金沙洲隧道道床板纵向开裂原因分析及整治措施

刘兴平

（中国铁路广州局集团有限公司，广州 510088）

据统计，在已开通运营的铁路基础设施中，铁路隧道运营里程达1.6 万km［1］，隧道已成为我国铁路基础设施的重要组成部分。由于隧道内有砟轨道养护维修困难，因此规范规定长度大于1 km 的隧道及隧道群地段优先采用无砟轨道结构［2］。

隧道地质环境复杂，既有铁路隧道结构老化问题日趋严重，受环境水影响出现病害的概率较大。众多学者针对隧道内的病害进行了分类研究并提出针对性整治措施。马超峰［3］指出在列车荷载作用下水的冲刷是导致隧底脱空及道床下沉的原因，并针对隧底脱空病害提出了“道床锚固+离缝充填+细颗粒固结+合理排水”的技术措施；杨跃强［4］针对特长铁路隧道承压水引起的隧道渗漏和基底隆起、边沟变形和塌陷病害进行了研究，并提出了相应的整治措施；张俊俭等［5］针对隧道整体道床局部下沉以及翻浆冒泥病害，提出了解除边界约束、修补裂缝以及“上挑下顶”的隧道内整体道床快速抬升新技术，并引入阵列式位移自动化监测技术，实现了对各点抬升高度的精确控制；李强［6］针对由于隧底积水导致的无砟轨道结构上拱病害，提出了“在天窗内采用锚杆加固隧道边墙→切断钢轨及道床板→设置短轨并利用两端既有的道床板支承层及仰拱填充架设钢垫梁→分段拆换仰拱及支承层→分段浇筑道床板”的技术方案，彻底解决了无砟轨道上拱病害；赵鹏等［7］针对狮子岭隧道隧底隆起、衬砌开裂病害，提出了对基底隆起且对已发生结构性破坏区段采用仰拱拆换方案、对尚未发生结构性破坏区段采取“锚注一体化”并施加预应力的加固方案；赵欣等［8］针对隧道整体道床的开裂问题，提出了采用环氧树脂修复0.5 mm 以上裂缝的技术措施，并应用于乌鞘岭隧道。

既有铁路隧道病害种类多样，不同病害产生的原因及解决措施不同。已有研究主要集中在隧道漏水、无砟轨道下沉或拱起等病害，对于隧道内无砟轨道道床板纵向开裂病害及相应的整治措施尚未见报道。本文以我国武汉—广州高速铁路金沙洲隧道出现道床板纵向开裂病害为背景，采用现场钻探取样并结合化学分析与无损检测等手段对病害产生的原因进行了分析，提出了相应的整治措施，并在现场进行了应用，对今后解决类似病害具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

金沙洲隧道全长4 469 m，为单洞双线高速铁路隧道。隧道中段高程较低，纵断面整体呈V形，最大坡度为20‰。隧道岩层中含水丰富，排水沟中常年有积水。隧道内铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道（图1），轨道超高为0，采用W300-1 型扣件。道床板宽2 800 mm，厚260 mm，构筑于隧道仰拱回填层上，采用C40 钢筋混凝土现场浇筑而成。道床板钢筋上下双层布置，采用HRB335 级钢筋。接地钢筋焊接，其余钢筋搭接，交叉处均设置绝缘卡。道床板顶面设置朝向线间的单侧排水坡。

图1 金沙洲隧道内无砟轨道结构横断面（单位：mm）

2 隧道内主要病害

金沙洲隧道内病害主要有衬砌漏水、钢轨锈蚀、道床板纵向开裂等。

1）衬砌漏水

该隧道衬砌有多处漏水点，渗漏水滴至道床板和钢轨表面并汇流入排水沟。仰拱泄压排水也是排水沟积水的重要水源。排水沟中水虽较为清澈，但水中存在严重的结晶现象，结晶物堵塞半圆形排水槽，导致排水槽排水不畅，排水沟中长期积水。

