金沙洲隧道道床板縱向開裂原因分析及整治措施

劉興平

（中國鐵路廣州局集團有限公司，廣州 510088）

據統(tǒng)計，在已開通運營的鐵路基礎設施中，鐵路隧道運營里程達1.6 萬km［1］，隧道已成為我國鐵路基礎設施的重要組成部分。由于隧道內有砟軌道養(yǎng)護維修困難，因此規(guī)范規(guī)定長度大于1 km 的隧道及隧道群地段優(yōu)先采用無砟軌道結構［2］。

隧道地質環(huán)境復雜，既有鐵路隧道結構老化問題日趨嚴重，受環(huán)境水影響出現病害的概率較大。眾多學者針對隧道內的病害進行了分類研究并提出針對性整治措施。馬超峰［3］指出在列車荷載作用下水的沖刷是導致隧底脫空及道床下沉的原因，并針對隧底脫空病害提出了“道床錨固+離縫充填+細顆粒固結+合理排水”的技術措施；楊躍強［4］針對特長鐵路隧道承壓水引起的隧道滲漏和基底隆起、邊溝變形和塌陷病害進行了研究，并提出了相應的整治措施；張俊儉等［5］針對隧道整體道床局部下沉以及翻漿冒泥病害，提出了解除邊界約束、修補裂縫以及“上挑下頂”的隧道內整體道床快速抬升新技術，并引入陣列式位移自動化監(jiān)測技術，實現了對各點抬升高度的精確控制；李強［6］針對由于隧底積水導致的無砟軌道結構上拱病害，提出了“在天窗內采用錨桿加固隧道邊墻→切斷鋼軌及道床板→設置短軌并利用兩端既有的道床板支承層及仰拱填充架設鋼墊梁→分段拆換仰拱及支承層→分段澆筑道床板”的技術方案，徹底解決了無砟軌道上拱病害；趙鵬等［7］針對獅子嶺隧道隧底隆起、襯砌開裂病害，提出了對基底隆起且對已發(fā)生結構性破壞區(qū)段采用仰拱拆換方案、對尚未發(fā)生結構性破壞區(qū)段采取“錨注一體化”并施加預應力的加固方案；趙欣等［8］針對隧道整體道床的開裂問題，提出了采用環(huán)氧樹脂修復0.5 mm 以上裂縫的技術措施，并應用于烏鞘嶺隧道。

既有鐵路隧道病害種類多樣，不同病害產生的原因及解決措施不同。已有研究主要集中在隧道漏水、無砟軌道下沉或拱起等病害，對于隧道內無砟軌道道床板縱向開裂病害及相應的整治措施尚未見報道。本文以我國武漢—廣州高速鐵路金沙洲隧道出現道床板縱向開裂病害為背景，采用現場鉆探取樣并結合化學分析與無損檢測等手段對病害產生的原因進行了分析，提出了相應的整治措施，并在現場進行了應用，對今后解決類似病害具有一定的借鑒意義。

1 工程概況

金沙洲隧道全長4 469 m，為單洞雙線高速鐵路隧道。隧道中段高程較低，縱斷面整體呈V形，最大坡度為20‰。隧道巖層中含水豐富，排水溝中常年有積水。隧道內鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道（圖1），軌道超高為0，采用W300-1 型扣件。道床板寬2 800 mm，厚260 mm，構筑于隧道仰拱回填層上，采用C40 鋼筋混凝土現場澆筑而成。道床板鋼筋上下雙層布置，采用HRB335 級鋼筋。接地鋼筋焊接，其余鋼筋搭接，交叉處均設置絕緣卡。道床板頂面設置朝向線間的單側排水坡。

圖1 金沙洲隧道內無砟軌道結構橫斷面（單位：mm）

2 隧道內主要病害

金沙洲隧道內病害主要有襯砌漏水、鋼軌銹蝕、道床板縱向開裂等。

1）襯砌漏水

該隧道襯砌有多處漏水點，滲漏水滴至道床板和鋼軌表面并匯流入排水溝。仰拱泄壓排水也是排水溝積水的重要水源。排水溝中水雖較為清澈，但水中存在嚴重的結晶現象，結晶物堵塞半圓形排水槽，導致排水槽排水不暢，排水溝中長期積水。

