摘要：我国自2013年正式将CRTSⅢ型板式无砟轨道引入高速铁路以来，已在多条线路上使用，而且仍有巨大的发展空间。自密实混凝土是其施工阶段的关键技术，因与环境温度关系很大，在高寒地区冬期施工中受到较大制约。随着关键技术的积累与成熟，CRTSⅢ型板式无砟轨道的应用范围也在逐年扩大，全天候施工将成为趋势。哈牡客专CRTSⅢ型板式无砟轨道在冬期施工方面总结的经验，可供同类工程借鉴。
关键词：无砟轨道；冬期施工；质量控制
1 CRTSⅢ型板式无砟轨道冬期施工条件
一般地，冬施期是决定于施工环境温度的，而无砟轨道结构和施工工序的特殊性决定了其对温度的敏感性。CRTSⅢ型板式无砟轨道按专业分类分为路基段、桥梁段及隧道段，根据地理位置及设计要求的不同，有的线路只有桥梁段、有的路桥隧皆有。以哈牡客专为例，此条高速铁路线路是兼有路基段、桥梁段、隧道段无砟轨道。经过经济技术比较，路基段、桥梁段的冬期施工在施工质量及成本等方面都不适合位于高纬度高寒地区的哈牡客专，只有在长大隧道内进行无砟轨道冬期施工才能保证施工质量、节约成本。通过这个结论以及依据当地近三年9～11月份日最低温度、日均温度的记录，哈牡客专无砟轨道施工组织设计中将路基段、桥梁段的施工工期及隧道段冬施前期施工准备安排在十月中旬前结束，隧道段无砟轨道进行冬期施工。
2 CRTSⅢ型板式无砟轨道结构
CRTSⅢ型板式无砟轨道是一种单元分块式结构，由钢轨、弹性扣件、轨道板、自密实混凝土层、隔离层及弹性垫板、混凝土底座等部分组成。轨道板型号按长度分为P5600板、P4925板、P4856板、P3710板。
通过对CRTSⅢ型板式无砟轨道构成的了解，在已知原材料质量检验合格的前提下，冬期施工质量保证的关键在于轨道板、钢筋、混凝土等施工材料使用前温度的控制。在室外日均-20℃低温环境存放的轨道板在使用前如何升温的问题、混凝土经过砼车运输到现场温度损失的问题及混凝土浇筑作业面环境温度保证的问题都是无砟轨道冬期施工质量控制的关键。
3 CRTSⅢ型板式无砟轨道冬期施工的质量保证措施
针对上述三个质量控制问题，哈牡客专无砟轨道施工前进行了充分的施工准备。自密实混凝土原材料存放、生产、运输均可以采用现有成熟的保温防寒措施达到目的，轨道板粗铺精调及自密实混凝土灌注工序可以在隧道封闭的空间内进行，亦即在人为制造一个非冬施的环境下施工。
3.1轨道板升温试验
无砟轨道施工组织设计安排的施工时间为2017年8～12月份，但轨道板预制工作是提前进行的，为了保证无砟轨道冬期施工有序进行、保证质量，哈牡客专于2016年12月份在隧道内外进行了冬期施工试验段，其中包括轨道板升温热工计算验证试验。
哈牡客专高速铁路线路位于东北地区，依据当地近三年10～12月份日最低温度的记录，12月份日最低气温为-20℃～-30℃之间，按最不利因素考虑：取外界温度为-30℃，隧道洞内通过加热保温措施整体维持恒温10℃以上，轨道板升温区维持恒温15℃以上。隧道段主要的轨道板型为P5600，为了确定将一块P5600板从-30℃提高到10℃所需的时间，进行了如下计算：
根据热传导公式：k=（Q/t）×L/（A×T）
k：热导率，单位为W/（m·℃）、Q：热量、t：时间、L：长度、A：面积、T：温度。
将一块P5600的CRTSⅢ板从-30℃提高到10℃所需的时间t=Q/（k（A×T）/L）
其中热量Q可通过比热容公式：Q=cmΔt得出，C：比热容，m：质量，Δt：温差
