地鐵無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土施工淺析

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摘要：近年來(lái)，隨著市政地鐵設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，人們對(duì)軌道交通施工技術(shù)的可持續(xù)、多樣化綠色發(fā)展需求愈發(fā)強(qiáng)烈。CRTSIII板式無(wú)砟軌道具有耐久性好、穩(wěn)定性高、維修簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，其中，自密實(shí)混凝土填充層作為其關(guān)鍵性的一環(huán)，對(duì)軌道的建設(shè)具有重要作用。該文通過(guò)分析地鐵無(wú)砟板式軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工難點(diǎn)，總結(jié)無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土配合比參數(shù)和施工工藝等方面內(nèi)容特點(diǎn)，為未來(lái)市政地鐵項(xiàng)目中無(wú)砟板式軌道的施工應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞：軌道交通；板式無(wú)砟軌道；自密實(shí)混凝土；配合比；施工工藝

0引言

軌道交通由于其節(jié)約地面空間、通勤時(shí)間短、污染小、載客量大等優(yōu)點(diǎn)，在各大城市得到迅速發(fā)展。但是，目前地鐵施工普遍采用整體式現(xiàn)澆道床，存在施工強(qiáng)度大、環(huán)境狹窄、安全隱患多以及后期維修困難等缺點(diǎn)。隨著城市建設(shè)可持續(xù)綠色發(fā)展要求的提出，預(yù)制道床施工方式將成為一種建設(shè)趨勢(shì)。CRTSIII型無(wú)砟軌道技術(shù)是將CRTSI型和CRTSII型結(jié)構(gòu)中的水泥乳化瀝青砂漿填充層替換成自密實(shí)混凝土，其具備承重能力強(qiáng)、體積穩(wěn)定性好、彈性模量高以及耐久性能優(yōu)異等特點(diǎn)，可保證整個(gè)結(jié)構(gòu)擁有更長(zhǎng)的服役壽命[1]。自密實(shí)混凝土一方面利用軌道板上的預(yù)留孔作為灌注孔，灌入封閉的軌道板腔中，灌注過(guò)程中無(wú)法施加外部振搗，最終與上部軌道板形成整體結(jié)構(gòu)，共同承受列車荷載；另一方面由于自密實(shí)混凝土層內(nèi)部布置鋼筋網(wǎng)片，混凝土在灌注過(guò)程中受到鋼筋的剝離，因此要求其具備高流動(dòng)性、較好鋼筋穿越性和高體積穩(wěn)定性等特性。

1地鐵板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1結(jié)構(gòu)形式

結(jié)合高鐵板式軌道結(jié)構(gòu)，地鐵板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土填充層、土工布隔離層和混凝土底座組成[2]，如圖1所示。其中，軌道板采用單元分塊式C50非預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每塊預(yù)制軌道板設(shè)置2～3個(gè)灌注孔，兼用作觀察孔，底部預(yù)留門(mén)型筋；自密實(shí)混凝土填充層，強(qiáng)度等級(jí)C40，內(nèi)部布置單層鋼筋網(wǎng)片，上方通過(guò)門(mén)型筋與軌道板連接，下部與底座上的限位凹槽連接，形成一個(gè)縱橫向受力的整體。另外，為了便于后期維修，在填充層與底座之間設(shè)置一層土工布隔離層。

1.2施工難點(diǎn)

CRTSⅢ型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)在高鐵領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)日趨完善，其機(jī)械設(shè)備、工裝模板等相對(duì)成熟，且多處于視野開(kāi)闊的地上施工；而對(duì)于市政地鐵項(xiàng)目，其應(yīng)用存在諸多難點(diǎn)[3]，具體如下：（1）地鐵軌道工程所涉及的地下線區(qū)間較多。多種施工材料都需要通過(guò)盾構(gòu)井、車站風(fēng)井或豎井等下料通道運(yùn)至狹窄的鋪軌作業(yè)面，如施工工裝機(jī)具、模板材料、混凝土等，使得分配給每個(gè)工種的施工作業(yè)面有限，循環(huán)效率低；（2）制約與干擾因素多。由于軌道工程中各站臺(tái)間距離一般2～3km左右，鋪軌工程作為最后的幾道工序，施工過(guò)程中一般會(huì)出現(xiàn)與土建、裝修、機(jī)電安裝等班組進(jìn)行交叉施工的情況，這就使得原本狹窄的施工場(chǎng)地將面臨各方面制約和一系列干擾因素；（3）對(duì)自密實(shí)混凝土要求高。一是需要長(zhǎng)距離多次轉(zhuǎn)運(yùn)，從拌和站運(yùn)至地上下料口，再轉(zhuǎn)入地下轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)，最后才轉(zhuǎn)至鋪軌作業(yè)面；二是施工工裝要根據(jù)各個(gè)站臺(tái)間的距離長(zhǎng)短以及施工場(chǎng)地大小合理安排，必須相應(yīng)調(diào)整混凝土的工作性能，因此存在不同澆筑地段的混凝土工作性能差異較大、控制難度較大的情況。