2）鋼軌銹蝕

該隧道內鋼軌及扣件銹蝕嚴重，拱頂漏水直接滴落處的鋼軌及扣件銹蝕尤為嚴重（圖2）。

圖2 拱頂漏水導致鋼軌及扣件銹蝕

3）道床板縱向開裂

現場調研發(fā)現，該隧道內無砟軌道結構混凝土裂損全部出現在隧道中部高程較低區(qū)段。目前多處裂縫寬度已達20 mm，局部甚至出現碎裂、掉塊、外層鋼筋暴露等現象。該區(qū)段的線外排水溝堵塞嚴重，水流不暢，積水浸泡道床板底部，且積水越多道床板裂損越嚴重。兩線間明水相對較少，混凝土裂損病害也較少。

3 道床板縱向開裂原因分析

道床板縱向開裂是該隧道最主要、最嚴重的病害，直接影響行車安全。結合現場調研、取樣化驗等手段，對道床板縱向開裂的原因進行分析。

3.1 有害離子測定

氯離子和硫酸根離子是混凝土中的有害離子，TB/T 3275—2018《鐵路混凝土》［9］對其檢測方法做出明確要求并對其含量進行了限定。

3.1.1 道床板混凝土中氯離子含量測定

根據TB/T 3275—2018，鋼筋混凝土結構中混凝土氯離子含量的限值為0.10%。對開裂嚴重區(qū)段的道床板混凝土進行氯離子含量檢測。采用鉆芯的方式進行現場取樣，鉆取直徑50 mm 的圓柱體試樣，再磨成粉末狀（圖3）。鉆取深度為250 mm，沿深度方向每50 mm 為1 個測點。道床板不同深度的混凝土中氯離子含量檢測結果見圖4和表1。

圖3 道床板混凝土取樣

圖4 道床板混凝土中氯離子含量云圖

表1 道床板不同深度的混凝土中氯離子含量

由圖4和表1可知，隨著取樣深度的增加，道床板混凝土中氯離子含量逐漸降低。取樣深度超過150 mm后，道床板混凝土中氯離子含量趨于穩(wěn)定。這表明：①無砟軌道道床板混凝土中氯離子含量從外向內呈遞減趨勢。②混凝土表層50 mm 范圍內氯離子含量較高，均值超過0.10%的限值。而鋼筋混凝土保護層厚度僅30 mm，在道床板周圍有水存在的條件下，混凝土內部氯離子含量過多時易引起鋼筋銹蝕，產生體積膨脹，造成道床板混凝土沿縱向（鋼筋布置方向）開裂。當深度大于100 mm 時，氯離子含量相對較低，鋼筋產生銹蝕的概率也大幅降低。③鉆取深度250 mm處為道床板和仰拱填充層的接觸面，可見接觸面處混凝土氯離子含量和道床板中部差別不大，均未超規(guī)范限值。

3.1.2 環(huán)境水中有害離子含量測定

對道床板裂損嚴重區(qū)段的水樣進行化學檢測［9］，包括pH 值、不溶物含量、可溶物含量、氯化物含量、硫酸鹽含量、堿含量。檢測結果見表2。

由表2可知：①環(huán)境水pH值為5.09，呈酸性。②水樣中氯化物含量達到1 071 mg/L，遠超規(guī)范對處于氯鹽環(huán)境中鋼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觸混凝土后，氯離子易向混凝土中滲透，這也是道床板表層混凝土中氯離子含量較高的原因。③水樣中硫酸根離子未超標。

表2 環(huán)境水化學檢測結果

3.2 道床板鋼筋無損檢測

為了進一步探明道床板鋼筋銹蝕情況，選取道床板開裂區(qū)段，采用鋼筋銹蝕儀對鋼筋銹蝕性狀進行無損檢測（圖5），鋼筋電位檢測結果見圖6。

圖5 鋼筋銹蝕性狀檢測現場

圖6 鋼筋電位檢測結果（單位：mV）

根據JGJ/T 152—2008《混凝土中鋼筋檢測技術規(guī)程》第 5.5.3 條鋼筋銹蝕性狀的判據［10］，結合圖 6 可知：道床板表層鋼筋由外側到內側，電位逐漸增加，外側縱向鋼筋電位均小于-350 mV，鋼筋發(fā)生銹蝕的概率大于90%；內側縱向鋼筋電位在-200 ～-350 mV，鋼筋的銹蝕概率降低。

