高速鐵路無砟軌道主要病害(缺陷)分析與無損檢測

魏祥龍,張智慧

(1.北京交通大學(xué)，北京 100044；2.北京中鐵瑞威工程檢測有限責(zé)任公司,北京 100085)

1 概述

在高速鐵路正式投入使用后,線路檢測維護(hù)成為維護(hù)高鐵正常運(yùn)營的主要工作之一。無砟軌道路基直接承載著高速列車通行,其質(zhì)量好壞、病害(缺陷)與否直接關(guān)系到列車運(yùn)營安全。但客運(yùn)專線正式投運(yùn)時(shí)間尚短,相關(guān)病害(缺陷)檢測工作開展相對滯后,現(xiàn)有公開文獻(xiàn)上僅對無砟軌道的道床板或軌道板的裂紋及產(chǎn)生原因進(jìn)行了一些探討[1～2],而對其中常見的病害(缺陷)問題如層間空隙、混凝土層內(nèi)不密實(shí)、裂損乃至空洞等的檢測鮮有報(bào)道。無砟軌道路基,通常整體混凝土封閉,層間空隙往往僅是數(shù)毫米最多厘米級,外部難以發(fā)現(xiàn)；混凝土內(nèi)部的不密實(shí)、裂損乃至空洞,由于密布配筋影響,一般認(rèn)為不好檢測。這些類似問題雖規(guī)模和尺寸較小,但在時(shí)速250 km的列車行駛下,則事關(guān)重大,不可忽視。對這些問題及早、準(zhǔn)確的檢測發(fā)現(xiàn),有利于及時(shí)開展針對性的整治設(shè)計(jì)和處理。

筆者根據(jù)在相關(guān)客運(yùn)專線上的檢測實(shí)踐,總結(jié)了無砟軌道路基上各主要病害(缺陷)的發(fā)育特征,并給出了主要病害檢測的典型圖像,以積累檢測經(jīng)驗(yàn),提高檢測水平。

2 病害(缺陷)機(jī)理分析

目前國內(nèi)高速鐵路采用的無砟軌道主要有兩種,即板式無砟軌道與雙塊式無砟軌道。關(guān)于兩種無砟軌道的主要結(jié)構(gòu)特征,此處不再詳述,參見文獻(xiàn)[3]。圖1給出的是路基段雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)病害分布示意圖。

圖1 路基段雙塊式無砟軌道病害分布示意

圖1中a,b,c,d 4個(gè)虛圈圈定的是無砟軌道常見病害發(fā)育部位,詳細(xì)病害總結(jié)見表1。

由于各種原因,道床板(軌道板)、混凝土支承層(底座)及基床表層(級配碎石層)各層間可能存在空隙、與表層裂縫貫穿的空隙、混凝土層內(nèi)不密實(shí)、支承層破裂等主要病害(缺陷)問題。

施工過程中,鋪筑上層混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)未能對下層混凝土表面進(jìn)行充分鑿毛、浮渣去除或粉塵清除、上下層混凝土施工間隔較長(尤其相隔冬夏)、混凝土欠或過搗固等問題,使得混凝土層間在列車高速荷載沖擊振動(dòng)下發(fā)育產(chǎn)生病害[4]。設(shè)計(jì)過程中,配筋粗細(xì)、間距、混凝土強(qiáng)度等原因促使產(chǎn)生的裂紋、裂縫等[5],由于技術(shù)因素可能發(fā)育成為上下貫穿裂縫并進(jìn)一步引發(fā)層間病害。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、探測,對高速鐵路無砟軌道中的主要病害類型及其原因進(jìn)行了初步總結(jié),見表1。對于病害發(fā)生的部位、類型及原因的充分了解,有助于了解問題的實(shí)質(zhì)并據(jù)此做針對性檢測。

