哈大高铁桥梁与路基保护层密封及防护技术

刘伟平

（哈大铁路客运专线有限公司，辽宁沈阳　110002）



哈大高铁桥梁与路基保护层密封及防护技术

刘伟平

（哈大铁路客运专线有限公司，辽宁沈阳110002）

摘要哈大高铁是世界上第一条修建于严寒地区的采用无砟轨道的高速铁路，建设及运营管理均无成熟经验可供借鉴。针对哈大高铁出现的桥梁与路基防水保护层混凝土粉化、掉块，伸缩缝开裂、剥离，路基冻胀现象，分析其原因，并通过系统性的试验研究，确定采用PPU薄涂型聚氨酯防水漆进行混凝土表面封闭防护、采用低弹性模量密封胶嵌缝密封的整治方案。2013年进行了2 380. 3 m的试验段整治施工，2014年进行了12 361 m的扩大试验段整治施工。试验结果表明，聚氨酯防护涂层对防止保护层混凝土粉化效果明显，并与嵌缝密封材料共同作用，有效防止地表水下渗，抑制了路基冻胀，使轨道几何状态得到了明显优化。

关键词严寒地区；高速铁路；保护层；粉化；路基冻胀；整治

1　概述

哈大高铁是我国第一条高寒地区高速铁路，线路全长903 km，设计速度350 km/h，于2007年8月开工建设，2012年12月1日开通运营，初期运营速度定为300 km/h，冬季暂按200 km/h运营。

自开通运营以来，线路状态平稳。但是由于沿线昼夜温差大，在反复冻融作用下线间和路肩防水保护层混凝土陆续发生粉化、掉块问题，路基产生冻胀变形。

自2012年6月以来，全线各施工单位和工务部门对保护层粉化和掉块问题进行了大规模集中清理，共清理桥梁地段44. 4 km、路基地段20 km。开通运营后，保护层粉化、掉块问题因冻融循环呈不断恶化趋势。每年春季开始实施夏季运行图、动车开行速度达到300 km/h后的2周内发生混凝土掉块击打列车，影响行车安全。保护层粉化、掉块的清理已成为维修管理单位一项常态化工作。对保护层混凝土采取防护措施已势在必行。

针对路基冻胀变形问题，为降低冻融期间地下水位，在沿线开通运营前采取了增设盲沟的措施，排水效果良好。但由于大气降水下渗，冻胀问题仍难避免。其主要原因是在混凝土热胀冷缩作用下保护层结构缝采用的既有嵌缝材料的密封防水作用失效及封闭层冻融粉化后渗水，因此急需研究满足严寒地区气候特点的封闭材料和技术。

2　病害原因分析

2. 1保护层混凝土病害原因分析

经调查测试，哈大客专防水保护层粉化深度一般在0. 3～2. 0 cm，部分已露钢筋。

由于哈大客专沿线昼夜温差大（历史最低温度- 39. 9℃、最高温度39. 8℃）、冬季降雪多，在反复冻融作用下，加之水分的渗入，极易导致桥梁、路基地段防水保护层混凝土产生粉化、掉块现象，并随着时间的增加逐层粉化，直至露筋掉块。由于防水保护层混凝土级别低，加之现场施工缺陷，水渗入孔隙，又加剧了冻融，使粉化掉块现象恶化，构成较大隐患。

2. 2接缝封堵失效原因分析

调查发现，防排水措施存在的系统性问题导致地表水下渗是路基冻胀的重要原因之一。路基表层各种结构缝如混凝土底座板间的沉降缝、纤维混凝土间的伸缩缝、纤维混凝土与底座板间的接缝，其采用的沥青软膏或聚氨酯等封堵材料在混凝土热胀冷缩作用下会压缩与脱裂，导致接缝封堵失效，地表水下渗，从而加速路基冻胀发生。

接缝开裂原因可从密封材料的位移量及形状系数2个方面分析。

影响接缝位移量的主要因素包括热位移、潮湿膨胀位移、荷载作用位移。其中热位移是最主要的影响因素。如果仅考虑热膨胀的影响则材料尺寸变化量可使用下式计算。

式中：L是材料尺寸；ΔT表示预期温差；a是混凝土的线性热膨胀系数。

如果夏天混凝土的表面温度达到60℃，冬天最低气温达到- 40℃，则ΔT为100℃。底座板的长度为10 m。混凝土的线性热膨胀系数a取12×10- 6。板式轨道底座板伸缩缝的最大位移量经计算为12 mm。

