金沙洲隧道无砟道床板病害整治施工技术*

郑新国，董 武，李书明，杨德军，刘 竞，曾 志，潘永健

(1.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；2.中国国家铁路集团有限公司，北京 100844)

0 引言

隧道是我国铁路基础设施的重要组成部分，目前，我国已投入运营的铁路隧道达15 117座，总长度达16 331km[1]。在铁路隧道建设中，为了减少线路养护维修工作量，我国规范规定，长度大于 1 000m 的隧道和隧道群宜优先采用无砟轨道[2]。

与路基和桥涵结构不同，铁路隧道通常埋深几十米到上千米，地质结构更复杂，大部分隧道中蕴藏着丰富的水源，水中离子种类多样，水质也千差万别，造成了部分隧道过早出现劣化情况，且多数病害与水有关。例如，唐呼线集宁隧道内出现了由隧底高压地下水冲刷隧底引起的整体道床底部离缝病害，同时共生出现了轨道上拱病害，严重影响了线路的正常运行[3]；狮子岭隧道运营后围岩遇水发生结构性破坏[4]；柏崖头隧道基底地下水的长期作用使隧道岩层侵蚀软化，围岩的基本承载力下降，列车通过时和通过后的正负水压对结构的反复抽吸作用导致基底结构出现吊空或翻浆冒泥[5]。针对隧道整体道床底部水引起的离缝、上拱、沉降和翻浆冒泥病害，主要采用拆除整体道床、高压注浆[6]、利用材料膨胀力进行化学注浆[7]等方式进行整治，但是针对隧道裂隙水引起的无砟轨道道床板纵向开裂情况尚未研究。本文以京广高铁金沙洲隧道道床板纵向开裂为背景，分析了病害产生的原因，并提出了相应的整治技术，可为类似病害整治工程提供参考。

1 工程概况

京广高速铁路是京港(北京—香港)高速铁路的重要组成部分，是我国《中长期铁路网规划》中“八纵八横”高速铁路的重要“一纵”。京广高铁首建武广段于2005年6月开工建设，2009年12月开通运营。金沙洲隧道(K2 270+720—K2 275+189)位于京广高速铁路武广段广州北—广州南区间，隧道全长4 469m，为单洞双线隧道。隧道纵断面呈“V”字形，最大坡度2%。隧道内铺设CRTS I型双块式无砟轨道，轨道超高为0，采用W300-1型扣件。该段线路无砟轨道结构横断面如图1所示。金沙洲隧道无砟轨道道床板构筑于隧道仰拱回填层上，采用C40混凝土现场浇筑而成。道床板宽2 800mm，厚265mm(道心)，采用HRB335级钢筋，混凝土净保护层厚50mm。

图1 隧道内无砟轨道结构横断面

2 病害分析

自京广高速铁路开通运营以来，金沙洲隧道道床板逐渐出现纵向裂纹，后发展为较大裂缝，最大裂缝宽度达20mm，局部甚至出现掉块现象，为分析道床板裂损病害产生的原因，对隧道内无砟轨道进行现场调研、取样检测及无损检测。

现场调研发现，金沙洲隧道内道床板混凝土裂损、钢筋锈蚀、钢轨和扣件腐蚀问题全部集中于隧道中间高程较低段，且病害位置均存在明显积水或积水痕迹，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导致水流浸泡道床板下部问题；在无积水和渗漏水痕迹处，道床板、边沟踏步台和隧道衬砌混凝土均无明显裂损。另外，隧道中段部分钢轨及扣件腐蚀较严重，尤其隧道拱顶漏水，水直接滴落至钢轨及扣件处锈蚀最为严重。取样检测结果表明，隧道明水中氯化物含量为1 071mg/L，且呈酸性，开裂区段道床板混凝土中氯离子含量均值为0.833%，最大值达1.47%，远超过TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》中规定的钢筋混凝土结构中混凝土氯离子含量小于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损处环境潮湿，且氯离子含量较高，极易诱发钢筋锈蚀病害。从现场剥落掉块的道床板混凝土来看，混凝土剥落后，暴露出的纵向钢筋锈蚀相当严重，且剥落面和纵向钢筋走向吻合。