室外温度为-30℃，洞内温度为10℃，温差为40℃
将轨道板从-30℃提高到10℃所需热量：Q=0.97（KJ/kg·℃）×8000kg×40℃=310400KJ
通过公式t=Q/（k（A×T）/L）
热量Q=310400KJ
混凝土导热系数k=1.74w/（m·℃）
面积A=5.6×2.5m
长度L=0.1m（0.5倍板厚）
环境温度T=10℃
将一块P5600的CRTSⅢ板从-30℃提高到10℃所需的时间t
=310400000/（1.74（5.6×2.5×40）/0.1）=31855.5s=8.85h
故经过理论计算得出在隧道洞内整体维持恒温10℃以上、轨道板升温区维持恒温15℃以上的环境下将一块P5600板从-30℃提高到10℃所需的时间为8.85个小时。此数据为理论值，仍需进行试验验证。
2016年12月13日将五块P5600轨道板运至隧道外临时存板区，这五块P5600轨道板在预制时已按要求将测温芯片安装在轨道板芯部位置。首先将轨道板放置室外存放3天，经过3天的存放轨道板芯部温度已达到冬施环境模拟要求。于2016年12月16日早8：00开始进行轨道板升温热工计算验证试验，试验记录如下。
表1 隧道内试验段轨道板芯部温度实测记录表（℃）
轨道板进洞后内部温升曲线如图1所示。
图1 隧道内试验段轨道板芯部温度实测记录对比图
通过试验段试验得出的数据基本符合热工计算“在隧道洞内整体维持恒温10℃以上、轨道板升温区维持恒温15℃以上的环境下将一块P5600板从-30℃提高到10℃所需的时间为8.85个小时”的理论计算。
3.2混凝土拌和站的保温措施
2017年冬施前对无砟轨道混凝土供应拌和站的地暖、料仓封闭、暖气片、锅炉等进行了全面检查整修，以及升级配套设施的保温材料，包括料仓封闭区域、外加剂库、配料机、拌和机、上料皮带机等确保冬施期间全天候处于正温。
在建站时已考虑采用夹芯保温彩钢板对所有料仓和配料机封闭，把砂石料场和拌和站全部封闭，仅在暖棚的两侧预留车辆的进出口。粗、细骨料加热系统采用地暖管道，仓隔墙处敷设热水管道，在料仓隔墙顶部安装暖气片。供热系统采用6t常压锅炉和暖气管道。
拌和用水的加热及保温措施：利用蒸汽低压锅炉直接向水箱内通蒸汽加热，水的加热温度一般为50～80℃（以能保证混凝土拌和物温度在10～40℃范围内），水箱四周及顶口用棉被保温；定时进行混凝土出机温度、拌和水温及骨料温度的检测监控，并作好记录以便及时调整。
主机房的保温：主机房每层放三组暖气片对主机、过渡舱、计量称进行保温；外侧整体采用彩钢保温板封闭严实，确保主机房温度保证零度以上，以保证拌料系统正常运转。
砂、石料的上料及保温措施：砂、石料的上料均采用皮带输送机分别从砂、石料暖棚内直接输送到拌和站的砂、石料自动计量料斗内，整个输送带焊接钢筋骨架，并用彩钢板进行全封闭，内设暖气片保温；砂、石料暖棚设置在离拌和站最近的地方，以减少热量的损失及保温材料的用量；
根据近两年冬期施工经验，对主机接料口三面用彩钢板进行密封，进出车道采用遥控电动卷帘门（尺寸4×6m），内装暖气片，保证混凝土从主机放料到输送车时不冻，确保混凝土质量，如图2。这种保温方法确实满足了普通混凝土的冬施需要，但是针对于具有高温度敏感性的自密实混凝土来说。从图中可以看出，混凝土在出机过程中还是要和外界空气接触，而且整个环境并没有形成严密封闭状态，自密实混凝土具有与冷空气接触的风险。为了避免这种风险，必须使得自密实混凝土出机整个过程处于一个密闭的环境。我们通过彩钢房外搭设棉篷布固定暖棚，如图3，使其足够大能够将整个混凝土罐车包住。这样做既保证了混凝土出机时环境温度，又能提高罐车的温度，来保证入罐混凝土的环境温度。
