提高城市轨道交通整体道床耐久性能的措施*

王淑珍杨新文

（1.四川工商职业技术学院管理工程系，611830，成都；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，副教授）

提高城市轨道交通整体道床耐久性能的措施*

王淑珍1杨新文2

（1.四川工商职业技术学院管理工程系，611830，成都；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，副教授）

针对城市轨道交通整体道床出现的耐久性不足现象，从整体道床的工作环境特点入手，详细分析了整体道床的耐久性影响因素。介绍了提高整体道床耐久性的研究思路。在特定工程建设要求和自然边界条件下，针对提高整体道床耐久性，介绍了具体的设计控制参数取值、保证施工质量的措施，以及运营阶段道床定期养护维修措施。

城市轨道交通；整体道床；耐久性；提高措施

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

早年建成的北京地铁1号线和上海轨道交通1号线于近期对轨道结构进行了大修。从养护维修情况来看，钢筋混凝土整体道床伤损治理难度大、维修成本高。

整体道床的耐久性不仅与行车安全性关系密切，还影响整个工程的综合投资效益。业内对轨道结构的耐久性问题日益重视。

《混凝土结构耐久性设计与施工指南》要求城市地铁轻轨系统按100年设计工作寿命考虑；《地铁设计规范》（修订稿）要求道床结构的设计使用年限为100年。而GB/T 50476—2008《混凝土耐久性设计规范》的实施，标志着混凝土耐久性设计已经成为强制性要求。

近年来，各地铁公司对轨道系统的耐久性也非常关注［1-3］。南京地铁公司联合高校，研究了添加矿物掺和料、外加剂，调整水胶比等提高混凝土道床耐久性的方法［2］。重庆地铁根据当地酸雨腐蚀比较严重的特点，研究了混凝土的腐蚀特性、评价方法和应对措施［3］。目前，对提高钢筋混凝土整体道床的耐久性的研究基本是在工程费用基本不变或少量增加的前提条件下进行的，采取措施后的设计寿命期望一般可达60～80年。

耐久性提高措施和设计工作寿命的长短与钢筋混凝土整体道床的工作环境和耐久性的主要影响因素密切相关。

1 整体道床工作环境特点

城市轨道交通整体道床分地下线、地面线和高架线3种敷设方式。地面线和高架线的道床长期受日晒雨淋及昼夜、四季温差变化的影响。某些城市酸雨对混凝土道床的腐蚀也比较严重。由于埋设在地下，地下线气温基本恒定。但在地下富水区，地下水渗入隧道的情况很常见。当地下线路较长时，变坡点会较多，从而容易造成排水不畅和道床积水（见图1），加剧对混凝土的腐蚀和道床裂缝的扩展，进而影响整体道床的耐久性。影响程度与地下水的腐蚀性密切相关。

整体道床承受从轨枕传来的列车动荷载。道床设计一般采取容许应力法。主要过程为：

（1）在考虑列车走行中的轮重变动系数α后，计算出疲劳检算轮重（=列车轴重×1/2×（1+ α））。

（2）根据最大脱轨系数和α，计算出疲劳检算横向力。

（3）根据疲劳检算荷载，求出相应的钢筋和混凝土应力。

图1 整体道床积水及钙化物淤积

城市轨道交通线路的设计通过能力一般为30对/h，远高于铁路；但城市轨道交通列车轴重较轻（≤16 t），因此，采用C30混凝土的整体道床强度一般可满足应力检算要求。但在动应力和积水等外部环境因素的共同作用下，道床裂纹会加速扩展，从而缩短道床寿命。在列车荷载作用下的疲劳问题属于变幅、低应力、高循环、长寿命的疲劳范畴。

城市轨道交通一般采用直流供电，利用轨道钢轨实现回流。由于钢轨本身具有一定电阻，且走行轨不能完全对地绝缘，因此，部分电流会泄露到道床中，从而引起道床钢筋的腐蚀。例如，北京地铁1号线道床受杂散电流腐蚀严重，影响了道床的使用寿命。

2 整体道床耐久性的影响因素

影响整体道床耐久性的因素非常复杂，根据现场调查和研究资料反映的情况，文献［1-3］总结了主要的影响因素，具体有混凝土裂缝、混凝土碳化、钢筋腐蚀、混凝土抗渗性、混凝土抗冻性、氯离子扩散和杂散电流腐蚀等。

（1）混凝土裂缝。由于混凝土在终凝前或者刚刚终凝时强度很小，受高温或风力的影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，因此混凝土产生龟裂。影响混凝土收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。

