王淑珍楊新文

（1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系，611830，成都；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，副教授）

提高城市軌道交通整體道床耐久性能的措施*

王淑珍1楊新文2

（1.四川工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系，611830，成都；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，副教授）

針對(duì)城市軌道交通整體道床出現(xiàn)的耐久性不足現(xiàn)象，從整體道床的工作環(huán)境特點(diǎn)入手，詳細(xì)分析了整體道床的耐久性影響因素。介紹了提高整體道床耐久性的研究思路。在特定工程建設(shè)要求和自然邊界條件下，針對(duì)提高整體道床耐久性，介紹了具體的設(shè)計(jì)控制參數(shù)取值、保證施工質(zhì)量的措施，以及運(yùn)營(yíng)階段道床定期養(yǎng)護(hù)維修措施。

城市軌道交通；整體道床；耐久性；提高措施

First-author's addressManagement and Engineering Department，Sichuan Technology and Business College，611830，Chengdu，China

早年建成的北京地鐵1號(hào)線和上海軌道交通1號(hào)線于近期對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大修。從養(yǎng)護(hù)維修情況來(lái)看，鋼筋混凝土整體道床傷損治理難度大、維修成本高。

整體道床的耐久性不僅與行車安全性關(guān)系密切，還影響整個(gè)工程的綜合投資效益。業(yè)內(nèi)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題日益重視。

《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》要求城市地鐵輕軌系統(tǒng)按100年設(shè)計(jì)工作壽命考慮；《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》（修訂稿）要求道床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年。而GB/T 50476—2008《混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》的實(shí)施，標(biāo)志著混凝土耐久性設(shè)計(jì)已經(jīng)成為強(qiáng)制性要求。

近年來(lái)，各地鐵公司對(duì)軌道系統(tǒng)的耐久性也非常關(guān)注［1-3］。南京地鐵公司聯(lián)合高校，研究了添加礦物摻和料、外加劑，調(diào)整水膠比等提高混凝土道床耐久性的方法［2］。重慶地鐵根據(jù)當(dāng)?shù)厮嵊旮g比較嚴(yán)重的特點(diǎn)，研究了混凝土的腐蝕特性、評(píng)價(jià)方法和應(yīng)對(duì)措施［3］。目前，對(duì)提高鋼筋混凝土整體道床的耐久性的研究基本是在工程費(fèi)用基本不變或少量增加的前提條件下進(jìn)行的，采取措施后的設(shè)計(jì)壽命期望一般可達(dá)60～80年。

耐久性提高措施和設(shè)計(jì)工作壽命的長(zhǎng)短與鋼筋混凝土整體道床的工作環(huán)境和耐久性的主要影響因素密切相關(guān)。

1 整體道床工作環(huán)境特點(diǎn)

城市軌道交通整體道床分地下線、地面線和高架線3種敷設(shè)方式。地面線和高架線的道床長(zhǎng)期受日曬雨淋及晝夜、四季溫差變化的影響。某些城市酸雨對(duì)混凝土道床的腐蝕也比較嚴(yán)重。由于埋設(shè)在地下，地下線氣溫基本恒定。但在地下富水區(qū)，地下水滲入隧道的情況很常見(jiàn)。當(dāng)?shù)叵戮€路較長(zhǎng)時(shí)，變坡點(diǎn)會(huì)較多，從而容易造成排水不暢和道床積水（見(jiàn)圖1），加劇對(duì)混凝土的腐蝕和道床裂縫的擴(kuò)展，進(jìn)而影響整體道床的耐久性。影響程度與地下水的腐蝕性密切相關(guān)。