图2 传统混凝土冬期施工出机口封闭 图3 自密实混凝土冬施出机口全封闭
拌和用水管道及外加剂管道采用岩棉管（8cm厚）进行保温。外加剂库房安装暖气片，通过暖气保温，同时配备电暖气作为备用热源，门窗加棉门帘进行密封。进入冬施条件后，在每次混凝土拌制前，进行自密实混凝土冬期施工工艺性试验。即根据实测气温、地材温度，通过热工计算确定的水温，在拌和后，测混凝土出机温度；根据运输距离和运输时间测入模温度，用以反馈后盘温度控制。
3.3隧道洞内的整体保温
哈牡客专无砟轨道大部分隧道段进出口40m范围为有砟无砟过渡段，固计划将进出口40m范围内做成保温隔离带。如其他高速铁路客运专线无此条件也可以在进入冬施阶段前将洞口40m范围内轨道板提前铺设，利用沙袋和棉被或其他软硬结合材料修筑上下板马道。做好防火隔离后，按此方法设置保温隔离带。
整个隧道洞内保温体系为整体通过洞口处进行砌筑50cm空心砖进行硬隔离封闭，再用两幅保温棉帘形成保温隔离带确保洞内恒温。洞内保温体系示意图如下：
图4 洞内保温体系示意图
如图4所示，在洞口以及隧洞中心位置处砌筑50cm空心砖形成硬隔离，在墙体密贴隧道二衬位置粘贴80cm宽的防水板，以此对二衬混凝土成品进行保护，防水板中心位置与墙体一致。墙上留车辆行驶门，采用钢脚架固定棉门帘，从中间分开左右拉门，在右门左下角设置人员通过门进行人车分流减少人员进出时热量损失。通过测量试验确定测量通视孔并在砌筑墙体时提前预留。由于利用原位风机，所以风机的通风口在砌筑墙体时也要提前预留，并对换气风机进行改造，模仿吹风机的原理，在进气管道内加上多组加热电阻丝以此提高进入隧道内空气的温度进行保温升温。除了空心砖墙进行硬隔离意外，还在每个洞口设置两层棉篷布进行软隔离形成两道保温隔离带。保温棉篷布结构与空心砖墙体一致进行预留测量通视孔、换气孔等。
通过空心砖砌墙以及棉篷布屏障将隧道形成密闭的保暖大环境。由于洞内外存在温差，要想保持隧道恒温势必要采取有效可控的升温措施。隔离带内的火炉就是保证隧道内恒温的强力措施。考虑到通过燃烧煤炭可能造成有毒有害气体，采取的措施有：燃烧用煤选取无烟煤、对燃烧产生的气体进行有组织排气有效的排出洞外如图5，在燃煤排气密集的地方设置气体检测仪并将检测结果汇入信息化管理体系。除了有害气体洞内燃煤还可能存在空气过于干燥，所以在火炉旁设置水箱以及温湿度信息化管理系统进行实时监控。
图5 隧道内有组织排烟
利用原隧道施工现有信息化管理系统进行升级改造、按无砟轨道冬期施工需要对监测点进行加密，保证温度、有毒有害气体进行实时监控。对温度低于10摄氏度的局部地段进行精准升温，对有毒有害气体报警点进行有组织换气。
4 CRTSⅢ型板式无砟轨道冬期施工施工工艺
有了无砟轨道冬期施工前期施工准备的质量保证措施，哈牡客专无砟轨道按照冬期施工施工工艺的要求方可顺利完成无砟轨道施工任务。
4.1钢筋混凝土底座施工
首先，组织人员对仰拱面进行验收，必要时对底座范围内进行补充凿毛处理，按设计要求铺设底座板钢筋网片，植入L型钢筋，现场绑扎钢筋网片，在洞内钢筋加工区设置，保证使用前温度。侧模采用定型钢模，模板间用螺栓连接，中间加垫薄橡胶板以防漏浆。