如果密封胶的施工温度为20℃，则其拉伸变形量为7. 2 mm，相当于伸缩缝宽度的36％。

混凝土封闭层横缝间距为5 m，纵缝间距约为3 m。同理相应密封胶20℃施工的拉伸变形量分别为3. 60，2. 16 mm，相当于伸缩缝宽度的30％和18％。

通过计算发现在理想的条件下，上述3种接缝的拉伸变形量分别相当于伸缩缝宽度的36％，30％，18％。沥青类嵌缝材料无法满足要求。建筑用聚氨酯类密封材料的变形能力也很少有＞±25％的，加之使用密封胶的形状系数不合理，因此上述接缝密封材料的开裂和脱落几乎是不可避免的。

3　整治方案设计

3. 1防护材料要求

封闭漆、聚氨酯面漆性能要求分别见表1、表2。

表1　封闭漆性能要求

表2　聚氨酯面漆性能要求

3. 2嵌缝密封材料要求（表3）

表3　嵌缝密封材料的性能要求

3. 3防护涂层及接缝密封技术方案

防护涂层施工前必须彻底清除保护层混凝土的浮浆、粉化层及剥离、酥松部分，做好基面裂缝等缺陷修补，做好转角部位及混凝土接缝的密封施工。

3. 3. 1防护涂层基本构成

防护涂层的基本构成为封闭漆+底面漆+表面漆。涂层厚度≥200 μm，其中封闭漆无厚度要求，底面漆的干膜厚度≥100 μm，表面漆的干膜厚度≥100 μm。

3. 3. 2基层处理

1）保护层混凝土强度＞C20，清理后平整、密实、无麻面时可直接进行防护涂层施工。

2）保护层混凝土强度＞C20，清理后基面存在不平整（如麻面）或潮湿时，应先施工找平层，再进行防护涂层施工。找平层由水性环氧和P. O. 42. 5水泥配合而成，厚度为1～2 mm，主要起封孔、找平及对基面水分的封闭作用，与混凝土基面（含潮湿基面）及封闭漆具有良好的附着力。

3）保护层混凝土强度在C10～C20时，应先施工补强层，再进行防护涂层施工。补强层由高渗透性树脂渗入混凝土中构成，渗入深度≥2 mm，主要起补强作用，与混凝土基面及封闭漆具有良好的附着力，补强层也可采用聚合物改性水泥砂浆。

4）保护层混凝土中存在裂缝时应修补后再进行防护涂层施工。裂缝宽度＜0. 2 mm时可采用柔性环氧注浆胶进行3次以上刷涂，让浆液自然渗入裂缝中，至裂缝不再吸收浆液为止；裂缝宽度≥0. 2 mm时则先沿裂缝切出V形槽，然后用聚合物砂浆堵塞修补。

5）保护层混凝土局部出现严重开裂、掉块、强度≤C10时，应彻底清理，重新施工，再进行防护涂层施工。3. 3. 3转角部位及接缝处理

保护层混凝土与底座板、防撞墙转角部位及混凝土接缝处理应先清除原封堵材料，再进行密封胶和防护涂层施工。施工须遵照《哈大客专路基面混凝土接缝密封胶暂行技术条件》。

4　整治方案的实施

试验段整治施工基本流程见图1。

图1　试验段整治施工基本流程

2013年的试验段整治施工自8月开始，10月完成。共计施工2 380. 3 m，其中桥梁段为400. 3 m，路基段为1 980 m。

2014年扩大整治范围，自8月开始施工，9月完成。共计施工12 361 m，其中桥梁段9 004 m，路基段3 357 m。

5　整治效果

为验证聚氨酯防护涂层整治效果，2015年4月5—20日对各个试验段冻融整治效果进行了现场调查。

5. 1总体情况

调查显示大部分防护涂层外观较平整，无剥离、开裂、黄变等现象，附着力符合要求，可有效防止雨水下渗。路基段冻害程度显著降低，路基、桥梁段混凝土粉化、掉块现象基本得到控制。

5. 2检测情况

经2个冻融循环后对2013年施工的聚氨酯防护涂层试验段附着力进行复测，复测结果与2013年检测结果变化不明显。针对2014年施工试验段的聚氨酯防护涂层也进行了抽样检测，每个区段选取检测点9个。2013—2014年所施工的聚氨酯防护涂层各测点均满足技术要求，涂层附着力检测合格。

5. 3冻胀整治效果

根据近2年的跟踪检测，路基段采取聚氨酯防护涂层及符合《哈大客专路基面混凝土接缝密封胶暂行技术条件》的密封胶对纤维混凝土保护层及各种缝隙进行了封堵，地表水下渗问题得到明显缓解，路基冻胀得到抑制，轨道几何状态得到了明显优化。说明运营期间采取表层封闭措施对减少地表水下渗，防护路基冻胀是有效的。