2）钢轨锈蚀

该隧道内钢轨及扣件锈蚀严重，拱顶漏水直接滴落处的钢轨及扣件锈蚀尤为严重（图2）。

图2 拱顶漏水导致钢轨及扣件锈蚀

3）道床板纵向开裂

现场调研发现，该隧道内无砟轨道结构混凝土裂损全部出现在隧道中部高程较低区段。目前多处裂缝宽度已达20 mm，局部甚至出现碎裂、掉块、外层钢筋暴露等现象。该区段的线外排水沟堵塞严重，水流不畅，积水浸泡道床板底部，且积水越多道床板裂损越严重。两线间明水相对较少，混凝土裂损病害也较少。

3 道床板纵向开裂原因分析

道床板纵向开裂是该隧道最主要、最严重的病害，直接影响行车安全。结合现场调研、取样化验等手段，对道床板纵向开裂的原因进行分析。

3.1 有害离子测定

氯离子和硫酸根离子是混凝土中的有害离子，TB/T 3275—2018《铁路混凝土》［9］对其检测方法做出明确要求并对其含量进行了限定。

3.1.1 道床板混凝土中氯离子含量测定

根据TB/T 3275—2018，钢筋混凝土结构中混凝土氯离子含量的限值为0.10%。对开裂严重区段的道床板混凝土进行氯离子含量检测。采用钻芯的方式进行现场取样，钻取直径50 mm 的圆柱体试样，再磨成粉末状（图3）。钻取深度为250 mm，沿深度方向每50 mm 为1 个测点。道床板不同深度的混凝土中氯离子含量检测结果见图4和表1。

图3 道床板混凝土取样

图4 道床板混凝土中氯离子含量云图

表1 道床板不同深度的混凝土中氯离子含量

由图4和表1可知，随着取样深度的增加，道床板混凝土中氯离子含量逐渐降低。取样深度超过150 mm后，道床板混凝土中氯离子含量趋于稳定。这表明：①无砟轨道道床板混凝土中氯离子含量从外向内呈递减趋势。②混凝土表层50 mm 范围内氯离子含量较高，均值超过0.10%的限值。而钢筋混凝土保护层厚度仅30 mm，在道床板周围有水存在的条件下，混凝土内部氯离子含量过多时易引起钢筋锈蚀，产生体积膨胀，造成道床板混凝土沿纵向（钢筋布置方向）开裂。当深度大于100 mm 时，氯离子含量相对较低，钢筋产生锈蚀的概率也大幅降低。③钻取深度250 mm处为道床板和仰拱填充层的接触面，可见接触面处混凝土氯离子含量和道床板中部差别不大，均未超规范限值。

3.1.2 环境水中有害离子含量测定

对道床板裂损严重区段的水样进行化学检测［9］，包括pH 值、不溶物含量、可溶物含量、氯化物含量、硫酸盐含量、碱含量。检测结果见表2。

由表2可知：①环境水pH值为5.09，呈酸性。②水样中氯化物含量达到1 071 mg/L，远超规范对处于氯盐环境中钢筋混凝土拌和用水氯化物含量的最大限值［9］。氯化物含量高的水接触混凝土后，氯离子易向混凝土中渗透，这也是道床板表层混凝土中氯离子含量较高的原因。③水样中硫酸根离子未超标。

表2 环境水化学检测结果

3.2 道床板钢筋无损检测

为了进一步探明道床板钢筋锈蚀情况，选取道床板开裂区段，采用钢筋锈蚀仪对钢筋锈蚀性状进行无损检测（图5），钢筋电位检测结果见图6。

图5 钢筋锈蚀性状检测现场

图6 钢筋电位检测结果（单位：mV）

根据JGJ/T 152—2008《混凝土中钢筋检测技术规程》第 5.5.3 条钢筋锈蚀性状的判据［10］，结合图 6 可知：道床板表层钢筋由外侧到内侧，电位逐渐增加，外侧纵向钢筋电位均小于-350 mV，钢筋发生锈蚀的概率大于90%；内侧纵向钢筋电位在-200 ～-350 mV，钢筋的锈蚀概率降低。

