金沙洲隧道無砟道床板病害整治施工技術*

鄭新國，董 武，李書明，楊德軍，劉 競，曾 志，潘永健

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國國家鐵路集團有限公司，北京 100844)

0 引言

隧道是我國鐵路基礎設施的重要組成部分，目前，我國已投入運營的鐵路隧道達15 117座，總長度達16 331km[1]。在鐵路隧道建設中，為了減少線路養護維修工作量，我國規范規定，長度大于 1 000m 的隧道和隧道群宜優先采用無砟軌道[2]。

與路基和橋涵結構不同，鐵路隧道通常埋深幾十米到上千米，地質結構更復雜，大部分隧道中蘊藏著豐富的水源，水中離子種類多樣，水質也千差萬別，造成了部分隧道過早出現劣化情況，且多數病害與水有關。例如，唐呼線集寧隧道內出現了由隧底高壓地下水沖刷隧底引起的整體道床底部離縫病害，同時共生出現了軌道上拱病害，嚴重影響了線路的正常運行[3]；獅子嶺隧道運營后圍巖遇水發生結構性破壞[4]；柏崖頭隧道基底地下水的長期作用使隧道巖層侵蝕軟化，圍巖的基本承載力下降，列車通過時和通過后的正負水壓對結構的反復抽吸作用導致基底結構出現吊空或翻漿冒泥[5]。針對隧道整體道床底部水引起的離縫、上拱、沉降和翻漿冒泥病害，主要采用拆除整體道床、高壓注漿[6]、利用材料膨脹力進行化學注漿[7]等方式進行整治，但是針對隧道裂隙水引起的無砟軌道道床板縱向開裂情況尚未研究。本文以京廣高鐵金沙洲隧道道床板縱向開裂為背景，分析了病害產生的原因，并提出了相應的整治技術，可為類似病害整治工程提供參考。

1 工程概況

京廣高速鐵路是京港(北京—香港)高速鐵路的重要組成部分，是我國《中長期鐵路網規劃》中“八縱八橫”高速鐵路的重要“一縱”。京廣高鐵首建武廣段于2005年6月開工建設，2009年12月開通運營。金沙洲隧道(K2 270+720—K2 275+189)位于京廣高速鐵路武廣段廣州北—廣州南區間，隧道全長4 469m，為單洞雙線隧道。隧道縱斷面呈“V”字形，最大坡度2%。隧道內鋪設CRTS I型雙塊式無砟軌道，軌道超高為0，采用W300-1型扣件。該段線路無砟軌道結構橫斷面如圖1所示。金沙洲隧道無砟軌道道床板構筑于隧道仰拱回填層上，采用C40混凝土現場澆筑而成。道床板寬2 800mm，厚265mm(道心)，采用HRB335級鋼筋，混凝土凈保護層厚50mm。

圖1 隧道內無砟軌道結構橫斷面

2 病害分析

自京廣高速鐵路開通運營以來，金沙洲隧道道床板逐漸出現縱向裂紋，后發展為較大裂縫，最大裂縫寬度達20mm，局部甚至出現掉塊現象，為分析道床板裂損病害產生的原因，對隧道內無砟軌道進行現場調研、取樣檢測及無損檢測。

現場調研發現，金沙洲隧道內道床板混凝土裂損、鋼筋銹蝕、鋼軌和扣件腐蝕問題全部集中于隧道中間高程較低段，且病害位置均存在明顯積水或積水痕跡，積水越多裂損越嚴重。道床板混凝土裂損位置幾乎都存在排水溝堵塞后導致水流浸泡道床板下部問題；在無積水和滲漏水痕跡處，道床板、邊溝踏步臺和隧道襯砌混凝土均無明顯裂損。另外，隧道中段部分鋼軌及扣件腐蝕較嚴重，尤其隧道拱頂漏水，水直接滴落至鋼軌及扣件處銹蝕最為嚴重。取樣檢測結果表明，隧道明水中氯化物含量為1 071mg/L，且呈酸性，開裂區段道床板混凝土中氯離子含量均值為0.833%，最大值達1.47%，遠超過TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》中規定的鋼筋混凝土結構中混凝土氯離子含量小于0.1%及混凝土拌合水中氯化物含量小于200mg/L的限制。可以看出，金沙洲隧道道床板裂損處環境潮濕，且氯離子含量較高，極易誘發鋼筋銹蝕病害。從現場剝落掉塊的道床板混凝土來看，混凝土剝落后，暴露出的縱向鋼筋銹蝕相當嚴重，且剝落面和縱向鋼筋走向吻合。