（2）混凝土碳化。混凝土碳化是指空气中的CO2首先渗透到孔隙和毛细孔中，然后溶解于孔中液体，进而与水泥水化作用产物氢氧化钙、硅酸钙等作用形成碳酸钙。混凝土碳化后，部分凝胶孔和毛细孔被碳酸钙堵塞，虽然其密实性和抗压强度有所提高，但混凝土碳化后碱性程度降低，一旦碳化层达钢筋表面，将破坏钢筋表面的钝化膜而使其生锈。而且碳化的混凝土会加剧收缩变形，导致裂缝出现、粘结力下降，甚至钢筋保护层脱落。城市轨道交通地下线空气中CO2的浓度较高，如果道床长期浸水，则会加快道床的混凝土碳化。另外，为了防止混凝土碳化腐蚀钢筋，应有足够的钢筋保护层厚度。

（3）钢筋腐蚀。混凝土碳化层达到钢筋表面，或混凝土原生的和各种原因产生的缝隙使周围的空气、水和土壤中的氯离子到达钢筋表面，都会锈蚀破坏钢筋表面的局部钝化膜，漏出铁基体。锈蚀处的铁基体与完好的钝化膜之间形成电位差。其中，小面积的锈蚀点成为阳极，而大面积的钝化膜为阴极。大阴极的阴极反应生成OH-，从而提高PH值；小阳极表面的铁溶解后生成Fe（OH）2，成为固态腐蚀物。因而，钢筋锈蚀后会先出现电蚀，发展为坑蚀，并快速向外蔓延，最后扩展成为全面锈蚀。锈蚀物的体积是铁基的数倍，体积膨胀会使道床产生顺筋裂缝。

（4）混凝土抗渗性。混凝土的抗渗性是决定混凝土耐久性最基本的因素。若混凝土的抗渗性差，则周围液体物质易渗入其内部。当遇有低温或环境水中含有侵蚀性介质时，混凝土就会因冰冻或侵蚀作用而破坏，对钢筋混凝土还将引起其内部钢筋的锈蚀，并导致表面混凝土保护层开裂与剥落。混凝土渗水是由于内部的孔隙形成连通的渗水通道。这些通道主要是水泥浆中多余水分的蒸发而留下的气孔、水泥浆泌水所形成的毛细孔及粗骨料下部界面水富集所形成的孔穴。另外，在混凝土施工成型时，振捣不实产生的蜂窝、孔洞都会造成混凝土渗水。混凝土的密实度及内部孔隙的大小和构造是决定其抗渗性的重要因素。

（5）混凝土抗冻性。整体道床地面和高架线在寒冷地区，特别是在接触水的环境下，要求具有较高的抗冻性能。混凝土抗冻性是指其抵抗多次冻融循环而不疲劳破坏的性质。如果混凝土内部孔隙中的水因结冰膨胀造成的静水压力和冰水蒸汽压而产生的内应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土就会产生裂缝。多次冻融会使裂缝不断发展直至破坏。混凝土的密实度、孔隙构造和数量、孔隙的充水程度是决定其抗冻性的重要因素。

（6）氯离子扩散。外界的氯离子以水溶液的形式大量分布于整体道床钢筋混凝土的表面，当混凝土表面存在裂缝、开口孔隙等现象时，氯离子会渗入其中并积聚在钢筋周围，当钢筋周围的氯离子浓度较高时，氯离子会渗入钝化膜与铁离子结合破坏钢筋钝化膜，引起钢筋锈蚀，进而导致混凝土结构被破坏。有试验表明，混凝土拌和物中氯离子含量若达到水泥含量的0.035%，就足以使混凝土中的钢筋局部去钝化，从而导致钢筋锈蚀。因此，氯离子是促使钢筋锈蚀、破坏钢筋混凝土耐久性的最危险物质之一。

（7）杂散电流腐蚀［5］。地铁杂散电流对道床钢筋的腐蚀。在本质上是电化学腐蚀，属于局部腐蚀。混凝土内钢筋的腐蚀速率与周围介质的电阻率、混凝土的水胶比等有关。实际的电化学当量、腐蚀速率远远小于电解质溶液中的腐蚀速率。混凝土的电阻可以成为衡量混凝土减少杂散电流的腐蚀的指标。有试验表明混凝土中掺加56%～65%的矿渣微粉和粉煤灰可以使同水胶比的基准混凝土的电阻增大5倍。优化后的混凝土抗地铁杂散电流腐蚀能力可比同水胶比的基准混凝土提高6～8倍。整体道床常采用的水胶比0.38的C30泵送混凝土。

3 提高整体道床耐久性的措施

由上可见，影响混凝土道床耐久性的因素众多，耐久性的提高是一个复杂的系统工程。近年来混凝土整体道床的耐久性日益受到重视。在不增加投资的条件下，南京、广州、成都等地铁已开始进行整体道床耐久性的研究。整体道床耐久性提升要从混凝土材料组成的改进、道床结构设计优化、施工工艺改进和加强运营维护等方面入手，其研究思路如图2所示。

3.1 优化整体道床耐久性设计控制参数

优化选择整体道床耐久性的设计控制参数，首先要根据工程建设要求和自然边界条件确定期望寿命和投资限额；然后确定耐久性设计条件和要求输入参数；最后根据所述整体道床耐久性影响因素及控制方法，提出具体的整体道床耐久性设计控制参数。