K186 + 551—K187 + 100段路基冻胀的检测结果如下。

1）人工观测结果。2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年人工观测的路基冻胀变形最大值分别为18. 0，6. 8，2. 2 mm，平均值分别为9. 0，2. 2，1. 4 mm。

2）自动监测结果。在K186 + 600，K186 + 650，K186 + 910共3处设置了自动监测断面。选取冻胀量自动监测最大值进行对比，见表4。根据近3年自动监测数据可知，冻胀变形值明显减小。

表4　路基冻胀量自动监测最大值对比

3）动态检测结果。对近3年综合检测列车动态检测结果进行统计，2013-02-20，2014-02-19，2015-02-17检测的Ⅰ级超限处所分别为16，1，1处；Ⅱ级超限处所分别为3，0，0处。

4）冻害现场核查结果。2012—2013年、2013—2014年、2014—2015年现场检查的冻害数量分别为8，3，2处；最大冻胀变形量分别为10. 0，10. 0，4. 5 mm，冻害最大长度分别为30，20，10 m。

5. 4混凝土粉化整治效果

根据现场调查情况，经过2个冻融循环，试验段防护涂层大部分连续完整，无涂层脱落现象发生。个别路段由于未清除强度过低的基层混凝土，出现防护涂层破损、剥离、空鼓等缺陷。

6　结论

1）试验段路基冻胀的人工观测、自动监测及动态检测结果表明，采用密封胶和聚氨酯防护涂层可有效防止地表水下渗，抑制路基冻胀程度，使轨道几何状态明显优化，为线路的安全运营及后续冬季提速奠定了基础。

2）聚氨酯防护涂层对防止保护层混凝土粉化效果明显，有效地阻止了湿气及雨水渗入，基本达到了阻止纤维混凝土保护层继续粉化、掉块的目的，有效减少了维修工作量。

3）试验段采用的密封胶在经过2个冬季运营考验后，未出现开裂、剥离现象，表明《哈大客专路基面混凝土接缝密封胶暂行技术条件》所确定的密封胶技术指标可满足严寒及高铁运营振动条件下的使用要求。

4）个别路段防护涂层存在表面漆破损、剥离，防护涂层剥离、空鼓等缺陷，但多数缺陷是由基层混凝土强度过低引起，附着力测试与缺陷调查情况证实涂层与基层的附着力良好，表明试验选用的聚氨酯涂料及防护体系可满足哈大高铁严寒条件下的使用要求。

5）试验段聚氨酯防护涂层整治效果基本达到预期要求，但涂层施工对基层混凝土强度和环境条件有较为严格的要求，受制于基层混凝土强度低、基面潮湿、夜间施工、作业时间短等客观条件，造成施工成本较高，很难完全避免整治后个别路段继续出现涂层剥离、空鼓等缺陷。因此，建议继续开展新技术、新材料的试验研究工作，针对现场需要，简化施工工艺及作业程序，降低施工造价，并提高耐久性，增加使用年限。

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（责任审编李付军）

Study on Sealing and Protection Technology for Protective Layer of Bridge and Subgrade on Harbin -Dalian High Speed Railway

LIU Weiping
（Harbin-Dalian Passenger Dedicated Railway Co.，Ltd.，Shenyang Liaoning 110002，China）

AbstractHarbin -Dalian high speed railway is the first one which adopts slab-type ballastless track and is located in cold region. No experience of construction and operation management was available. Different damage types of Harbin -Dalian high speed railway，such as concrete efflorescence，spalling，expansion joint cracking and subgrade frost heaving，were analyzed. PPU polyurethane waterproofing coating was suggested to cover concrete surface，and low-elastic-modulus sealant was used for inlay sealing. T his technology had been applied to 2 380. 3 m railway in 2013 and 12 361 m in 2014. T he application results showed that polyurethane coating effectively prevented concrete efflorescence. In particular，the coating and the inlay sealing prevented the infiltration of surface water，and thus the subgrade frost heaving was controlled. In this way，the track geometry status was improved significantly.

Key wordsCold region；High speed railway；Protective layer；Efflorescence；Subgrade frost heaving；T reatment

中图分类号U213. 1

文献标识码A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 37

文章编号：1003-1995（2016）05-0162-04

收稿日期：2016-02-17；修回日期：2016-03-21

基金项目：铁道部科技研究开发计划（Z2012-062）；中国铁路总公司科技研究开发计划（2014G001-H）

作者简介：刘伟平（1960—），男，高级工程师。