将加工好的限位凹槽模板放置到底座单元固定位置处，并以插销或螺栓与侧模加以连接固定，采用地泵浇筑混凝土，左右侧同步进行浇注，刮杠刮平，人工进行收面。浇注完成后及时采用土工布或塑料薄膜覆盖养护。
4.2轨道板铺设
首先进行轨道板粗铺，轨道板粗铺前按照设计用墨线弹出轨道板四条边线和精调支座位置中线，方便轨道板准确定位。使用铺板龙门吊将轨道板升温区已经完成预热的轨道板转移至铺设工作面，再由人工配合将轨道板准确就位。轨道板下放至距设计位置1米时，人工将已设置绝缘卡的纵向钢筋穿入门型钢筋内，再下放轨道板至接近设计位置。
粗铺完成后，进行轨道板精调，采用精调支座先调轨道板水平位置，再调整轨道板高程。为保持精调成果，提高轨道板的精调质量和作业效率，及时进行轨道板的封边和压板作业宜在轨道板精调后24小时内完成板下自密实混凝土灌筑。
4.3自密实混凝土浇筑
轨道板精调完成后，采用定制钢模板对自密实混凝土层进行封边加固，并在模板转角处设置排气孔。自密实混凝土灌注施工作业面使用热风炮进行精准升温，保证作业面环境温度维持在15℃以上，混凝土实测入模平均温度为18℃，确保灌注混凝土与钢筋、模板的温差保证在5℃内，方可将自密实混凝土从轨道板顶面预留灌注孔进行灌注，灌注过程中严禁踩踏碰撞已浇筑完自密实混凝土的轨道板。灌注完成后，精调支座在自密实混凝土初凝（灌注后3～4小时）后予以松动，扣压装置在混凝土灌注24小时后完全松开。
自密实混凝土的带模养护时间为自密实混凝土强度达到10.0MPa以上，且不少于3d。拆模后，采用土工布+塑料薄膜的方式将自密实混凝土表面四周予以包裹，必要时喷涂养护剂进行保湿养护，不少于14d。
5常见问题及预防措施
5.1升温、保温材料的供给不足
经过调查在东北地区冬季无烟煤、焦炭、棉被、热风机等升温、保温材料需求量大，为保证冬施供热需要，提前对升温、保温材料进行储备。考虑易坏、易损设备富余量，已备替换，保证洞内10℃以上的恒温。
5.2异常天气导致轨道板进洞温度过低
时时关注本地区天气预报，根据实际施工条件及天气预报情况增加洞内轨道板储备。对于芯部温度不达标的轨道板延长升温时间，确保施工质量。
5.3洞外存放的钢筋、模板直接使用
洞外存放的一切材料应在洞内进行预热后才可使用，在洞内设置材料升温临时存放区，做好材料分类标示、标牌。
5.4现场作业人员进行升温作业是操作不规范引发火灾
现场作业人员进行明火升温作业前要进行安全交底及安全教育，每处明火升温区严格按要求配备灭火器。保证易燃材料远离火源地，防火材料失效后及时进行替换。
参考文献：
[1]行业标准.TB 10424-2010 铁路混凝土工程质量验收标准[S].北京：中国铁道出版社，2010.
[2]中国土木工程学会标准.SCCS02-2004 自密实混凝土设计与施工指南[S].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[3]邢雪辉.CRTSⅢ型板式无砟轨道施工技术[M].北京：人民交通出版社，2015.12：1-144.
作者简介：
刘建超（1984-），男，工程师。
论文作者:刘建超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第25期
论文发表时间:2019/12/9
标签：轨道论文; 混凝土论文; 密实论文; 隧道论文; 温度论文; 洞内论文; 作业论文; 《基层建设》2019年第25期论文;