地铁无砟轨道自密实混凝土施工技术研究进展

凯乐，尹轮，喻可超，朱多，何小满

（1重庆建工建材物流有限公司，重庆 401122；2重庆市建筑材料与制品工程技术研究中心，重庆 401122）

0 引言

轨道交通由于其节约地面空间、通勤时间短、污染小、载客量大等优点，在各大城市得到迅速发展。但是，目前地铁施工普遍采用整体式现浇道床，存在施工强度大、环境狭窄、安全隐患多以及后期维修困难等缺点。随着城市建设可持续绿色发展要求的提出，预制道床施工方式将成为一种建设趋势。

CRTSIII型无砟轨道技术是将CRTSI型和CRTSII型结构中的水泥乳化沥青砂浆填充层替换成自密实混凝土，其具备承重能力强、体积稳定性好、弹性模量高以及耐久性能优异等特点，可保证整个结构拥有更长的服役寿命[1]。自密实混凝土一方面利用轨道板上的预留孔作为灌注孔，灌入封闭的轨道板腔中，灌注过程中无法施加外部振捣，最终与上部轨道板形成整体结构，共同承受列车荷载；另一方面由于自密实混凝土层内部布置钢筋网片，混凝土在灌注过程中受到钢筋的剥离，因此要求其具备高流动性、较好钢筋穿越性和高体积稳定性等特性。

1 地铁板式无砟轨道结构特点

1.1 结构形式

图1 板式无砟轨道结构示意图

1.2 施工难点

CRTSⅢ型无砟轨道结构在高铁领域的应用已经日趋完善，其机械设备、工装模板等相对成熟，且多处于视野开阔的地上施工；而对于市政地铁项目，其应用存在诸多难点[3]，具体如下：

（1）地铁轨道工程所涉及的地下线区间较多。多种施工材料都需要通过盾构井、车站风井或竖井等下料通道运至狭窄的铺轨作业面，如施工工装机具、模板材料、混凝土等，使得分配给每个工种的施工作业面有限，循环效率低；

（2）制约与干扰因素多。由于轨道工程中各站台间距离一般2～3km左右，铺轨工程作为最后的几道工序，施工过程中一般会出现与土建、装修、机电安装等班组进行交叉施工的情况，这就使得原本狭窄的施工场地将面临各方面制约和一系列干扰因素；

（3）对自密实混凝土要求高。一是需要长距离多次转运，从拌和站运至地上下料口，再转入地下转运点，最后才转至铺轨作业面；二是施工工装要根据各个站台间的距离长短以及施工场地大小合理安排，必须相应调整混凝土的工作性能，因此存在不同浇筑地段的混凝土工作性能差异较大、控制难度较大的情况。

2 无砟轨道自密实混凝土性能的影响因素

根据CRTSⅢ型板式无砟轨道结构特点可知，其对自密实混凝土性能要求与房建、桥梁工程，水运工程等涉及到的常规自密实混凝土要求显著不同[4]，主要区别见表1。

表1 无砟轨道自密实混凝土技术特征

根据高铁对无砟轨道自密实混凝土层的功能定位，自密实混凝土需满足三方面的功能要求[5]：①自充填功能。自密实混凝土只能通过轨道板上预留的预制小孔进入填充层，且由于填充层底部设有柔性土工布基础，对混凝土的流动阻力大，又无法通过振捣设备进行辅助振捣，只有极好的流动性和填充能力才能使混凝土填满整个板腔；②优质的钢筋间隙通过性和抗离析性。这是因为自密实混凝土一方面受到其内部钢筋网片的阻碍，另一方面还会受到来自上方轨道板板底的门型钢筋的分割，导致自密实混凝土在板腔内极易出现浆骨分离的现象，从而使后续混凝土的流动受阻；③良好的粘结性以及体积稳定性。由于自密实混凝土层与轨道板结合形成一个整体结构，共同承受上方列车的荷载，则要求自密实混凝土层与轨道板的结合面不得有浮浆泡沫层和空洞等缺陷。依据上述三个功能要求，相关标准对自密实混凝土层的性能指标提出了以下要求[6]（表2）。

表2 自密实混凝土工作性能指标

为满足上述要求，自密实混凝土在配合比设计过程中需重点保证其良好的工作性能和填充性，因此本文重点从水胶比、含气量、膨胀剂、减水剂等方面进行阐述。

2.1 水胶比对自密实混凝土工作性能的影响

有学者[7]通过控制胶凝材料用量不变，对比不同水胶比（0.35～0.38）条件对自密实混凝土工作性能的影响。试验结果表明水胶比越大，坍落扩展度越大，随之流速也越快，静态稳定性越差；当水胶比增大至0.38时，在混凝土边缘出现宽度10mm的泌水环，且中间出现明显的骨料堆积现象。由于水胶比的增大，混凝土中自由水含量增加，使得体系内聚力下降，塑性粘度和屈服应力也相应降低，从而浆体对骨料的包裹性降低，出现离析泌水现象。

