地鐵無砟軌道自密實混凝土施工技術研究進展

凱樂，尹輪，喻可超，朱多，何小滿

（1重慶建工建材物流有限公司，重慶 401122；2重慶市建筑材料與制品工程技術研究中心，重慶 401122）

0 引言

軌道交通由于其節約地面空間、通勤時間短、污染小、載客量大等優點，在各大城市得到迅速發展。但是，目前地鐵施工普遍采用整體式現澆道床，存在施工強度大、環境狹窄、安全隱患多以及后期維修困難等缺點。隨著城市建設可持續綠色發展要求的提出，預制道床施工方式將成為一種建設趨勢。

CRTSIII型無砟軌道技術是將CRTSI型和CRTSII型結構中的水泥乳化瀝青砂漿填充層替換成自密實混凝土，其具備承重能力強、體積穩定性好、彈性模量高以及耐久性能優異等特點，可保證整個結構擁有更長的服役壽命[1]。自密實混凝土一方面利用軌道板上的預留孔作為灌注孔，灌入封閉的軌道板腔中，灌注過程中無法施加外部振搗，最終與上部軌道板形成整體結構，共同承受列車荷載；另一方面由于自密實混凝土層內部布置鋼筋網片，混凝土在灌注過程中受到鋼筋的剝離，因此要求其具備高流動性、較好鋼筋穿越性和高體積穩定性等特性。

1 地鐵板式無砟軌道結構特點

1.1 結構形式

圖1 板式無砟軌道結構示意圖

1.2 施工難點

CRTSⅢ型無砟軌道結構在高鐵領域的應用已經日趨完善，其機械設備、工裝模板等相對成熟，且多處于視野開闊的地上施工；而對于市政地鐵項目，其應用存在諸多難點[3]，具體如下：

（1）地鐵軌道工程所涉及的地下線區間較多。多種施工材料都需要通過盾構井、車站風井或豎井等下料通道運至狹窄的鋪軌作業面，如施工工裝機具、模板材料、混凝土等，使得分配給每個工種的施工作業面有限，循環效率低；

（2）制約與干擾因素多。由于軌道工程中各站臺間距離一般2～3km左右，鋪軌工程作為最后的幾道工序，施工過程中一般會出現與土建、裝修、機電安裝等班組進行交叉施工的情況，這就使得原本狹窄的施工場地將面臨各方面制約和一系列干擾因素；

（3）對自密實混凝土要求高。一是需要長距離多次轉運，從拌和站運至地上下料口，再轉入地下轉運點，最后才轉至鋪軌作業面；二是施工工裝要根據各個站臺間的距離長短以及施工場地大小合理安排，必須相應調整混凝土的工作性能，因此存在不同澆筑地段的混凝土工作性能差異較大、控制難度較大的情況。

2 無砟軌道自密實混凝土性能的影響因素

根據CRTSⅢ型板式無砟軌道結構特點可知，其對自密實混凝土性能要求與房建、橋梁工程，水運工程等涉及到的常規自密實混凝土要求顯著不同[4]，主要區別見表1。

表1 無砟軌道自密實混凝土技術特征

根據高鐵對無砟軌道自密實混凝土層的功能定位，自密實混凝土需滿足三方面的功能要求[5]：①自充填功能。自密實混凝土只能通過軌道板上預留的預制小孔進入填充層，且由于填充層底部設有柔性土工布基礎，對混凝土的流動阻力大，又無法通過振搗設備進行輔助振搗，只有極好的流動性和填充能力才能使混凝土填滿整個板腔；②優質的鋼筋間隙通過性和抗離析性。這是因為自密實混凝土一方面受到其內部鋼筋網片的阻礙，另一方面還會受到來自上方軌道板板底的門型鋼筋的分割，導致自密實混凝土在板腔內極易出現漿骨分離的現象，從而使后續混凝土的流動受阻；③良好的粘結性以及體積穩定性。由于自密實混凝土層與軌道板結合形成一個整體結構，共同承受上方列車的荷載，則要求自密實混凝土層與軌道板的結合面不得有浮漿泡沫層和空洞等缺陷。依據上述三個功能要求，相關標準對自密實混凝土層的性能指標提出了以下要求[6]（表2）。

表2 自密實混凝土工作性能指標

為滿足上述要求，自密實混凝土在配合比設計過程中需重點保證其良好的工作性能和填充性，因此本文重點從水膠比、含氣量、膨脹劑、減水劑等方面進行闡述。

2.1 水膠比對自密實混凝土工作性能的影響

有學者[7]通過控制膠凝材料用量不變，對比不同水膠比（0.35～0.38）條件對自密實混凝土工作性能的影響。試驗結果表明水膠比越大，坍落擴展度越大，隨之流速也越快，靜態穩定性越差；當水膠比增大至0.38時，在混凝土邊緣出現寬度10mm的泌水環，且中間出現明顯的骨料堆積現象。由于水膠比的增大，混凝土中自由水含量增加，使得體系內聚力下降，塑性粘度和屈服應力也相應降低，從而漿體對骨料的包裹性降低，出現離析泌水現象。