图2 整体道床耐久性优化思路

从调研情况来看，国内目前混凝土整体道床的期望设计寿命在60～80年，大多在不增加或少量增加投资的条件下进行整体道床耐久性设计。表1为某城市轨道交通地下线整体道床耐久性设计输入参数，主要包括列车荷载因素、气温和湿度影响、碳化和钢筋锈蚀速度等。

表1 耐久性设计输入参数

综合考虑整体道床耐久性影响因素后提出了耐久性设计控制参数，如表2所示。表2中数据表明，在不增加投资的前提下，该线整体道床要达到60～80年的期望设计寿命，混凝土强度等级须采用C35，配筋率、钢筋保护层厚度、水胶比、裂缝宽度须满足特定要求，道床结构须设置足够的排水坡度，以确保排水通畅。

如果按道床结构的设计使用年限为100年的标准考虑，还需重新审视道床耐久性设计控制参数。城市轨道交通整体道床100年设计寿命的研究才刚刚开始，还有很长的路要走，其关键问题是工程费用增加量和耐久性提高程度之间的平衡问题。

表2 整体道床耐久性的设计控制参数

3.2 保证施工质量

城市轨道交通整体道床一般采用现场浇注的施工方法。为了提高施工质量，保证混凝土道床的耐久性，施工过程中要对钢筋网绑扎、立模浇注、振动捣固、养生清理四个环节的工作加强管理。具体要求为：①道床钢筋网应按设计尺寸绑扎牢固，无歪斜扭曲现象。根据杂散电流排流要求对横向和纵向钢筋进行焊接，并预留排流端子。②尽量采用钢模板，须将模板内表面清理干净，模板安装后检查钢筋保护层厚度必须满足设计要求。混凝土运输和卸料过程中要保证质量，浇注混凝土时应做到布料均匀，不污染轨排架和轨枕。③加强混凝土捣固质量，尤其是下部钢筋网和轨枕底部，并避免捣固棒接触轨排架和轨枕。道床采用专用量具控制断面形状，做到一步到位，表面修平抹光后的平整度为5 mm。④道床拆模后应及时修补支腿孔部位和进行养生工作，养生周期根据所在地气候条件确定，一般为7～14 d。养生强度达到要求后应全面清理道床表面，铲除多余灰渣，清扫干净。

3.3 加强道床养护维修

为了保证整体道床的正常工作状态和耐久性，工程交付运营后，应对道床进行定期维修，主要包括下列项目：①检查整体道床及排水沟混凝土表面、轨枕与道床混凝土间是否出现裂缝，记录裂缝长度、宽度及形状，并观测裂缝是否发展。②检查整体道床是否有上拱或下沉现象，并观测上拱或下沉是否发展。当发展变化量在扣件调整允许范围内时可用扣件进行调整，并尽快采取结构注浆的措施进行控制。③检查排水系统是否通畅，排水沟是否淤塞、排水沟是否有裂纹。④检查工作应做好观察记录，检查频次根据实际需要安排。

4 结语

城市轨道交通建设和运营的实践表明，提高钢筋混凝土整体道床的耐久性可以减少维修工作量和维修周期，提升整个工程的综合经济效益，这也是今后轨道工程建设的热点问题［6］。整体道床除了受列车动荷载长期作用、杂散电流腐蚀外还受复杂多变的自然因素的化学、物理作用。

要提高整体道床的耐久性，首先要合理确定具体的整体道床耐久性设计控制参数，其次是保障施工质量，以及做好养护维修工作。

［1］ 黄文新.广州地铁混凝土结构在环境多因素作用下抗侵蚀耐久性的研究［D］.广州：华南理工大学，2010.

［2］ 杜应吉.地铁工程混凝土耐久性研究与寿命预测［D］.南京：河海大学，2005.

［3］ 陈寒斌.严重酸雨环境下混凝土性能与环境评价［D］.重庆：重庆大学，2006.

［4］ 曾宇光.浅谈混凝土结构的耐久性［J］.山西建筑，2009，35（35）：32.

［5］ 秦峰，朱祥连，奚杰，等.城市轨道交通设施杂散电流的防护［J］.机电工程，2013，1（1）：102.

［6］ 薛许坤，韩豫，成虎.城市轨道交通全寿命周期设计理论及应用［J］.城市轨道交通研究，2013（1）：14.

北京公交、地铁12月28日起实行新票价

北京公交、地铁自12月28日起，所有线路（机场线除外）将实行新票价。道路公交方面，10 km（含）内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，市域内路段普通卡打5折，学生卡2.5折，八方达所属市域外线路实行八折优惠。地铁方面，6 km（含）内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，每自然月内，每张卡支出累计满100元后，超出部分打8折；满150元后，超出部分打5折；支出累计达400元后，不再打折。随着票改的进行，车票设置4 h时限等一系列配套规定也同时铺开。

（摘自2014年12月28日《中国新闻网》，王硕报道）

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）

*国家自然科学基金项目（51165017）