通過現場調研和檢測分析發現呈弱酸性且氯離子超標的水體長期浸泡混凝土，加之列車風帶起的水霧、鹽霧等使氯離子逐步滲入混凝土并沉積，破壞了鋼筋既有的保護屏障，導致鋼筋銹蝕膨脹，最終造成混凝土裂損。由此可知，氯離子含量超標且呈弱酸性的水是導致該隧道內道床板裂損、鋼筋銹蝕等問題的根本原因。

3 整治方案

為了徹底整治道床板裂損病害，首先應解決氯離子侵蝕道床板混凝土問題。工程采用疏導病害源頭、局部修復嚴重病害、主動防御有害侵蝕等多舉措對道床板裂損進行整治，恢復病害區段無砟軌道結構整體性能，具體整治措施如下。

1)疏導側溝排水 現場調研和取樣分析均表明，水是導致病害的根本原因。為保證病害整治質量并防止未整治區段輕微裂損進一步發展，須對水進行整治。

2)鑿除裂損嚴重的道床板混凝土 對于道床板兩側縱向裂損嚴重和掉塊區段，顯然已無法通過修補恢復軌道結構穩定性從而阻止進一步裂損，須對道床板裂損嚴重的混凝土和配筋進行徹底更換，以達到根治目的。根據檢測結果，確定裂損嚴重的道床板混凝土鑿除范圍，將裂損混凝土鑿除，同時，將銹蝕嚴重鋼筋切割拆除或除銹防腐。

3)配置防腐蝕鋼筋 采用環氧樹脂涂層鋼筋替換原有銹蝕鋼筋，并對橫向鋼筋做防腐處理和加強植筋，在恢復軌道配筋情況下保證后期耐久性。

4)重新澆筑混凝土 對原有混凝土界面進行處理后，采用快硬型聚合物混凝土重新澆筑恢復道床板結構。

5)涂刷氟碳保護涂層 混凝土澆筑后，在混凝土表面涂刷氟碳保護涂層，進一步阻止外界氯鹽侵蝕混凝土及鋼筋，保證軌道結構耐久性。

4 施工技術

金沙洲隧道道床板裂損病害整治工藝流程為：疏通排水→道床板切縫→混凝土鑿除→既有鋼筋處理→橫向補強鋼筋錨固→縱向防腐鋼筋綁扎→混凝土界面處理→混凝土澆筑→混凝土表面增強處理。

4.1 疏通排水

因道床板混凝土裂損和鋼筋銹蝕是由氯離子含量超標的水造成，故應清理邊溝和排水溝內淤積、水體結晶物及其他雜物，疏通原有排水系統，一方面保證施工時排水暢通無明顯積水，避免超標水體污染施工區域，影響施工質量；另一方面最大限度減少隧道明水對整治后道床板混凝土造成侵蝕。

4.2 道床板鑿除范圍確定

在鑿除裂損的道床板混凝土前，需根據道床板混凝土中氯離子含量確定混凝土鑿除范圍，盡量將氯離子含量超標的混凝土鑿除，以免后期氯離子遷移造成鋼筋繼續銹蝕。根據取樣檢測結果，道床板靠邊溝側的3根縱向φ20鋼筋已全部處于氯離子含量超限環境中，且大概率已經銹蝕。為保證后期道床板鋼筋耐久性，結合現場道床板縱向裂縫位置，以更換銹蝕鋼筋和氯離子超標混凝土為原則，確定道床板混凝土鑿除范圍，如圖2所示。具體鑿除范圍為道床板表面寬283mm、軌枕底面位置寬270mm、道床板底面寬180mm區域，其中，上半部約102mm范圍沿著軌枕端面鑿除，以保證混凝土的整體性，防止界面開裂。

圖2 道床板混凝土鑿除范圍

為準確鑿除確定范圍內的混凝土，防止鑿除時影響相鄰混凝土表面，在混凝土鑿除前對道床板混凝土進行切縫，切縫深度約30mm。切割過程中包括保護鋼軌、扣件及軌枕，防止污染，切割完畢后及時沖洗道床板泥污。