通过现场调研和检测分析发现呈弱酸性且氯离子超标的水体长期浸泡混凝土，加之列车风带起的水雾、盐雾等使氯离子逐步渗入混凝土并沉积，破坏了钢筋既有的保护屏障，导致钢筋锈蚀膨胀，最终造成混凝土裂损。由此可知，氯离子含量超标且呈弱酸性的水是导致该隧道内道床板裂损、钢筋锈蚀等问题的根本原因。

3 整治方案

为了彻底整治道床板裂损病害，首先应解决氯离子侵蚀道床板混凝土问题。工程采用疏导病害源头、局部修复严重病害、主动防御有害侵蚀等多举措对道床板裂损进行整治，恢复病害区段无砟轨道结构整体性能，具体整治措施如下。

1)疏导侧沟排水 现场调研和取样分析均表明，水是导致病害的根本原因。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，须对水进行整治。

2)凿除裂损严重的道床板混凝土 对于道床板两侧纵向裂损严重和掉块区段，显然已无法通过修补恢复轨道结构稳定性从而阻止进一步裂损，须对道床板裂损严重的混凝土和配筋进行彻底更换，以达到根治目的。根据检测结果，确定裂损严重的道床板混凝土凿除范围，将裂损混凝土凿除，同时，将锈蚀严重钢筋切割拆除或除锈防腐。

3)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，并对横向钢筋做防腐处理和加强植筋，在恢复轨道配筋情况下保证后期耐久性。

4)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恢复道床板结构。

5)涂刷氟碳保护涂层 混凝土浇筑后，在混凝土表面涂刷氟碳保护涂层，进一步阻止外界氯盐侵蚀混凝土及钢筋，保证轨道结构耐久性。

4 施工技术

金沙洲隧道道床板裂损病害整治工艺流程为：疏通排水→道床板切缝→混凝土凿除→既有钢筋处理→横向补强钢筋锚固→纵向防腐钢筋绑扎→混凝土界面处理→混凝土浇筑→混凝土表面增强处理。

4.1 疏通排水

因道床板混凝土裂损和钢筋锈蚀是由氯离子含量超标的水造成，故应清理边沟和排水沟内淤积、水体结晶物及其他杂物，疏通原有排水系统，一方面保证施工时排水畅通无明显积水，避免超标水体污染施工区域，影响施工质量；另一方面最大限度减少隧道明水对整治后道床板混凝土造成侵蚀。

4.2 道床板凿除范围确定

在凿除裂损的道床板混凝土前，需根据道床板混凝土中氯离子含量确定混凝土凿除范围，尽量将氯离子含量超标的混凝土凿除，以免后期氯离子迁移造成钢筋继续锈蚀。根据取样检测结果，道床板靠边沟侧的3根纵向φ20钢筋已全部处于氯离子含量超限环境中，且大概率已经锈蚀。为保证后期道床板钢筋耐久性，结合现场道床板纵向裂缝位置，以更换锈蚀钢筋和氯离子超标混凝土为原则，确定道床板混凝土凿除范围，如图2所示。具体凿除范围为道床板表面宽283mm、轨枕底面位置宽270mm、道床板底面宽180mm区域，其中，上半部约102mm范围沿着轨枕端面凿除，以保证混凝土的整体性，防止界面开裂。

图2 道床板混凝土凿除范围

为准确凿除确定范围内的混凝土，防止凿除时影响相邻混凝土表面，在混凝土凿除前对道床板混凝土进行切缝，切缝深度约30mm。切割过程中包括保护钢轨、扣件及轨枕，防止污染，切割完毕后及时冲洗道床板泥污。