整體道床承受從軌枕傳來(lái)的列車動(dòng)荷載。道床設(shè)計(jì)一般采取容許應(yīng)力法。主要過(guò)程為：

（1）在考慮列車走行中的輪重變動(dòng)系數(shù)α后，計(jì)算出疲勞檢算輪重（=列車軸重×1/2×（1+ α））。

（2）根據(jù)最大脫軌系數(shù)和α，計(jì)算出疲勞檢算橫向力。

（3）根據(jù)疲勞檢算荷載，求出相應(yīng)的鋼筋和混凝土應(yīng)力。

圖1 整體道床積水及鈣化物淤積

城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)通過(guò)能力一般為30對(duì)/h，遠(yuǎn)高于鐵路；但城市軌道交通列車軸重較輕（≤16 t），因此，采用C30混凝土的整體道床強(qiáng)度一般可滿足應(yīng)力檢算要求。但在動(dòng)應(yīng)力和積水等外部環(huán)境因素的共同作用下，道床裂紋會(huì)加速擴(kuò)展，從而縮短道床壽命。在列車荷載作用下的疲勞問(wèn)題屬于變幅、低應(yīng)力、高循環(huán)、長(zhǎng)壽命的疲勞范疇。

城市軌道交通一般采用直流供電，利用軌道鋼軌實(shí)現(xiàn)回流。由于鋼軌本身具有一定電阻，且走行軌不能完全對(duì)地絕緣，因此，部分電流會(huì)泄露到道床中，從而引起道床鋼筋的腐蝕。例如，北京地鐵1號(hào)線道床受雜散電流腐蝕嚴(yán)重，影響了道床的使用壽命。

2 整體道床耐久性的影響因素

影響整體道床耐久性的因素非常復(fù)雜，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和研究資料反映的情況，文獻(xiàn)［1-3］總結(jié)了主要的影響因素，具體有混凝土裂縫、混凝土碳化、鋼筋腐蝕、混凝土抗?jié)B性、混凝土抗凍性、氯離子擴(kuò)散和雜散電流腐蝕等。

（1）混凝土裂縫。由于混凝土在終凝前或者剛剛終凝時(shí)強(qiáng)度很小，受高溫或風(fēng)力的影響，混凝土表面失水過(guò)快，造成毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無(wú)法抵抗其本身收縮，因此混凝土產(chǎn)生龜裂。影響混凝土收縮開(kāi)裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對(duì)濕度等。

（2）混凝土碳化?；炷撂蓟侵缚諝庵械腃O2首先滲透到孔隙和毛細(xì)孔中，然后溶解于孔中液體，進(jìn)而與水泥水化作用產(chǎn)物氫氧化鈣、硅酸鈣等作用形成碳酸鈣?；炷撂蓟螅糠帜z孔和毛細(xì)孔被碳酸鈣堵塞，雖然其密實(shí)性和抗壓強(qiáng)度有所提高，但混凝土碳化后堿性程度降低，一旦碳化層達(dá)鋼筋表面，將破壞鋼筋表面的鈍化膜而使其生銹。而且碳化的混凝土?xí)觿∈湛s變形，導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)、粘結(jié)力下降，甚至鋼筋保護(hù)層脫落。城市軌道交通地下線空氣中CO2的濃度較高，如果道床長(zhǎng)期浸水，則會(huì)加快道床的混凝土碳化。另外，為了防止混凝土碳化腐蝕鋼筋，應(yīng)有足夠的鋼筋保護(hù)層厚度。

（3）鋼筋腐蝕?；炷撂蓟瘜舆_(dá)到鋼筋表面，或混凝土原生的和各種原因產(chǎn)生的縫隙使周圍的空氣、水和土壤中的氯離子到達(dá)鋼筋表面，都會(huì)銹蝕破壞鋼筋表面的局部鈍化膜，漏出鐵基體。銹蝕處的鐵基體與完好的鈍化膜之間形成電位差。其中，小面積的銹蝕點(diǎn)成為陽(yáng)極，而大面積的鈍化膜為陰極。大陰極的陰極反應(yīng)生成OH-，從而提高PH值；小陽(yáng)極表面的鐵溶解后生成Fe（OH）2，成為固態(tài)腐蝕物。因而，鋼筋銹蝕后會(huì)先出現(xiàn)電蝕，發(fā)展為坑蝕，并快速向外蔓延，最后擴(kuò)展成為全面銹蝕。銹蝕物的體積是鐵基的數(shù)倍，體積膨脹會(huì)使道床產(chǎn)生順筋裂縫。