2無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土性能的影響因素

根據(jù)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，其對(duì)自密實(shí)混凝土性能要求與房建、橋梁工程，水運(yùn)工程等涉及到的常規(guī)自密實(shí)混凝土要求顯著不同[4]，主要區(qū)別見(jiàn)表1。根據(jù)高鐵對(duì)無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土層的功能定位，自密實(shí)混凝土需滿足三方面的功能要求[5]：①自充填功能。自密實(shí)混凝土只能通過(guò)軌道板上預(yù)留的預(yù)制小孔進(jìn)入填充層，且由于填充層底部設(shè)有柔性土工布基礎(chǔ)，對(duì)混凝土的流動(dòng)阻力大，又無(wú)法通過(guò)振搗設(shè)備進(jìn)行輔助振搗，只有極好的流動(dòng)性和填充能力才能使混凝土填滿整個(gè)板腔；②優(yōu)質(zhì)的鋼筋間隙通過(guò)性和抗離析性。這是因?yàn)樽悦軐?shí)混凝土一方面受到其內(nèi)部鋼筋網(wǎng)片的阻礙，另一方面還會(huì)受到來(lái)自上方軌道板板底的門(mén)型鋼筋的分割，導(dǎo)致自密實(shí)混凝土在板腔內(nèi)極易出現(xiàn)漿骨分離的現(xiàn)象，從而使后續(xù)混凝土的流動(dòng)受阻；③良好的粘結(jié)性以及體積穩(wěn)定性。由于自密實(shí)混凝土層與軌道板結(jié)合形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，共同承受上方列車的荷載，則要求自密實(shí)混凝土層與軌道板的結(jié)合面不得有浮漿泡沫層和空洞等缺陷。依據(jù)上述三個(gè)功能要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)自密實(shí)混凝土層的性能指標(biāo)提出了以下要求[6]（表2）。為滿足上述要求，自密實(shí)混凝土在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中需重點(diǎn)保證其良好的工作性能和填充性，因此本文重點(diǎn)從水膠比、含氣量、膨脹劑、減水劑等方面進(jìn)行闡述。

2.1水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

有學(xué)者[7]通過(guò)控制膠凝材料用量不變，對(duì)比不同水膠比（0.35～0.38）條件對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明水膠比越大，坍落擴(kuò)展度越大，隨之流速也越快，靜態(tài)穩(wěn)定性越差；當(dāng)水膠比增大至0.38時(shí)，在混凝土邊緣出現(xiàn)寬度10mm的泌水環(huán)，且中間出現(xiàn)明顯的骨料堆積現(xiàn)象。由于水膠比的增大，混凝土中自由水含量增加，使得體系內(nèi)聚力下降，塑性粘度和屈服應(yīng)力也相應(yīng)降低，從而漿體對(duì)骨料的包裹性降低，出現(xiàn)離析泌水現(xiàn)象。

2.2含氣量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

為保證自密實(shí)混凝土良好的流變性能和耐久性能，通常會(huì)引入適量的引氣劑。為研究含氣量對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能和流變參數(shù)的影響[7-8]，配制了不同梯度含氣量（2%～10%）的自密實(shí)混凝土，試驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著含氣量的增加，流動(dòng)時(shí)間先減小后增大，當(dāng)含氣量在5.0%附近為極小值；隨著含氣量的增加，坍落擴(kuò)展度出現(xiàn)略微下降，但有利于自密實(shí)混凝土的靜態(tài)穩(wěn)定性。這是因?yàn)樵诨炷林幸胍龤鈩瑫?huì)產(chǎn)生大量的微小氣泡，阻斷體系內(nèi)部的毛細(xì)通道，使水分子泌出困難，從而提高自密實(shí)混凝土的靜態(tài)穩(wěn)定性。另外，隨含氣量的增加，自密實(shí)混凝土的屈服應(yīng)力逐漸增加，而塑性粘度逐漸降低。一方面，通過(guò)引氣劑引入大量分布均勻的微細(xì)球狀氣泡，不僅增加體系內(nèi)漿體體積，還可以起到滾珠軸承作用，達(dá)到降低屈服應(yīng)力和塑性粘度的目的；而另一方面，表面帶正電的水泥顆粒與引氣劑引入的表面帶負(fù)電的微細(xì)氣泡靜力吸引產(chǎn)生氣泡橋，提高了混凝土的屈服應(yīng)力。對(duì)于高流態(tài)混凝土而言，相比于微氣泡帶來(lái)的滾珠效應(yīng)，氣泡橋?qū)η?yīng)力的影響占主導(dǎo)作用，因此拌合物屈服應(yīng)力隨含氣量增大而增大。并且正是因?yàn)榘韬衔锏那?yīng)力和塑性粘度的相互協(xié)調(diào)作用，才使得拌合物的坍落擴(kuò)展度隨含氣量的增加出現(xiàn)輕微下降。

