CRTS I 型双块式无砟轨道裂缝产生的原因与防治技术

2022-07-15陈其强

中华建设 2022年7期

陈其强

作为铁路轨道的重要结构形式之一，双块式无砟轨道以其整体性良好、结构稳定和便于养护等优势已被广泛应用于铁道线路。大量工程实践表明，双块式无砟轨道裂缝的存在对轨道稳定性、线路平顺性和混凝土耐久性造成了较大威胁，有必要对其成因和控制措施进行系统的研究。本文从轨道开裂形态、轨道混凝土开裂机理和典型轨道防裂优化设计方案等方面，深入剖析双块式无砟轨道开裂机理和轨道防裂措施的研究发展现状。为优化双块式无砟轨道设计与施工工艺提供理论依据，进而为高铁安全稳定运行提供更为优良的基础条件。

伴随着国民生活水平逐步迈上新台阶，我国的高铁建设技术取得了飞速的发展，且不断朝着绿色智能、安全高效的目标迈进。双块式无砟轨道以其整体性良好、结构稳定和便于养护等优势，已成为我国高速铁路轨道的主要结构形式，其结构断面如图1所示。

图1 双块式无砟轨道结构断面图

由于温度梯度、列车荷载作用及新旧混凝土粘结不良等原因，双块式无砟轨道常处于带裂缝工作状态。且当轨道表面裂缝宽度水平较高时，裂缝将由混凝土保护层表面不断发展至板内钢筋周围，并形成贯穿裂缝，进而导致钢筋的锈蚀和轨道结构承载能力及耐久性能的退化。

双块式无砟轨道的裂缝成因和控制措施一直是工程界十分关注的问题。本文基于文献调研，从轨道开裂形态及开裂机理和典型轨道防裂优化设计方案等方面，深入分析国内外轨道抗裂研究相关理论与技术发展动态，为今后双块式无砟轨道抗裂性能研究提供理论参考。

一、裂缝的种类及特征

双块式无砟轨道开裂示意如图2所示。主要有以下类型：

图2 双块式无砟轨道典型开裂形态

1.道床板裂缝

（1）道床板上轨枕四周的角裂缝。道床板上轨枕块四周的角裂缝是双块式无砟轨道的主要开裂形态。八字裂缝多出现于轨枕与道床板四角道床板一侧，呈八字形。道床板与轨枕四角处主拉应力值超越混凝土的抗拉强度后，道床板表面即开裂，并逐渐向外扩展，产生“八字形”裂缝。另一方面，运营条件下，在列车荷载等局部应力作用下，轨枕块四周的道床板混凝土的微裂缝进一步加速发展。

（2）道床板表面呈龟裂状或树枝状的裂缝。由于浇筑初期混凝土布料不均匀、洒水压光或养护条件不当等原因，导致道床板表面缺水，内外体积变形不均匀，产生呈龟裂状或树枝状的裂缝。龟裂一般在浇筑后3d左右出现，此类开裂形态主要出现于道床板混凝土表面，裂缝宽度较小且分布规律较差。

（3）现浇道床混凝土与轨枕界面离缝。此类裂缝多于道床板混凝土浇筑后10d左右出现，主要分布于轨枕与道床板界面处且裂缝宽度较大。

2.支承层裂缝

（1）支承层横向贯通裂缝。由于支承层浇筑完成后未及时设置伸缩缝假缝，支承层每隔5～15m会出现横向裂缝，裂缝一旦出现即贯通整个支承层。这种横向贯通裂缝出现在各种类型的无砟轨道的支承层，会降低无砟轨道的绝缘性能，使轨道的局部承载力减弱，危害较大。该型裂缝宽度较大且贯穿道床板，常分布于与铁道线路垂直的方向。

（2）支承层假缝处的反射裂缝。反射裂缝一般出现在支承层假缝处所对应的道床板表面，相对较宽且易贯通。

二、裂缝成因分析

结合双块式无砟轨道工程实例及相关研究结果分析，导致双块式无砟轨道开裂的原由主要有以下六部分：无砟轨道结构设计、混凝土温度变形、混凝土早期收缩、混凝土配合比设计与制备技术、现场施工工艺、混凝土早期养护方法和钢轨变形等原因。

1.结构设计原因

在轨枕-道床体系中，轨枕表面与道床混凝土为新旧混凝土相互联结，同时，联结界面处并无相关附加增强措施，导致道床混凝土与轨枕之间变形并非完全协调。另一方面，道床板混凝土浇筑后，混凝土由于内部水分散失易产生塑性收缩变形，收缩变形传递至轨枕-道床板联结界面区，并进一步导致轨枕四周新旧混凝土界面处出现环向离缝；同时，工程实际中，轨枕与道床板四角常近似设计为直角，轨枕块的四角与道床板混凝土界面处会由于新混凝土的早期变形而呈现应力集中特征，并出现八字形裂缝。

支承层产生贯通裂缝的主要原因是伸缩缝间距设置过大，不能很好地起到调节长大混凝土板收缩变形的作用。此外，当道床混凝土配筋率较低时，也会间接扩大裂缝宽度。

2.温度收缩及混凝土收缩

（1）温度收缩。温度变化会使混凝土道床板发生伸长、收缩、翘曲等变形。而双块式无砟轨道内部配筋会约束混凝土的变形，并导致道床混凝土内产生较大内应力，同时，伴随着内应力不断增长，道床板混凝土出现裂缝并进一步发展。道床板温差来源一般有以下两种：①混凝土内水泥水化放热而引起的内外温差；②温度季节性变化、日照循环交替引起的道床板整体温度升降差与不同位置处的温度梯度。