再如2013年中考作文《那段 的日子》，有些學生，寫的是《那段溫暖的日子》，文中圍繞溫暖只寫一件事，而沒有扣住“那段”，從而離題較遠，失分較重。

2.2 含氣量對自密實混凝土工作性能的影響

為保證自密實混凝土良好的流變性能和耐久性能，通常會引入適量的引氣劑。為研究含氣量對自密實混凝土的工作性能和流變參數的影響[7-8]，配制了不同梯度含氣量（2%～10%）的自密實混凝土，試驗結果如圖2、圖3所示。

圖2 含氣量對自密實混凝土工作性能的影響

圖3 含氣量對自密實混凝土流變參數的影響

試驗結果表明：隨著含氣量的增加，流動時間先減小后增大，當含氣量在5.0%附近為極小值；隨著含氣量的增加，坍落擴展度出現略微下降，但有利于自密實混凝土的靜態穩定性。這是因為在混凝土中引入引氣劑，會產生大量的微小氣泡，阻斷體系內部的毛細通道，使水分子泌出困難，從而提高自密實混凝土的靜態穩定性。

另外，隨含氣量的增加，自密實混凝土的屈服應力逐漸增加，而塑性粘度逐漸降低。一方面，通過引氣劑引入大量分布均勻的微細球狀氣泡，不僅增加體系內漿體體積，還可以起到滾珠軸承作用，達到降低屈服應力和塑性粘度的目的；而另一方面，表面帶正電的水泥顆粒與引氣劑引入的表面帶負電的微細氣泡靜力吸引產生氣泡橋，提高了混凝土的屈服應力。對于高流態混凝土而言，相比于微氣泡帶來的滾珠效應，氣泡橋對屈服應力的影響占主導作用，因此拌合物屈服應力隨含氣量增大而增大。并且正是因為拌合物的屈服應力和塑性粘度的相互協調作用，才使得拌合物的坍落擴展度隨含氣量的增加出現輕微下降。

2.3 膨脹劑對自密實混凝土收縮性能的影響

無砟軌道填充層自密實混凝土所用的膠凝材料高達500kg/m3以上，砂率高達50%以上，且所用粗骨料的最大粒徑一般小于16mm。譚鹽賓[9]等人曾研究了粗骨料最大粒徑和膠凝材料用量對自密實混凝土的收縮變形影響，結果表明，當選用粗骨料的最大粒徑由20mm減小到10mm，自密實混凝土自收縮變形值增大5%～25%；而單方每增加20kg膠凝材料，其干燥收縮變形值和自收縮變形值均增大10%～20%。國外學者[10]提出混凝土的收縮變形值Sc與骨料的含量α的關系式，即Sc=SP（1-α）n，式中的n為經驗參數，SP為水泥凈漿收縮變形值，骨料所占比例越小，混凝土收縮變形就越大，反之亦然。

正是由于無砟軌道自密實混凝土的上述特點，需采用硫鋁酸鈣－氧化鈣類雙膨脹源的膨脹劑補償其收縮，游國賢[11]開展了自密實混凝土的限制膨脹率與膨脹劑摻量之間的影響試驗，如圖4所示，其中C1組、C2組、C3組膨脹劑用量分別為30kg/m3、35kg/m3、40kg/m3。結果顯示，當膨脹劑用量達到35kg/m3以上，整個齡期才可滿足無砟軌道自密實混凝土填充層微膨脹的要求。

圖4 自密實混凝土的限制膨脹率與膨脹劑摻量的關系

2.4 減水劑對自密實混凝土工作性能的影響

由于無砟軌道自密實混凝土處于封閉空間，且會受到鋼筋網片、土工布、門型筋、限位凹槽等多重阻礙，這就對自密實混凝土的工作性能提出了極高要求；加上目前地鐵施工工況的復雜性，從減水劑角度來看，在實現混凝土高流動性的同時，還要使其具備高保坍、抗離析、高穩健性以及良好的穩泡性。徐文等人[12]基于高分子聚合物結構設計與調控原理，通過在試驗中引入對水親和性較強的長聚醚側鏈到羧酸類接枝共聚物中，來提高空間位阻作用，減弱水泥顆粒團聚效應，從而降低對用水量以及攪拌時間的敏感性，同時，在此基礎上，引入酯類基團（—COO—），利用其在堿性環境中水解的特性，來調整溶液的聚合物形態，減弱由于材料含泥量和含水率等因素所引起的敏感性問題。

