甘泉铁路有限责任公司 内蒙古包头
摘要：甘泉铁路沿线分布着3座隧道、142座桥梁和547座涵洞，仅就乌拉山1号隧道（长5.5公里）内发现的各类混凝土裂纹就有75处，作为钢筋混凝土结构物，裂纹已经成了桥隧涵设备安全的最大威胁，如何对这些裂纹病害进行日常监测、管理，保证设备良好的质量状态，本文从分析了混凝土裂纹产生的原因以及现有监测手段的局限性开始，提出了一种更为科学合理的且适用于大量裂纹的监测的方法和管理模式。
关键词：甘泉铁路；混凝土裂纹监测；监测方案；监测尺。
神华甘泉铁路南起神华包神铁路万水泉南站，途经包头市，巴彦淖尔市的乌拉特前旗、乌拉特中旗，至中蒙边境中方口岸甘其毛都, 线路全长333公里，沿线分布着3座隧道、142座桥梁、547座涵洞。目前仅乌拉山1号隧道内发现的各类混凝土裂纹就有75处，经裂缝测宽仪检测宽度大于等于1mm的就有52处，桥梁墩台以及涵洞的边墙、顶盖板裂纹病害更是普遍。保证桥隧涵设备不失控，关键在于保证病害不失控，作为钢筋混凝土结构物，裂纹已经成了设备安全的最大威胁，因此要想设备始终保持良好的质量状态就必须采取科学合理的裂纹监测手段，制定一套完整的监测方案，通过长期监测，逐步完善裂纹监测档案，根据裂纹的变化情况制定有效措施加以整治。
1、技术背景
我国的铁路桥、隧、涵大多设计为钢筋混凝土结构物，其最大的优点是抗压能力强，耐火，耐久，可模性、整体性好，最大的缺点是抗拉、抗裂性能差，因此混凝土裂纹是混凝土结构物存在的普遍问题[1]。分析混凝土裂纹产生的原因，一般可将其分为两类，一类是“结构性裂纹”即混凝土结构物受到直接荷载后引起的裂纹，混凝土结构物都具有一定的设计承载力，当实际承载力达到或者超过设计承载力时，其结构就会开始出现一些被破坏的特征，其中最明显就是裂纹。该类裂纹非常危险，如不及时处理会给结构物带来极大安全隐患。另一类是“非结构性裂纹”即温度变化、混凝土收缩、不均匀沉降等间接作用通常都会引起结构物变形，当变形得不到满足时，会在结构物内部产生自应力，当自应力超过混凝土的拉应力时，混凝土就会出现裂纹，裂纹出现，变形得到满足，应力得以释放，同时结构物的刚度也会随之下降[2]。综上所述我们不难发现，裂纹的产生根源在于混凝土结构物的自身承载力和自应力不足，它是评判混凝土结构物质量状态的一项重要指标，因此准确分析裂纹，弄清裂纹的成因、性质和危害并及时采取适应的修复措施，是保证结构物质量状态可控的一个重要手段，而准确分析的前提必须要做好裂纹监测工作。
2、现有监测手段及优缺点分析
目前对混凝土结构物裂纹的监测主要在宽度和长度两个数据指标上，很少通过深度监测判定裂纹的发展情况，原因在于深度测量所采用的凿开法、超声波以及钻芯取样等方法具有一定的局限性，例如对于有积水和泥浆的裂纹采用超声波法检测所采集的数据就不够准确，而凿开法、钻芯取样法等需要破坏了混凝土结构物的完整性，其监测本身会对结构物会造成较大的影响。裂纹的长度监测简单，只需要在裂纹的两端做好标记，定期采用钢尺量测即可。宽度监测的常用方法有骑缝粘贴玻璃贴片或涂履石膏块，该方法能够判断裂纹是否有变化，但无法准确提供裂纹的发展速度，发展程度等具体情况，另一种方法是采用测宽仪在裂纹的同一位置进行定期多次测量，记录裂纹宽度的变化情况，该方法比较简单科学，但由于混凝土裂纹的裂口一般比较小且呈锯齿状非常不规则，裂口处的混凝土很容易发生掉块，如果发生掉快或有其他形式的破坏则前后采集的数据就失去了对比的意义，还有一种比较先进的监测方法就是粘贴感应片，通过感应片中电流的大小变化判断裂纹的变化情况，该方法成本较高，适用于具有高价值结构物以及对安全有重大影响的关键部位裂纹的预防性监测或研究性监测，从桥隧涵设备的日常管理角度来讲成本太高，操作复杂，不适用于大量常期监测。
3、混凝土裂纹监测方案
整体思路：对裂纹进行系统编号，采用箭头标对所有裂纹进行标记，设计专业的裂纹检测尺定期测量两个标记相对位置的变化情况，通过分析判断裂纹的发展情况并采取合理有效的整治措施。该方案避免了直接测量裂纹带来的诸多弊端，能较好的解决桥隧涵结构物裂纹病害管理中存在监测不系统、数据采集不准确以及监测手段简单不合理等问题。
3.1监测目的
裂缝监测的目的是为了掌握裂纹的走向、长度、宽度变化情况，为裂缝修复提供参考和依据。
3.2监测要求
1）监测周期
裂纹的监测周期应根据裂缝发展变化情况而定，没有明显变化的，可每季度监测1次，发展变化较快的，要及时增加监测的频次，每月监测1次或每半月监测1次。
2）测量精度
裂缝宽度数据应精确至0.1mm,每次观测后应详细、准确记录裂缝的长、宽等监测数据，并注明测量日期，拍摄影像资料。
