自然月內，每張卡支出累計滿100元后，超出部分打8折；滿150元后，超出部分打5折；支出累計達400元后，不再打折。隨著票改的進行，車票設置4 h時限等一系列配套規定也同時鋪開。

（摘自2014年12月28日《中國新聞網》，王碩報道）

Improving Measures for Monolithic Track Bed Durability in Urban Rail Transit

Wang Shuzhen，Yang Xinwen

In view of the problemsin track bed durability in urban rail transit，and starting from the working conditions of the track basement，the influencing factors over the durability are analysed in detail and a new research method is introduced，aiming to improve the track bed durability.According to special engineering requirements and natural boundary conditions，the concrete controlling parameters，the engineering quality ensurance and ruoutine maintenance of the track bed in operation are introduced.

urban rail transit；track basement；durability；improving measures

U 213.2+41

10.16037/j.1007-869x.2015.01.013

2013-05-05）

*國家自然科學基金項目（51165017）