2.3膨脹劑對(duì)自密實(shí)混凝土收縮性能的影響

無(wú)砟軌道填充層自密實(shí)混凝土所用的膠凝材料高達(dá)500kg/m3以上，砂率高達(dá)50%以上，且所用粗骨料的最大粒徑一般小于16mm。譚鹽賓[9]等人曾研究了粗骨料最大粒徑和膠凝材料用量對(duì)自密實(shí)混凝土的收縮變形影響，結(jié)果表明，當(dāng)選用粗骨料的最大粒徑由20mm減小到10mm，自密實(shí)混凝土自收縮變形值增大5%～25%；而單方每增加20kg膠凝材料，其干燥收縮變形值和自收縮變形值均增大10%～20%。國(guó)外學(xué)者[10]提出混凝土的收縮變形值Sc與骨料的含量α的關(guān)系式，即Sc=SP（1-α）n，式中的n為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，SP為水泥凈漿收縮變形值，骨料所占比例越小，混凝土收縮變形就越大，反之亦然。正是由于無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的上述特點(diǎn)，需采用硫鋁酸鈣－氧化鈣類雙膨脹源的膨脹劑補(bǔ)償其收縮，游國(guó)賢[11]開(kāi)展了自密實(shí)混凝土的限制膨脹率與膨脹劑摻量之間的影響試驗(yàn)，如圖4所示，其中C1組、C2組、C3組膨脹劑用量分別為30kg/m3、35kg/m3、40kg/m3。結(jié)果顯示，當(dāng)膨脹劑用量達(dá)到35kg/m3以上，整個(gè)齡期才可滿足無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土填充層微膨脹的要求。

2.4減水劑對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響

由于無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土處于封閉空間，且會(huì)受到鋼筋網(wǎng)片、土工布、門(mén)型筋、限位凹槽等多重阻礙，這就對(duì)自密實(shí)混凝土的工作性能提出了極高要求；加上目前地鐵施工工況的復(fù)雜性，從減水劑角度來(lái)看，在實(shí)現(xiàn)混凝土高流動(dòng)性的同時(shí)，還要使其具備高保坍、抗離析、高穩(wěn)健性以及良好的穩(wěn)泡性。徐文等人[12]基于高分子聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與調(diào)控原理，通過(guò)在試驗(yàn)中引入對(duì)水親和性較強(qiáng)的長(zhǎng)聚醚側(cè)鏈到羧酸類接枝共聚物中，來(lái)提高空間位阻作用，減弱水泥顆粒團(tuán)聚效應(yīng)，從而降低對(duì)用水量以及攪拌時(shí)間的敏感性，同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，引入酯類基團(tuán)（—COO—），利用其在堿性環(huán)境中水解的特性，來(lái)調(diào)整溶液的聚合物形態(tài)，減弱由于材料含泥量和含水率等因素所引起的敏感性問(wèn)題。

3無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土施工工藝

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土施工工藝流程一般包括板底雜物及積水清理、模板與壓緊裝置安裝、模板和壓緊裝置校正、灌注漏斗及防溢管檢查、灌注自密實(shí)混凝土、保濕養(yǎng)護(hù)，其中自密實(shí)混凝土的工作性能、模板工藝、灌注工藝是影響施工質(zhì)量的關(guān)鍵[13]。

3.1模板工藝

模板工藝主要涉及兩個(gè)方面，一是側(cè)模板的安裝，二是壓緊裝置的安裝。其中壓緊工藝是重中之重，主要用來(lái)控制軌道板的水平標(biāo)高，它主要有兩點(diǎn)要求[14]：①壓緊裝置必須有效，這是由于自密實(shí)混凝土灌注過(guò)程中的“水擊效應(yīng)”[15]將導(dǎo)致軌道板上浮、偏移；②盡量減少壓緊裝置數(shù)量，降低人材機(jī)消耗量，加快施工效率。目前，大多數(shù)鋪軌項(xiàng)目壓緊裝置均采用扁擔(dān)橫梁式（圖5）。另外，在對(duì)曲線板進(jìn)行自密實(shí)混凝土灌注施工時(shí)，有可能導(dǎo)致軌道板側(cè)向偏移，因此一般在底座和曲線板低側(cè)之間額外設(shè)置3組橫向限位裝置。