再如2013年中考作文《那段 的日子》，有些学生，写的是《那段温暖的日子》，文中围绕温暖只写一件事，而没有扣住“那段”，从而离题较远，失分较重。

2.2 含气量对自密实混凝土工作性能的影响

为保证自密实混凝土良好的流变性能和耐久性能，通常会引入适量的引气剂。为研究含气量对自密实混凝土的工作性能和流变参数的影响[7-8]，配制了不同梯度含气量（2%～10%）的自密实混凝土，试验结果如图2、图3所示。

图2 含气量对自密实混凝土工作性能的影响

图3 含气量对自密实混凝土流变参数的影响

试验结果表明：随着含气量的增加，流动时间先减小后增大，当含气量在5.0%附近为极小值；随着含气量的增加，坍落扩展度出现略微下降，但有利于自密实混凝土的静态稳定性。这是因为在混凝土中引入引气剂，会产生大量的微小气泡，阻断体系内部的毛细通道，使水分子泌出困难，从而提高自密实混凝土的静态稳定性。

另外，随含气量的增加，自密实混凝土的屈服应力逐渐增加，而塑性粘度逐渐降低。一方面，通过引气剂引入大量分布均匀的微细球状气泡，不仅增加体系内浆体体积，还可以起到滚珠轴承作用，达到降低屈服应力和塑性粘度的目的；而另一方面，表面带正电的水泥颗粒与引气剂引入的表面带负电的微细气泡静力吸引产生气泡桥，提高了混凝土的屈服应力。对于高流态混凝土而言，相比于微气泡带来的滚珠效应，气泡桥对屈服应力的影响占主导作用，因此拌合物屈服应力随含气量增大而增大。并且正是因为拌合物的屈服应力和塑性粘度的相互协调作用，才使得拌合物的坍落扩展度随含气量的增加出现轻微下降。

2.3 膨胀剂对自密实混凝土收缩性能的影响

无砟轨道填充层自密实混凝土所用的胶凝材料高达500kg/m3以上，砂率高达50%以上，且所用粗骨料的最大粒径一般小于16mm。谭盐宾[9]等人曾研究了粗骨料最大粒径和胶凝材料用量对自密实混凝土的收缩变形影响，结果表明，当选用粗骨料的最大粒径由20mm减小到10mm，自密实混凝土自收缩变形值增大5%～25%；而单方每增加20kg胶凝材料，其干燥收缩变形值和自收缩变形值均增大10%～20%。国外学者[10]提出混凝土的收缩变形值Sc与骨料的含量α的关系式，即Sc=SP（1-α）n，式中的n为经验参数，SP为水泥净浆收缩变形值，骨料所占比例越小，混凝土收缩变形就越大，反之亦然。

正是由于无砟轨道自密实混凝土的上述特点，需采用硫铝酸钙－氧化钙类双膨胀源的膨胀剂补偿其收缩，游国贤[11]开展了自密实混凝土的限制膨胀率与膨胀剂掺量之间的影响试验，如图4所示，其中C1组、C2组、C3组膨胀剂用量分别为30kg/m3、35kg/m3、40kg/m3。结果显示，当膨胀剂用量达到35kg/m3以上，整个龄期才可满足无砟轨道自密实混凝土填充层微膨胀的要求。

图4 自密实混凝土的限制膨胀率与膨胀剂掺量的关系

2.4 减水剂对自密实混凝土工作性能的影响

由于无砟轨道自密实混凝土处于封闭空间，且会受到钢筋网片、土工布、门型筋、限位凹槽等多重阻碍，这就对自密实混凝土的工作性能提出了极高要求；加上目前地铁施工工况的复杂性，从减水剂角度来看，在实现混凝土高流动性的同时，还要使其具备高保坍、抗离析、高稳健性以及良好的稳泡性。徐文等人[12]基于高分子聚合物结构设计与调控原理，通过在试验中引入对水亲和性较强的长聚醚侧链到羧酸类接枝共聚物中，来提高空间位阻作用，减弱水泥颗粒团聚效应，从而降低对用水量以及搅拌时间的敏感性，同时，在此基础上，引入酯类基团（—COO—），利用其在碱性环境中水解的特性，来调整溶液的聚合物形态，减弱由于材料含泥量和含水率等因素所引起的敏感性问题。