4.3 混凝土鑿除

采用電鎬或小型風鎬按確定范圍鑿除道床板混凝土，鑿除過程中應避免傷及完好道床板混凝土、道床板橫向鋼筋和軌枕桁架鋼筋。

4.4 鋼筋處理及綁扎

4.4.1縱向鋼筋處理

道床板邊緣裂損區的3根縱向鋼筋幾乎全部處于高氯離子環境中，且部分裂損嚴重區域已銹蝕外露，整治時需將其全部更換為環氧樹脂涂層鋼筋。環氧樹脂涂層鋼筋是在工廠生產條件下，采用靜電噴涂法將環氧樹脂粉末噴涂在普通帶肋鋼筋和普通光圓鋼筋表面的一種具有涂層的鋼筋，具有很好的耐蝕性，適用于處在潮濕環境或侵蝕性介質中的鋼筋混凝土結構。新鋼筋與原縱向鋼筋按等型號、等直徑φ20 HRB335鋼筋原位置替換，如圖3所示。對縱向鋼筋鑿除部分除銹并涂刷鋼筋阻銹劑，鋼筋阻銹劑在鋼筋表面形成單分子吸附膜，吸附膜具有致密疏水性，可有效抑制侵蝕性介質引起的鋼筋銹蝕，其主要技術指標滿足JT/T 537—2018《鋼筋混凝土阻銹劑》中第5.1節表2要求。按原設計要求，將縱向鋼筋搭接綁扎，搭接長度不得小于700mm，且同一層鋼筋的搭接接頭應錯開設置，如圖4所示。

圖3 銹蝕鋼筋處理

圖4 道床板縱向鋼筋處理

4.4.2橫向補強鋼筋錨固

為保證道床板整體性，降低對原軌道結構的擾動，原則上不更換道床板橫向鋼筋，而采取原鋼筋局部除銹，增設補強橫向鋼筋的處理方案，同時對上、下層橫向鋼筋采用同型號φ16 HRB335環氧樹脂涂層鋼筋和環氧樹脂植筋膠進行補強植筋。在原上層鋼筋高度每2根軌枕間按間距300mm植入2根補強鋼筋，植筋深100mm，補強鋼筋長324mm；在原下層鋼筋高度每根軌枕正下方位置植入1根補強鋼筋，植筋深100mm，補強鋼筋長270mm。補強鋼筋末端與原橫向鋼筋末端對齊并保證道床板側面保護層厚度不小于50mm。

道床板橫向補強鋼筋采用環氧樹脂植筋膠植入，植筋深度為100mm，植筋時應清洗并吹干植筋孔，環氧樹脂植筋膠的主要性能指標滿足JG/T 340—2011《混凝土結構工程用錨固膠》中第5.1節表1中有機類錨固膠的要求。

縱向鋼筋與橫向鋼筋間根據綜合接地和軌道電路絕緣要求設置焊接接頭或絕緣卡。

4.4.3鋼筋綁扎

將φ20縱向環氧樹脂涂層鋼筋與橫向既有鋼筋和橫向補強鋼筋通過絕緣卡綁扎固定，兩端與既有縱向鋼筋搭接綁扎，同層縱向鋼筋搭接范圍錯開。

4.5 混凝土界面處理

清理混凝土界面碎屑及松動混凝土塊，用水清洗界面，切割機切縫位置應采用刷洗方式。清洗完畢采用吹風機吹掉明水，在清洗過的混凝土界面涂刷混凝土界面劑，界面劑主要技術指標滿足JT/T 907—2018《混凝土界面處理劑》中第6.2節表1要求。

4.6 混凝土澆筑

為確保修補混凝土的界面黏結性、優異的體積穩定性和良好的耐久性，以滿足天窗時間施工為前提，采用C50快硬高性能聚合物混凝土對道床板進行修復，聚合物混凝土的主要性能指標如表1所示。現場支立鋼模板澆筑聚合物混凝土并振搗密實。

表1 C50快硬高性能聚合物混凝土技術要求

4.7 混凝土表面增強處理

在快硬高性能聚合物混凝土硬化后對其表面及相鄰既有混凝土表面噴涂混凝土表面增強劑，使表層混凝土毛孔緊縮，減緩外界不良水體滲入，進一步提高混凝土抗氯化物侵蝕能力。混凝土表面增強劑滲透混凝土內部，與水泥水化產物發生化學反應，收縮混凝土毛孔和裂縫，使混凝土致密，從而提高其硬度和耐久性。

道床板修復完成后新舊混凝土界面黏結良好，混凝土表面密實，隧道中排水暢通，線路恢復常速運營，達到了預期的修復效果。

5 結語

1)隧道內呈弱酸性且氯離子含量高的裂隙水侵蝕是導致金沙洲隧道道床板裂損及鋼筋銹蝕的主要原因。

2)根據金沙洲隧道道床板病害產生原因，提出疏通排水、鋼筋處理、混凝土修復及表面防護于一體的整治修復技術。

3)經過對金沙洲隧道道床板病害分析，查明了病害產生原因，并對隧道漏水、側溝排水、鋼筋銹蝕及混凝土碎裂進行了綜合整治，修復了無砟軌道結構，線路恢復常速運營，達到了預期整治效果。