3 方法選擇

針對無砟軌道質(zhì)量缺陷檢測,包含地質(zhì)雷達(dá)法、瞬變電磁法、混凝土鋼筋探測儀法、超聲回彈法在內(nèi)的多種方法可供考慮。然而,針對無砟軌道中出現(xiàn)的混凝土結(jié)構(gòu)層間裂隙、層內(nèi)不密實(shí)或空隙、各混凝土層的破損或破裂及鋼筋缺失和錯(cuò)位此類病害(缺陷),根據(jù)混凝土軌道內(nèi)部配筋密度,天窗點(diǎn)限制及對病害準(zhǔn)確定位的檢測要求,采用地質(zhì)雷達(dá)法是開展該項(xiàng)檢測的最佳方法。

表1 高速鐵路無砟軌道中的主要病害類型及其原因

地質(zhì)雷達(dá)法是一種地球物理探測方法,它通過發(fā)射器向地下連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波,電磁波向下傳播過程中,遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射。接收器接收并記錄在某界面或目標(biāo)體(介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同)上反射回來的反射波。根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時(shí)間,電磁波在該介質(zhì)中的傳播速度,可以確定界面或目標(biāo)體的深度,根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其頻率特征等組合特征可以進(jìn)一步判定目標(biāo)體的形態(tài)和性質(zhì)[6]。如圖2所示。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)探測原理示意

檢測主要依據(jù)《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009 J971—2009)、《新建時(shí)速200～250 km客運(yùn)專線鐵路設(shè)計(jì)暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)[2005]140號)實(shí)施。

地質(zhì)雷達(dá)參數(shù)：雷達(dá)主機(jī)為美國GSSI公司的SIR20主機(jī),開雙通道；天線為與SIR20配套的900M天線；采集時(shí)窗分別為,15 ns與30 ns；采樣點(diǎn)數(shù)為2 048點(diǎn)。檢測速度,3 km/h。

15 ns時(shí)窗,主要考慮對45 cm左右深度范圍內(nèi)病害的檢測,能夠有限識別出道床板、軌道板內(nèi)諸如空隙、鋼筋、含水等病害。

30 ns時(shí)窗,主要考慮對1.5 m深度范圍內(nèi)病害的檢測,能夠有效檢測出支撐層內(nèi)部、支撐層與級配碎石間的病害(缺陷)。

4 典型探測

4.1 正常的無砟軌道

正常的無砟軌道,鋼筋混凝土道床板(軌道板)、素混凝土支撐層(CA砂漿層)與級配碎石(路基基床表層)分層性特征明顯,層間特征反射面光滑、平整；道床板內(nèi)部鋼筋反應(yīng)清晰明顯,鋼筋粗細(xì)及位置均一,表現(xiàn)在地質(zhì)雷達(dá)圖像上為形態(tài)相似的強(qiáng)反射區(qū)點(diǎn)(圖3中標(biāo)識)。圖3中已用黑色框線清楚標(biāo)示出各層結(jié)構(gòu)范圍及鋼筋反射特征。在該圖中,各結(jié)構(gòu)層內(nèi)除鋼筋強(qiáng)反射外,無強(qiáng)烈反射位置,表征層內(nèi)密實(shí)程度較好,無不密實(shí)、空隙及空洞存在；各層間反射同相軸較均一,未見強(qiáng)烈反射,表征道床板與支撐層,支撐層與級配碎石層間接觸良好,無空隙或破損起伏。

圖3 正常的無砟軌道典型檢測圖像

4.2 道床板與支撐層間病害

道床板施工過程中,由于未能對下層支撐層表面進(jìn)行充分鑿毛、浮渣去除、粉塵清除或兩層施工間隔較長(尤其相隔冬夏)等原因,混凝土在干縮與長期高速荷載沖擊振動(dòng)下,導(dǎo)致道床板與支撐層間產(chǎn)生明顯空隙或脫空現(xiàn)象。由于搗固不均或?qū)娱g空隙發(fā)展,致使素混凝土(CA砂漿)層發(fā)生磨損、破損并表現(xiàn)為層面裂損、起伏。道床板與支撐層間空隙、裂縫的存在,會(huì)加速道床板混凝土(垂向)裂縫的發(fā)育,并最終兩者貫通。道床板與支撐層間空隙與垂向裂縫的貫通,使得降水在空隙中積聚且由于周邊封閉無法排出。圖4中,展示了道床板與支撐層間的空隙、空隙含水及支撐層的磨(破)損起伏。