3.3 病害原因分析

由现场调研及检测结果可知，金沙洲隧道内道床板开裂病害发生区段积水严重，长期浸泡轨道板，且环境水中氯离子含量较高，水质呈酸性。混凝土是一种多孔材料，水中的氯离子通过混凝土中的孔隙由混凝土表层逐渐向内部迁移，氯离子穿过混凝土保护层到达钢筋表面（参见图4）。通常混凝土呈碱性，碱性环境下钢筋表面能够形成致密的钝化膜，保护钢筋不被锈蚀。但由于病害区段环境水为酸性，混凝土中的碱性离子逐渐溶出，导致混凝土中的碱度逐渐下降，钝化膜遭到破坏。在氯离子环境下，无钝化膜的钢筋很容易发生锈蚀，锈蚀后产生较大的体积膨胀，致使道床板混凝土产生沿钢筋方向的纵向开裂，这也在钢筋锈蚀探测试验中得到验证。

现场调研发现，该隧道内无砟轨道结构混凝土裂损、钢筋锈蚀、钢轨及扣件锈蚀等问题全部集中在隧道中部高程较低的区段，且病害位置均存在明显积水或曾经积水痕迹，积水越多裂损越严重。道床板混凝土裂损位置几乎都存在排水沟堵塞后水流浸泡道床板下部的问题。隧道两端高程较高区段无积水和渗漏水痕迹，道床板、边沟踏步台和隧道衬砌混凝土均无明显裂损。

综上，氯离子含量超标且呈酸性的水是导致该隧道内道床板纵向开裂、钢筋锈蚀、钢轨及扣件锈蚀等问题的根本原因。呈弱酸性且氯离子超标的水长期浸泡道床板，加之高速列车行驶时产生的水雾或盐雾等逐步侵入混凝土中，破坏了钢筋原有的天然屏障，导致了钢筋锈蚀膨胀，最终造成了道床板混凝土沿线路纵向顺筋开裂。

4 整治措施

基于对道床板裂损原因的分析，以保持轨道结构设计及受力特性为前提，以“防病害发展，整严重裂损，提轨道寿命”及确保运营线路行车安全为原则，根据隧道段CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构特点，采用“疏导病害源头+局部修复严重病害+主动防御有害侵蚀”等多种措施恢复病害区段轨道结构的整体寿命。

为保证病害整治质量并防止未整治区段轻微裂损进一步发展，必须对隧道内的水进行整治。疏导侧沟排水，并对衬砌漏水处进行注浆封堵。

对于道床板两侧纵向裂损严重和掉块区段，已无法通过修补恢复轨道结构稳定性并阻止进一步裂损，必须对裂损严重的混凝土和钢筋进行彻底更换，以达根治目的。具体整治步骤如下：

1）凿除裂损严重的道床板混凝土。根据检测结果，确定裂损严重道床板混凝土凿除范围，凿除裂损混凝土，同时对锈蚀严重的钢筋进行切割拆除。

2）配置防腐蚀钢筋。采用环氧树脂涂层钢筋替换原有锈蚀钢筋，并对横向钢筋进行防腐处理和加强植筋，在恢复轨道配筋的情况下保证后期耐久性。

3）重新浇筑混凝土。对原有混凝土界面进行处理后，采用快硬型聚合物混凝土重新浇筑并振捣密实，恢复道床板结构。

4）涂刷氟碳保护涂层。在浇筑好的混凝土表面涂刷氟碳保护涂层，进一步阻止外界氯盐侵蚀，保证轨道结构耐久性。

经上述措施综合整治后，金沙洲隧道恢复了列车的常速运营，达到了预期效果。

5 结论

本文分析了金沙洲隧道道床板混凝土纵向开裂、钢筋及扣件锈蚀的原因，提出了综合整治方案。主要结论如下：

1）隧道漏水、线路侧沟排水不畅是导致高程较低区段无砟轨道结构被水浸泡的主要原因。

2）环境水中氯离子含量较高且呈酸性导致混凝土中氯离子含量超标，破坏钢筋钝化膜，造成钢筋锈蚀产生膨胀，进而引起道床板混凝土纵向开裂。

3）结合原因分析，提出采用“堵排结合+更换锈蚀钢筋+局部修复混凝土+主动防御有害侵蚀”等多种措施恢复无砟轨道结构使用寿命的技术方案。

在查明病害原因后，对隧道漏水、侧沟排水、钢筋锈蚀及混凝土碎裂进行综合整治，修复了无砟轨道结构，列车恢复常速运营，达到了预期的整治效果。