（4）混凝土抗?jié)B性?；炷恋目?jié)B性是決定混凝土耐久性最基本的因素。若混凝土的抗?jié)B性差，則周圍液體物質(zhì)易滲入其內(nèi)部。當(dāng)遇有低溫或環(huán)境水中含有侵蝕性介質(zhì)時(shí)，混凝土就會(huì)因冰凍或侵蝕作用而破壞，對(duì)鋼筋混凝土還將引起其內(nèi)部鋼筋的銹蝕，并導(dǎo)致表面混凝土保護(hù)層開(kāi)裂與剝落?；炷翝B水是由于內(nèi)部的孔隙形成連通的滲水通道。這些通道主要是水泥漿中多余水分的蒸發(fā)而留下的氣孔、水泥漿泌水所形成的毛細(xì)孔及粗骨料下部界面水富集所形成的孔穴。另外，在混凝土施工成型時(shí)，振搗不實(shí)產(chǎn)生的蜂窩、孔洞都會(huì)造成混凝土滲水。混凝土的密實(shí)度及內(nèi)部孔隙的大小和構(gòu)造是決定其抗?jié)B性的重要因素。

（5）混凝土抗凍性。整體道床地面和高架線在寒冷地區(qū)，特別是在接觸水的環(huán)境下，要求具有較高的抗凍性能?；炷量箖鲂允侵钙涞挚苟啻蝺鋈谘h(huán)而不疲勞破壞的性質(zhì)。如果混凝土內(nèi)部孔隙中的水因結(jié)冰膨脹造成的靜水壓力和冰水蒸汽壓而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。多次凍融會(huì)使裂縫不斷發(fā)展直至破壞。混凝土的密實(shí)度、孔隙構(gòu)造和數(shù)量、孔隙的充水程度是決定其抗凍性的重要因素。

（6）氯離子擴(kuò)散。外界的氯離子以水溶液的形式大量分布于整體道床鋼筋混凝土的表面，當(dāng)混凝土表面存在裂縫、開(kāi)口孔隙等現(xiàn)象時(shí)，氯離子會(huì)滲入其中并積聚在鋼筋周圍，當(dāng)鋼筋周圍的氯離子濃度較高時(shí)，氯離子會(huì)滲入鈍化膜與鐵離子結(jié)合破壞鋼筋鈍化膜，引起鋼筋銹蝕，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)被破壞。有試驗(yàn)表明，混凝土拌和物中氯離子含量若達(dá)到水泥含量的0.035%，就足以使混凝土中的鋼筋局部去鈍化，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。因此，氯離子是促使鋼筋銹蝕、破壞鋼筋混凝土耐久性的最危險(xiǎn)物質(zhì)之一。

（7）雜散電流腐蝕［5］。地鐵雜散電流對(duì)道床鋼筋的腐蝕。在本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，屬于局部腐蝕。混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕速率與周圍介質(zhì)的電阻率、混凝土的水膠比等有關(guān)。實(shí)際的電化學(xué)當(dāng)量、腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電解質(zhì)溶液中的腐蝕速率?；炷恋碾娮杩梢猿蔀楹饬炕炷翜p少雜散電流的腐蝕的指標(biāo)。有試驗(yàn)表明混凝土中摻加56%～65%的礦渣微粉和粉煤灰可以使同水膠比的基準(zhǔn)混凝土的電阻增大5倍。優(yōu)化后的混凝土抗地鐵雜散電流腐蝕能力可比同水膠比的基準(zhǔn)混凝土提高6～8倍。整體道床常采用的水膠比0.38的C30泵送混凝土。

3 提高整體道床耐久性的措施

由上可見(jiàn)，影響混凝土道床耐久性的因素眾多，耐久性的提高是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。近年來(lái)混凝土整體道床的耐久性日益受到重視。在不增加投資的條件下，南京、廣州、成都等地鐵已開(kāi)始進(jìn)行整體道床耐久性的研究。整體道床耐久性提升要從混凝土材料組成的改進(jìn)、道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工工藝改進(jìn)和加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面入手，其研究思路如圖2所示。