4.3 混凝土凿除

采用电镐或小型风镐按确定范围凿除道床板混凝土，凿除过程中应避免伤及完好道床板混凝土、道床板横向钢筋和轨枕桁架钢筋。

4.4 钢筋处理及绑扎

4.4.1纵向钢筋处理

道床板边缘裂损区的3根纵向钢筋几乎全部处于高氯离子环境中，且部分裂损严重区域已锈蚀外露，整治时需将其全部更换为环氧树脂涂层钢筋。环氧树脂涂层钢筋是在工厂生产条件下，采用静电喷涂法将环氧树脂粉末喷涂在普通带肋钢筋和普通光圆钢筋表面的一种具有涂层的钢筋，具有很好的耐蚀性，适用于处在潮湿环境或侵蚀性介质中的钢筋混凝土结构。新钢筋与原纵向钢筋按等型号、等直径φ20 HRB335钢筋原位置替换，如图3所示。对纵向钢筋凿除部分除锈并涂刷钢筋阻锈剂，钢筋阻锈剂在钢筋表面形成单分子吸附膜，吸附膜具有致密疏水性，可有效抑制侵蚀性介质引起的钢筋锈蚀，其主要技术指标满足JT/T 537—2018《钢筋混凝土阻锈剂》中第5.1节表2要求。按原设计要求，将纵向钢筋搭接绑扎，搭接长度不得小于700mm，且同一层钢筋的搭接接头应错开设置，如图4所示。

图3 锈蚀钢筋处理

图4 道床板纵向钢筋处理

4.4.2横向补强钢筋锚固

为保证道床板整体性，降低对原轨道结构的扰动，原则上不更换道床板横向钢筋，而采取原钢筋局部除锈，增设补强横向钢筋的处理方案，同时对上、下层横向钢筋采用同型号φ16 HRB335环氧树脂涂层钢筋和环氧树脂植筋胶进行补强植筋。在原上层钢筋高度每2根轨枕间按间距300mm植入2根补强钢筋，植筋深100mm，补强钢筋长324mm；在原下层钢筋高度每根轨枕正下方位置植入1根补强钢筋，植筋深100mm，补强钢筋长270mm。补强钢筋末端与原横向钢筋末端对齐并保证道床板侧面保护层厚度不小于50mm。

道床板横向补强钢筋采用环氧树脂植筋胶植入，植筋深度为100mm，植筋时应清洗并吹干植筋孔，环氧树脂植筋胶的主要性能指标满足JG/T 340—2011《混凝土结构工程用锚固胶》中第5.1节表1中有机类锚固胶的要求。

纵向钢筋与横向钢筋间根据综合接地和轨道电路绝缘要求设置焊接接头或绝缘卡。

4.4.3钢筋绑扎

将φ20纵向环氧树脂涂层钢筋与横向既有钢筋和横向补强钢筋通过绝缘卡绑扎固定，两端与既有纵向钢筋搭接绑扎，同层纵向钢筋搭接范围错开。

4.5 混凝土界面处理

清理混凝土界面碎屑及松动混凝土块，用水清洗界面，切割机切缝位置应采用刷洗方式。清洗完毕采用吹风机吹掉明水，在清洗过的混凝土界面涂刷混凝土界面剂，界面剂主要技术指标满足JT/T 907—2018《混凝土界面处理剂》中第6.2节表1要求。

4.6 混凝土浇筑

为确保修补混凝土的界面黏结性、优异的体积稳定性和良好的耐久性，以满足天窗时间施工为前提，采用C50快硬高性能聚合物混凝土对道床板进行修复，聚合物混凝土的主要性能指标如表1所示。现场支立钢模板浇筑聚合物混凝土并振捣密实。

表1 C50快硬高性能聚合物混凝土技术要求

4.7 混凝土表面增强处理

在快硬高性能聚合物混凝土硬化后对其表面及相邻既有混凝土表面喷涂混凝土表面增强剂，使表层混凝土毛孔紧缩，减缓外界不良水体渗入，进一步提高混凝土抗氯化物侵蚀能力。混凝土表面增强剂渗透混凝土内部，与水泥水化产物发生化学反应，收缩混凝土毛孔和裂缝，使混凝土致密，从而提高其硬度和耐久性。

道床板修复完成后新旧混凝土界面黏结良好，混凝土表面密实，隧道中排水畅通，线路恢复常速运营，达到了预期的修复效果。

5 结语

1)隧道内呈弱酸性且氯离子含量高的裂隙水侵蚀是导致金沙洲隧道道床板裂损及钢筋锈蚀的主要原因。

2)根据金沙洲隧道道床板病害产生原因，提出疏通排水、钢筋处理、混凝土修复及表面防护于一体的整治修复技术。

3)经过对金沙洲隧道道床板病害分析，查明了病害产生原因，并对隧道漏水、侧沟排水、钢筋锈蚀及混凝土碎裂进行了综合整治，修复了无砟轨道结构，线路恢复常速运营，达到了预期整治效果。