3.2灌注工藝

自密實(shí)混凝土灌注方式一般分為三種，分別是單點(diǎn)灌注、兩點(diǎn)灌注和側(cè)向灌注，如圖6所示，三種灌注方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表3[5]。排氣孔的設(shè)置最初采用如圖7a）所示方法，該方法利用模板安裝更加便捷，排氣孔設(shè)置于距軌道板四角轉(zhuǎn)角處20cm，但從實(shí)表3不同灌注方式的優(yōu)缺點(diǎn)踐中發(fā)現(xiàn)四個(gè)轉(zhuǎn)角處容易出現(xiàn)空洞和泡沫層，主要是由于排氣孔不在板腔結(jié)構(gòu)的最遠(yuǎn)點(diǎn)，排氣不充分，導(dǎo)致擠壓至轉(zhuǎn)角處的空氣無(wú)法排出而形成空洞；同時(shí)，由于受到填充層內(nèi)部布置的鋼筋網(wǎng)片的剝離作用，一開(kāi)始從排氣孔流出的通常都是砂漿，其最終會(huì)在最遠(yuǎn)端的轉(zhuǎn)角處堆積，形成浮漿泡沫層。針對(duì)該問(wèn)題，將排氣孔設(shè)置在軌道板四角，如圖7b）所示，通過(guò)灌注試驗(yàn)表明，采用轉(zhuǎn)角排氣模板后，可保證灌注過(guò)程中板腔內(nèi)空氣順利從結(jié)構(gòu)最遠(yuǎn)點(diǎn)排出，減少轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)混凝土空洞和泡沫層等缺陷[13]。整個(gè)灌注過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格把控灌注速率，有研究表明[16]當(dāng)灌注時(shí)間＜3min，軌道板上浮量均＞2mm，上浮量過(guò)大會(huì)影響后續(xù)扣件以及鋼軌的安裝，甚至影響行車安全，因此灌注時(shí)間均控制在3min以上。自密實(shí)混凝土的灌注一般從低處孔灌入，使得混凝土從低處流向高處，可有效防止出現(xiàn)空洞。其灌注過(guò)程一般分三個(gè)階段[16]，即“慢-快-慢”。第一個(gè)階段慢速灌注，防止混凝土下落過(guò)快，沖擊地面導(dǎo)致引入過(guò)多的空氣氣泡；第二個(gè)階段加大灌注速度，提高自密實(shí)混凝土的填充性，速度慢極易出現(xiàn)局部空洞現(xiàn)象；最后一個(gè)階段減慢灌注速度，當(dāng)灌注高度至接近觀察孔位置時(shí)，降低灌注速度，一方面有助于排出板腔內(nèi)的空氣，另一方面避免速度過(guò)快導(dǎo)致軌道板上浮，當(dāng)每個(gè)排氣孔處流出模具的2/3～3/4（0.013～0.015m3）的漿體，并伴隨明顯的粗骨料流出時(shí)，即可關(guān)閉四角插板，直到防溢管漿體面超過(guò)板面30cm，灌注結(jié)束。

4結(jié)論

（1）無(wú)砟軌道填充層自密實(shí)混凝土較普通混凝土需具備更好的流動(dòng)性、優(yōu)質(zhì)的間隙通過(guò)率、抗離析性以及高體積穩(wěn)定性，在如今環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻、地材資源匱乏的情況下，對(duì)自密實(shí)混凝土的質(zhì)量監(jiān)控至關(guān)重要，不僅要嚴(yán)格把控原材料的進(jìn)場(chǎng)檢測(cè)，還要從具體施工工況著手，對(duì)水膠比、含氣量、砂率、膨脹劑用量以及減水劑等各方面優(yōu)化配合比，從而達(dá)到自密實(shí)混凝土的高效率灌注。（2）目前，對(duì)于地鐵無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土的施工工藝研究比較匱乏，后續(xù)需結(jié)合地鐵軌道項(xiàng)目自身施工工況和環(huán)境、設(shè)計(jì)理念以及土建、通信、機(jī)電安裝等多專業(yè)融合的特色，重點(diǎn)從預(yù)制軌道板的運(yùn)輸、模板安裝定位技術(shù)以及更高效的自密實(shí)混凝土灌注方式等方面著手，形成一整套具有軌道交通特色的工藝工法，為未來(lái)的工程實(shí)踐提高施工效率以及施工機(jī)械自動(dòng)化水平，達(dá)到降本增效的目的，同時(shí)也為推進(jìn)裝配式建筑的集成工業(yè)化發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

作者:凱樂(lè) 尹輪 喻可超 朱多 何小滿 單位:重慶建工建材物流有限公司 重慶市建筑材料與制品工程技術(shù)研究中心