3.1 優(yōu)化整體道床耐久性設(shè)計(jì)控制參數(shù)

優(yōu)化選擇整體道床耐久性的設(shè)計(jì)控制參數(shù)，首先要根據(jù)工程建設(shè)要求和自然邊界條件確定期望壽命和投資限額；然后確定耐久性設(shè)計(jì)條件和要求輸入?yún)?shù)；最后根據(jù)所述整體道床耐久性影響因素及控制方法，提出具體的整體道床耐久性設(shè)計(jì)控制參數(shù)。

圖2 整體道床耐久性優(yōu)化思路

從調(diào)研情況來(lái)看，國(guó)內(nèi)目前混凝土整體道床的期望設(shè)計(jì)壽命在60～80年，大多在不增加或少量增加投資的條件下進(jìn)行整體道床耐久性設(shè)計(jì)。表1為某城市軌道交通地下線整體道床耐久性設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)，主要包括列車荷載因素、氣溫和濕度影響、碳化和鋼筋銹蝕速度等。

表1 耐久性設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

綜合考慮整體道床耐久性影響因素后提出了耐久性設(shè)計(jì)控制參數(shù)，如表2所示。表2中數(shù)據(jù)表明，在不增加投資的前提下，該線整體道床要達(dá)到60～80年的期望設(shè)計(jì)壽命，混凝土強(qiáng)度等級(jí)須采用C35，配筋率、鋼筋保護(hù)層厚度、水膠比、裂縫寬度須滿足特定要求，道床結(jié)構(gòu)須設(shè)置足夠的排水坡度，以確保排水通暢。

如果按道床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為100年的標(biāo)準(zhǔn)考慮，還需重新審視道床耐久性設(shè)計(jì)控制參數(shù)。城市軌道交通整體道床100年設(shè)計(jì)壽命的研究才剛剛開(kāi)始，還有很長(zhǎng)的路要走，其關(guān)鍵問(wèn)題是工程費(fèi)用增加量和耐久性提高程度之間的平衡問(wèn)題。

表2 整體道床耐久性的設(shè)計(jì)控制參數(shù)

3.2 保證施工質(zhì)量

城市軌道交通整體道床一般采用現(xiàn)場(chǎng)澆注的施工方法。為了提高施工質(zhì)量，保證混凝土道床的耐久性，施工過(guò)程中要對(duì)鋼筋網(wǎng)綁扎、立模澆注、振動(dòng)搗固、養(yǎng)生清理四個(gè)環(huán)節(jié)的工作加強(qiáng)管理。具體要求為：①道床鋼筋網(wǎng)應(yīng)按設(shè)計(jì)尺寸綁扎牢固，無(wú)歪斜扭曲現(xiàn)象。根據(jù)雜散電流排流要求對(duì)橫向和縱向鋼筋進(jìn)行焊接，并預(yù)留排流端子。②盡量采用鋼模板，須將模板內(nèi)表面清理干凈，模板安裝后檢查鋼筋保護(hù)層厚度必須滿足設(shè)計(jì)要求。混凝土運(yùn)輸和卸料過(guò)程中要保證質(zhì)量，澆注混凝土?xí)r應(yīng)做到布料均勻，不污染軌排架和軌枕。③加強(qiáng)混凝土搗固質(zhì)量，尤其是下部鋼筋網(wǎng)和軌枕底部，并避免搗固棒接觸軌排架和軌枕。道床采用專用量具控制斷面形狀，做到一步到位，表面修平抹光后的平整度為5 mm。④道床拆模后應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)支腿孔部位和進(jìn)行養(yǎng)生工作，養(yǎng)生周期根據(jù)所在地氣候條件確定，一般為7～14 d。養(yǎng)生強(qiáng)度達(dá)到要求后應(yīng)全面清理道床表面，鏟除多余灰渣，清掃干凈。