圖4 道床板與支撐層間的空隙及支撐層起伏

4.3 道床板內(nèi)部病害

由于混凝土施工質(zhì)量或施工過程中搗固不到位或搗固不均與裂縫發(fā)育等多種原因,道床板上下兩層鋼筋網(wǎng)內(nèi)部、下層鋼筋與支撐層間混凝土常形成欠密實(shí)區(qū)域。在高速荷載沖擊振動(dòng)之下,欠密實(shí)區(qū)域多發(fā)展成為空隙或空洞,形成道床板內(nèi)部的病害。圖5即是該種病害對應(yīng)的典型圖像,圖中橢圓形虛線圈圈定的強(qiáng)反射區(qū)域即為道床板內(nèi)空隙病害。

圖5 道床板內(nèi)部空隙或不密實(shí)探測典型圖像

4.4 道床板內(nèi)鋼筋異常

對于鋼筋混凝土道床板或鋼筋混凝土底座,在配筋過程中,常有配筋上缺陷：配筋大小不一、配筋密度不夠、配筋位置發(fā)生錯(cuò)位。這都影響著鋼筋混凝土層的承載力和位置形態(tài),進(jìn)而影響軌道的承載能力和平順性。圖6展示了某處客運(yùn)專線道床板上的配筋異常,主要是左右段配筋粗細(xì)不一。

圖6 道床板中的配筋異常

4.5 支撐層(CA砂漿層)裂損

雙塊式無砟軌道中的支撐層為素混凝土層,板式無砟軌道中的CA砂漿層為素水泥乳化瀝青砂漿層,皆無配筋。相對于鋼筋混凝土構(gòu)件,在高速荷載沖擊振動(dòng)下,無配筋混凝土或砂漿結(jié)構(gòu)更易發(fā)生裂損破壞。尤其在混凝土搗固不均區(qū)域,破損常有發(fā)生。圖7即是對某雙塊式無砟軌道段檢測得到的支撐層裂損典型圖像,如圖中黑色橢圓虛線圈定強(qiáng)反射區(qū)域。

圖7 支撐層破裂損壞探測典型圖像

5 結(jié)論

由于高速鐵路無砟軌道病害在國內(nèi)大規(guī)模投入使用時(shí)間尚短,對于其病害(缺陷)的檢測經(jīng)驗(yàn)尚少,本工作是嘗試性和驗(yàn)證性的。根據(jù)對無砟軌道病害(缺陷)的檢測,分析,可得出以下結(jié)論：

(1)利用地質(zhì)雷達(dá)法,能夠采用相關(guān)技術(shù)手段對雙塊式與板式無砟軌道中的主要病害進(jìn)行準(zhǔn)確、快速、無損檢測；檢測結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映病害所發(fā)育的深度、范圍及規(guī)模；在目前各種檢測手段中最為快捷、準(zhǔn)確、方便；

(2)快速、準(zhǔn)確的檢測結(jié)果的獲得,必須結(jié)合對病害發(fā)生的機(jī)理、部位、特征等條件的分析,具體情況具體對待；

(3)地質(zhì)雷達(dá)檢測能夠有效揭示確認(rèn)軌道板、道床板中的不密實(shí)、空隙等病害(缺陷)；

(4)對各主要病害的準(zhǔn)確,快速,無損檢測可以有效指導(dǎo)對病害的整治處理。

(5)已獲得的典型病害圖像,為嘗試建立病害快速檢測系統(tǒng)增加樣本數(shù)據(jù)與圖像特征。

對于客運(yùn)專線無砟軌道病害的檢測,尚處于初始階段,需要投入更多的關(guān)注與時(shí)間。為維護(hù)客運(yùn)專線的長期正常運(yùn)營,積極主動(dòng)的檢測工作亟待開展。

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