3.3 病害原因分析

由現場調研及檢測結果可知，金沙洲隧道內道床板開裂病害發(fā)生區(qū)段積水嚴重，長期浸泡軌道板，且環(huán)境水中氯離子含量較高，水質呈酸性?；炷潦且环N多孔材料，水中的氯離子通過混凝土中的孔隙由混凝土表層逐漸向內部遷移，氯離子穿過混凝土保護層到達鋼筋表面（參見圖4）。通?；炷脸蕢A性，堿性環(huán)境下鋼筋表面能夠形成致密的鈍化膜，保護鋼筋不被銹蝕。但由于病害區(qū)段環(huán)境水為酸性，混凝土中的堿性離子逐漸溶出，導致混凝土中的堿度逐漸下降，鈍化膜遭到破壞。在氯離子環(huán)境下，無鈍化膜的鋼筋很容易發(fā)生銹蝕，銹蝕后產生較大的體積膨脹，致使道床板混凝土產生沿鋼筋方向的縱向開裂，這也在鋼筋銹蝕探測試驗中得到驗證。

現場調研發(fā)現，該隧道內無砟軌道結構混凝土裂損、鋼筋銹蝕、鋼軌及扣件銹蝕等問題全部集中在隧道中部高程較低的區(qū)段，且病害位置均存在明顯積水或曾經積水痕跡，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水流浸泡道床板下部的問題。隧道兩端高程較高區(qū)段無積水和滲漏水痕跡，道床板、邊溝踏步臺和隧道襯砌混凝土均無明顯裂損。

綜上，氯離子含量超標且呈酸性的水是導致該隧道內道床板縱向開裂、鋼筋銹蝕、鋼軌及扣件銹蝕等問題的根本原因。呈弱酸性且氯離子超標的水長期浸泡道床板，加之高速列車行駛時產生的水霧或鹽霧等逐步侵入混凝土中，破壞了鋼筋原有的天然屏障，導致了鋼筋銹蝕膨脹，最終造成了道床板混凝土沿線路縱向順筋開裂。

4 整治措施

基于對道床板裂損原因的分析，以保持軌道結構設計及受力特性為前提，以“防病害發(fā)展，整嚴重裂損，提軌道壽命”及確保運營線路行車安全為原則，根據隧道段CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構特點，采用“疏導病害源頭+局部修復嚴重病害+主動防御有害侵蝕”等多種措施恢復病害區(qū)段軌道結構的整體壽命。

為保證病害整治質量并防止未整治區(qū)段輕微裂損進一步發(fā)展，必須對隧道內的水進行整治。疏導側溝排水，并對襯砌漏水處進行注漿封堵。

對于道床板兩側縱向裂損嚴重和掉塊區(qū)段，已無法通過修補恢復軌道結構穩(wěn)定性并阻止進一步裂損，必須對裂損嚴重的混凝土和鋼筋進行徹底更換，以達根治目的。具體整治步驟如下：

1）鑿除裂損嚴重的道床板混凝土。根據檢測結果，確定裂損嚴重道床板混凝土鑿除范圍，鑿除裂損混凝土，同時對銹蝕嚴重的鋼筋進行切割拆除。

2）配置防腐蝕鋼筋。采用環(huán)氧樹脂涂層鋼筋替換原有銹蝕鋼筋，并對橫向鋼筋進行防腐處理和加強植筋，在恢復軌道配筋的情況下保證后期耐久性。

3）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并振搗密實，恢復道床板結構。

4）涂刷氟碳保護涂層。在澆筑好的混凝土表面涂刷氟碳保護涂層，進一步阻止外界氯鹽侵蝕，保證軌道結構耐久性。

經上述措施綜合整治后，金沙洲隧道恢復了列車的常速運營，達到了預期效果。

5 結論

本文分析了金沙洲隧道道床板混凝土縱向開裂、鋼筋及扣件銹蝕的原因，提出了綜合整治方案。主要結論如下：

1）隧道漏水、線路側溝排水不暢是導致高程較低區(qū)段無砟軌道結構被水浸泡的主要原因。

2）環(huán)境水中氯離子含量較高且呈酸性導致混凝土中氯離子含量超標，破壞鋼筋鈍化膜，造成鋼筋銹蝕產生膨脹，進而引起道床板混凝土縱向開裂。

3）結合原因分析，提出采用“堵排結合+更換銹蝕鋼筋+局部修復混凝土+主動防御有害侵蝕”等多種措施恢復無砟軌道結構使用壽命的技術方案。

在查明病害原因后，對隧道漏水、側溝排水、鋼筋銹蝕及混凝土碎裂進行綜合整治，修復了無砟軌道結構，列車恢復常速運營，達到了預期的整治效果。