3.3 加強(qiáng)道床養(yǎng)護(hù)維修

為了保證整體道床的正常工作狀態(tài)和耐久性，工程交付運(yùn)營(yíng)后，應(yīng)對(duì)道床進(jìn)行定期維修，主要包括下列項(xiàng)目：①檢查整體道床及排水溝混凝土表面、軌枕與道床混凝土間是否出現(xiàn)裂縫，記錄裂縫長(zhǎng)度、寬度及形狀，并觀測(cè)裂縫是否發(fā)展。②檢查整體道床是否有上拱或下沉現(xiàn)象，并觀測(cè)上拱或下沉是否發(fā)展。當(dāng)發(fā)展變化量在扣件調(diào)整允許范圍內(nèi)時(shí)可用扣件進(jìn)行調(diào)整，并盡快采取結(jié)構(gòu)注漿的措施進(jìn)行控制。③檢查排水系統(tǒng)是否通暢，排水溝是否淤塞、排水溝是否有裂紋。④檢查工作應(yīng)做好觀察記錄，檢查頻次根據(jù)實(shí)際需要安排。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的實(shí)踐表明，提高鋼筋混凝土整體道床的耐久性可以減少維修工作量和維修周期，提升整個(gè)工程的綜合經(jīng)濟(jì)效益，這也是今后軌道工程建設(shè)的熱點(diǎn)問(wèn)題［6］。整體道床除了受列車動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用、雜散電流腐蝕外還受復(fù)雜多變的自然因素的化學(xué)、物理作用。

要提高整體道床的耐久性，首先要合理確定具體的整體道床耐久性設(shè)計(jì)控制參數(shù)，其次是保障施工質(zhì)量，以及做好養(yǎng)護(hù)維修工作。

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［4］ 曾宇光.淺談混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性［J］.山西建筑，2009，35（35）：32.

［5］ 秦峰，朱祥連，奚杰，等.城市軌道交通設(shè)施雜散電流的防護(hù)［J］.機(jī)電工程，2013，1（1）：102.

［6］ 薛許坤，韓豫，成虎.城市軌道交通全壽命周期設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用［J］.城市軌道交通研究，2013（1）：14.

北京公交、地鐵12月28日起實(shí)行新票價(jià)

北京公交、地鐵自12月28日起，所有線路（機(jī)場(chǎng)線除外）將實(shí)行新票價(jià)。道路公交方面，10 km（含）內(nèi)2元，10 km以上部分，每增加1元可乘坐5 km。使用市政交通一卡通刷卡，市域內(nèi)路段普通卡打5折，學(xué)生卡2.5折，八方達(dá)所屬市域外線路實(shí)行八折優(yōu)惠。地鐵方面，6 km（含）內(nèi)3元；6-12 km（含）4元；12-22 km（含）5元；22-32 km（含）6元；32 km以上部分，每增加1元可乘坐20 km。使用市政交通一卡通，每自然月內(nèi)，每張卡支出累計(jì)滿100元后，超出部分打8折；滿150元后，超出部分打5折；支出累計(jì)達(dá)400元后，不再打折。隨著票改的進(jìn)行，車票設(shè)置4 h時(shí)限等一系列配套規(guī)定也同時(shí)鋪開(kāi)。

（摘自2014年12月28日《中國(guó)新聞網(wǎng)》，王碩報(bào)道）

Improving Measures for Monolithic Track Bed Durability in Urban Rail Transit

Wang Shuzhen，Yang Xinwen

In view of the problemsin track bed durability in urban rail transit，and starting from the working conditions of the track basement，the influencing factors over the durability are analysed in detail and a new research method is introduced，aiming to improve the track bed durability.According to special engineering requirements and natural boundary conditions，the concrete controlling parameters，the engineering quality ensurance and ruoutine maintenance of the track bed in operation are introduced.

urban rail transit；track basement；durability；improving measures

U 213.2+41

10.16037/j.1007-869x.2015.01.013

2013-05-05）

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51165017）