（2）混凝土收缩。包括塑性收缩和干燥收缩：①塑性收缩：混凝土在浇筑后至凝结前处于塑性状态时的收缩变形，主要是由于混凝土表面水分散失过快导致的；②干燥收缩：指混凝土凝结后内外相对湿度差异所导致的收缩变形，内部水分蒸发慢，变形较小，表面水分蒸发快，变形较大。

3.混凝土制备方法

粗、细骨料中有害杂质含量较多、运输过程中新拌浆体加水、外加剂与胶凝材料不相容等原因，都会增大混凝土坍落度，易造成混凝土材料分布不均匀且变形差异的现象，并进一步导致道床板混凝土的开裂。

4.施工工艺不当原因

施工工艺对工程质量的影响至关重要，导致双块式无砟轨道产生裂缝的不当施工工艺包括但不限于以下几个方面：（1）混凝土布料工艺不当，骨料分布不均匀；（2）模板、钢筋网对骨料塑性沉落的抑制作用，产生沿钢筋走向的裂纹；（3）抹面时间掌握不准；（4）结构基础不均匀沉降；（5）道床板与支承层施工间隔过短，支承层变形未停止，导致道床板变形开裂。

5.混凝土养护原因

对于双块式无砟轨道，养护不良是轨道开裂的最重要原因。混凝土初凝后，未及时覆盖、覆盖不严密或养护时间不足，导致水分散失过快，进一步致使混凝土产生干缩裂缝。

6.钢轨变形原因

当温度出现较大突变时，钢轨与混凝土温度变形不再协调。此时，为约束钢轨伸长，道床板混凝土产生拉应力，当拉应力高于混凝土抗拉强度后，道床板混凝土出现脆性开裂现象。

三、防裂优化设计方法

当前，针对双块式无砟轨道开裂模式、开裂机理和各因素对轨道抗裂性能影响规律的相关研究已取得大量丰硕成果。同时，如何有效提升其抗裂性能也成为其进一步发展的关键。为此，国内外学者围绕双块式无砟轨道防裂设计方案展开了系列研究，并提出多种不同优化方案。其中，较为典型的有：优选混凝土配合比、优化结构布置方案、改善施工工艺、适当增大道床板钢筋配筋率或选用直径较小的钢筋、加强早期养护和适时拆除工装等。

1.优选混凝土配合比

既有研究表明，双块式无砟轨道的抗裂性能与其所用混凝土配比相关性较大。其中，选用低胶凝材料用量或掺入防裂材料的混凝土作为轨道板混凝土后，构件开裂性能有明显改善。另一方面，低坍落度混凝土作为道床混凝土后，结构抗裂性能亦有所改善。故对于实际工程，宜基于施工场地气候条件适当选择混凝土配合比，且应遵循“低胶材用量、低用水量、低坍落度、高含气量”的“三低一高”原则。

2.优化结构布置方案

有关道床板对无砟轨道抗裂性能影响分析表明：随着双块式无砟轨道板尺寸的增加，由于混凝土收缩产生的应力亦有所增大，进而导致构件的抗裂性能退化。其中，当道床板长度由3.9m增大至19.5m后，道床板表面最大裂缝宽度约由0.075mm增大至0.28mm，增长了达2.73倍。因此，宜优先选用单元式轨道板或在轨道结构内增设收缩缝以减少由于混凝土收缩而产生的应力。

3.改善施工工艺

施工工艺对成型结构力学性能及抗裂性能影响较大。因此，为有效改善双块式无砟轨道结构的抗裂性能，需改善其施工工艺。具体措施有：严格控制工程所需材料的各项指标；浇筑道床板混凝土前预先对轨枕表面进行界面处理并洒水保湿以改善新旧混凝土间的界面粘结性能；浇筑混凝土时应加强振捣以保证结构混凝土密实度；混凝土浇筑完成后，对轨道板表面应进行多次抹面收光；避免阴雨天、大风天等恶劣气候环境下施工。

4.适当增大道床板钢筋配筋率或选用直径较小的钢筋

有关配筋率及钢筋直径对双块式无砟轨道抗裂性能影响分析表明：伴随着配筋率的增大，轨道开裂风险降低，其中，当道床板钢筋配筋率约由0.7%升至0.8%后，道床板表面平均裂缝宽度由1.17mm降至0.91mm。此外，当钢筋直径更小时轨道抗裂性能更优。其中，当钢筋配筋率均为0.8%时，钢筋直径由20mm增大至25mm后，道床板表面平均裂缝间距约由110.53mm增至135.79mm。综上，轨道板内配筋率及配筋直径对轨道开裂性能影响较大，宜合理设置配筋率，同时优选直径较小的钢筋作为配筋。

5.加强早期养护

为避免浇筑后混凝土表面湿度的降低，延缓无砟轨道混凝土内部湿度扩散，道床板混凝土浇筑完成后应及时覆盖塑料薄膜、稻草板或土工布并加强洒水养护。