3）数据分析
每处裂纹都要单独建档，定期对比测量数据，分析判断裂纹的发展情况，并建立报警机制，如裂纹发展较快应立即分析判断原因并向上级管理部门提出整治建议。
3.3裂纹编号
1）隧道裂纹编号：S□□□-Z/Y□□□-□□□，例如：S1-Z5-2表示乌拉山1号隧道5至6号避车洞衬砌左侧2号裂纹，S代表隧道，S后的数字代表隧道编号，Z、Y代表左、右侧，Z、Y后的数字代表避车洞编号，从隧道入口至第一个避车洞编号为0，第一个避车洞至第二个避车洞编号为1，出口为最后一个避车洞编号，龙山隧道的编号为S3。
2）桥梁裂纹编号：Q□□□-D/L□□□-□□□，例如：Q24-D43-3表示24号桥43号桥墩3号裂纹，Q代表桥，Q后的数字代表桥号，D表示墩台，L表示梁体或桥台的道砟槽，Q24-L0-3表示24号桥0号台道砟槽的3号裂纹。
3）涵洞裂纹编号：H□□□-B/D□□□-□□□，例如：H14-B3-5表示14号涵洞第3涵节边墙5号裂纹，涵节从左往右编号，B代表边墙，D代表顶板；为了将涵洞八字墙与边墙分开，用0代表涵洞左侧端翼墙，1代表右侧端翼墙，例如：H144-0-5表示144号涵左侧八字墙5号裂纹。
4）所有编号要采用统一格式，字体为黑体，大小70mm×50mm，间距10mm，颜色白色。
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图1编号示意图
3.4裂纹标记
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图2标记示意图
裂纹标记采用厚1mm并具有一定韧性的不锈钢板刻制成箭头样式，箭头尺寸详见图2，通常情况下一处裂纹应做两个标记，裂纹中间选一处，端部选一处。粘贴标记时注意应先用毛刷清理混凝土表面污圬，再用酒精或丙烯酸溶液清洗（为了保证标记粘贴牢固），待晾干后用改性丙烯酸酯胶粘剂将不锈钢箭头分别粘贴在裂缝的两侧，为了保证两个箭头的初始相对位置固定准确，粘贴时必须严格按“标记尺”拓模粘贴，标记尺可采用与箭头标记同厚度的不锈钢板刻制，裂缝走向应尽量与标记尺的十字中心线横线重合，两箭头连线应尽量与裂缝走向垂直，如图3所示。
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图3标记尺
3.5裂纹监测
1）标记粘贴好后，要定期采用裂纹检测尺对两个标记的相对位置进行测量，裂纹检测尺的测量原理是固定一个箭头标记，观测另一个标记（箭头的三个角）相对位移变化，进而判断裂纹的发展情况。
2）裂纹检测尺必须采用塑料透明材料加工（方便读数），其主要分为卡固端和读数端两部分，卡固端的箭头标记必须镂空（测量时卡在箭头标记上），读数端采用方格网状刻度，最小刻度为0.1mm，测量时将固定端卡入一个箭头标记，读取另一个箭头标记三个角的横、纵向读数，并在10:1的座标纸上绘制出箭头的位置，同时拍照留影像资料，建立混凝土裂纹档案，由于刻度较小，读数时可借助便携式测量显微镜，如图4所示。
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图4混凝土裂缝检测尺
3）制做检测尺时应将检测尺的卡固端做成2mm厚，量测端制做成1mm（箭头标记厚度为1mm）。
3.6数据分析
如果裂纹没有发展，则多次监测后，两个箭头的相对位置不会有变化，顶点到顶点的距离始终为10mm，如果裂纹宽度增加，则箭头的3个角会在Y轴方向发生变化，如果裂纹发生错动，则3个角会在X轴方向变化，如果3个角的位移方向和大小不同，则要具体分析结构物的受力情况。
4、优缺点分析
以上监测方法只适用于裂纹的静态观测，裂纹正在接受动态荷载周期性变化时（例如列车通过对裂纹产生震动影响时）不能观测，且只能用于裂纹的平面观测，裂纹发生宽度变化和平面错动均能监测，但发生高低错台时无法测量；监测范围有限，如果裂纹变化超过10mm时,标记会超出读数范围，并且圆弧形的测面，误差会比较大；精度有限，只能精确到0.1mm，研究性观测不建议使用。其最大的优点是能同时系统性的监测大量裂纹，方法简单可靠，易于操作，成本低，适用于各类环境和各个部位混凝土裂纹监测；对于变化较快的裂纹监测效果比较明显；监测位置固定，有利于长期持续监测；虽精度不高，但较大程度上减少了误检、误判的可能性。
参考文献：
[1]铁路职工岗位培训教材《桥隧工》。北京：中国铁道出版社，2016年。
[2]赖俊宇《浅析混凝土结构裂缝的检测及处理》。中国科技博览2014年第14期。