3 无砟轨道自密实混凝土施工工艺

CRTSⅢ型板式无砟轨道自密实混凝土施工工艺流程一般包括板底杂物及积水清理、模板与压紧装置安装、模板和压紧装置校正、灌注漏斗及防溢管检查、灌注自密实混凝土、保湿养护，其中自密实混凝土的工作性能、模板工艺、灌注工艺是影响施工质量的关键[13]。

3.1 模板工艺

模板工艺主要涉及两个方面，一是侧模板的安装，二是压紧装置的安装。其中压紧工艺是重中之重，主要用来控制轨道板的水平标高，它主要有两点要求[14]：①压紧装置必须有效，这是由于自密实混凝土灌注过程中的“水击效应”[15]将导致轨道板上浮、偏移；②尽量减少压紧装置数量，降低人材机消耗量，加快施工效率。目前，大多数铺轨项目压紧装置均采用扁担横梁式（图5）。另外，在对曲线板进行自密实混凝土灌注施工时，有可能导致轨道板侧向偏移，因此一般在底座和曲线板低侧之间额外设置3组横向限位装置。

图5 扁担横梁式压紧装置

3.2 灌注工艺

自密实混凝土灌注方式一般分为三种，分别是单点灌注、两点灌注和侧向灌注，如图6所示，三种灌注方式的优缺点见表3[5]。

图6 无砟轨道自密实混凝土灌注方式

表3 不同灌注方式的优缺点

排气孔的设置最初采用如图7a）所示方法，该方法利用模板安装更加便捷，排气孔设置于距轨道板四角转角处20cm，但从实践中发现四个转角处容易出现空洞和泡沫层，主要是由于排气孔不在板腔结构的最远点，排气不充分，导致挤压至转角处的空气无法排出而形成空洞；同时，由于受到填充层内部布置的钢筋网片的剥离作用，一开始从排气孔流出的通常都是砂浆，其最终会在最远端的转角处堆积，形成浮浆泡沫层。针对该问题，将排气孔设置在轨道板四角，如图7b）所示，通过灌注试验表明，采用转角排气模板后，可保证灌注过程中板腔内空气顺利从结构最远点排出，减少转角处出现混凝土空洞和泡沫层等缺陷[13]。

图7 排气孔的设置方式

整个灌注过程中应严格把控灌注速率，有研究表明[16]当灌注时间＜3min，轨道板上浮量均＞2mm，上浮量过大会影响后续扣件以及钢轨的安装，甚至影响行车安全，因此灌注时间均控制在3min以上。自密实混凝土的灌注一般从低处孔灌入，使得混凝土从低处流向高处，可有效防止出现空洞。其灌注过程一般分三个阶段[16]，即“慢-快-慢”。第一个阶段慢速灌注，防止混凝土下落过快，冲击地面导致引入过多的空气气泡；第二个阶段加大灌注速度，提高自密实混凝土的填充性，速度慢极易出现局部空洞现象；最后一个阶段减慢灌注速度，当灌注高度至接近观察孔位置时，降低灌注速度，一方面有助于排出板腔内的空气，另一方面避免速度过快导致轨道板上浮，当每个排气孔处流出模具的2/3～3/4（0.013～0.015m3）的浆体，并伴随明显的粗骨料流出时，即可关闭四角插板，直到防溢管浆体面超过板面30cm，灌注结束。

4 结论

（1）无砟轨道填充层自密实混凝土较普通混凝土需具备更好的流动性、优质的间隙通过率、抗离析性以及高体积稳定性，在如今环保形势日益严峻、地材资源匮乏的情况下，对自密实混凝土的质量监控至关重要，不仅要严格把控原材料的进场检测，还要从具体施工工况着手，对水胶比、含气量、砂率、膨胀剂用量以及减水剂等各方面优化配合比，从而达到自密实混凝土的高效率灌注。

（2）目前，对于地铁无砟轨道自密实混凝土的施工工艺研究比较匮乏，后续需结合地铁轨道项目自身施工工况和环境、设计理念以及土建、通信、机电安装等多专业融合的特色，重点从预制轨道板的运输、模板安装定位技术以及更高效的自密实混凝土灌注方式等方面着手，形成一整套具有轨道交通特色的工艺工法，为未来的工程实践提高施工效率以及施工机械自动化水平，达到降本增效的目的，同时也为推进装配式建筑的集成工业化发展作出贡献。