3 無砟軌道自密實混凝土施工工藝

CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土施工工藝流程一般包括板底雜物及積水清理、模板與壓緊裝置安裝、模板和壓緊裝置校正、灌注漏斗及防溢管檢查、灌注自密實混凝土、保濕養護，其中自密實混凝土的工作性能、模板工藝、灌注工藝是影響施工質量的關鍵[13]。

3.1 模板工藝

模板工藝主要涉及兩個方面，一是側模板的安裝，二是壓緊裝置的安裝。其中壓緊工藝是重中之重，主要用來控制軌道板的水平標高，它主要有兩點要求[14]：①壓緊裝置必須有效，這是由于自密實混凝土灌注過程中的“水擊效應”[15]將導致軌道板上浮、偏移；②盡量減少壓緊裝置數量，降低人材機消耗量，加快施工效率。目前，大多數鋪軌項目壓緊裝置均采用扁擔橫梁式（圖5）。另外，在對曲線板進行自密實混凝土灌注施工時，有可能導致軌道板側向偏移，因此一般在底座和曲線板低側之間額外設置3組橫向限位裝置。

圖5 扁擔橫梁式壓緊裝置

3.2 灌注工藝

自密實混凝土灌注方式一般分為三種，分別是單點灌注、兩點灌注和側向灌注，如圖6所示，三種灌注方式的優缺點見表3[5]。

圖6 無砟軌道自密實混凝土灌注方式

表3 不同灌注方式的優缺點

排氣孔的設置最初采用如圖7a）所示方法，該方法利用模板安裝更加便捷，排氣孔設置于距軌道板四角轉角處20cm，但從實踐中發現四個轉角處容易出現空洞和泡沫層，主要是由于排氣孔不在板腔結構的最遠點，排氣不充分，導致擠壓至轉角處的空氣無法排出而形成空洞；同時，由于受到填充層內部布置的鋼筋網片的剝離作用，一開始從排氣孔流出的通常都是砂漿，其最終會在最遠端的轉角處堆積，形成浮漿泡沫層。針對該問題，將排氣孔設置在軌道板四角，如圖7b）所示，通過灌注試驗表明，采用轉角排氣模板后，可保證灌注過程中板腔內空氣順利從結構最遠點排出，減少轉角處出現混凝土空洞和泡沫層等缺陷[13]。

圖7 排氣孔的設置方式

整個灌注過程中應嚴格把控灌注速率，有研究表明[16]當灌注時間＜3min，軌道板上浮量均＞2mm，上浮量過大會影響后續扣件以及鋼軌的安裝，甚至影響行車安全，因此灌注時間均控制在3min以上。自密實混凝土的灌注一般從低處孔灌入，使得混凝土從低處流向高處，可有效防止出現空洞。其灌注過程一般分三個階段[16]，即“慢-快-慢”。第一個階段慢速灌注，防止混凝土下落過快，沖擊地面導致引入過多的空氣氣泡；第二個階段加大灌注速度，提高自密實混凝土的填充性，速度慢極易出現局部空洞現象；最后一個階段減慢灌注速度，當灌注高度至接近觀察孔位置時，降低灌注速度，一方面有助于排出板腔內的空氣，另一方面避免速度過快導致軌道板上浮，當每個排氣孔處流出模具的2/3～3/4（0.013～0.015m3）的漿體，并伴隨明顯的粗骨料流出時，即可關閉四角插板，直到防溢管漿體面超過板面30cm，灌注結束。

4 結論

（1）無砟軌道填充層自密實混凝土較普通混凝土需具備更好的流動性、優質的間隙通過率、抗離析性以及高體積穩定性，在如今環保形勢日益嚴峻、地材資源匱乏的情況下，對自密實混凝土的質量監控至關重要，不僅要嚴格把控原材料的進場檢測，還要從具體施工工況著手，對水膠比、含氣量、砂率、膨脹劑用量以及減水劑等各方面優化配合比，從而達到自密實混凝土的高效率灌注。

（2）目前，對于地鐵無砟軌道自密實混凝土的施工工藝研究比較匱乏，后續需結合地鐵軌道項目自身施工工況和環境、設計理念以及土建、通信、機電安裝等多專業融合的特色，重點從預制軌道板的運輸、模板安裝定位技術以及更高效的自密實混凝土灌注方式等方面著手，形成一整套具有軌道交通特色的工藝工法，為未來的工程實踐提高施工效率以及施工機械自動化水平，達到降本增效的目的，同時也為推進裝配式建筑的集成工業化發展作出貢獻。