CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層傷損修復研究

姜子清，江 成，王繼軍，易忠來

(1.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081)

高速鐵路要求軌道結構具有較高的可靠性、穩定性、平順性和耐久性，在保證列車安全、高速運行的前提下，提高旅客乘坐舒適性，減少軌道結構的維修工作量，保證其在設計使用年限內滿足設計要求。CRTSⅡ型板式無砟軌道以其高可靠性、高穩定性和高平順性，較好地適應了高速鐵路的要求。路基和隧道地段CRTSⅡ型板式無砟軌道結構主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層和支承層等組成，曲線超高在路基基床或隧道仰拱(底板)表層上設置，如圖1所示。橋梁地段由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動層、高強度擠塑板、側向擋塊及彈性限位板等部分組成，橋臺后路基設置錨固結構(摩擦板、土工布及端刺)及過渡板，曲線超高在底座板上設置，長大橋區段底座板設有鋼板連接器后澆帶，如圖2所示。

圖1 路基地段CRTSⅡ型板式無砟軌道示意

砂漿層是CRTSⅡ型板式無砟軌道的重要組成部分，通過30 mm厚的砂漿充填層實現軌道板的均勻支

圖2 橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道示意

承及其與底座板(支承層)的連接，因此砂漿層應滿足強度和彈性雙重要求，其性能的優劣直接影響無砟軌道的耐久性和維修工作量。在列車荷載和環境因素的共同作用下，無砟軌道部件可能出現不同的傷損形式，給線路的安全高速運營帶來不利影響。砂漿層既是CRTSⅡ型板式無砟軌道的關鍵部件，也是較為薄弱的充填層，對其傷損產生的原因、分類、判定標準以及快速修復技術進行研究分析，可以為CRTSⅡ型板式無砟軌道系統設計技術、維修技術的完善提供技術支撐，從而保證線路的安全可靠。

1 砂漿層傷損分類及原因分析

通過對我國多條高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道線路運營狀態的跟蹤調研，發現砂漿層傷損形式主要有砂漿層與軌道板或底座板(支承層)離縫、豎向裂縫、缺損掉塊及泛漿等，不同的傷損形式產生的原因各有不同，且往往是多因素綜合作用的結果。

1.1 離縫

砂漿層與軌道板或底座板(支承層)之間出現離縫傷損是高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道結構中較為常見的傷損形式之一，如圖3和圖4所示。具有影響范圍較大、產生原因較復雜以及初期難以被發現等特點。砂漿層離縫傷損將會使砂漿層與軌道板或底座板(支承層)粘結失效，削弱無砟道床的整體性，影響軌道靜態幾何形位和動態穩定性。如果傷損未及時進行修復，在列車荷載和環境因素共同作用下還會對無砟道床耐久性產生影響。因此，高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道線路中需加強對砂漿層離縫傷損的檢查力度，在查明原因的基礎上，采取有針對性的預防或修復措施。

砂漿層離縫傷損產生的原因主要有軌道板溫度梯度引起的板端翹曲、軸向溫度荷載引起的軌道板或底座板(支承層)伸縮、砂漿層灌注不飽滿、列車動力荷載及基礎不均勻沉降等［1］。由于砂漿層離縫產生的主要原因各有不同，其離縫寬度、深度等表現形式均有所不同，現場往往是多種因素共同作用致使砂漿層出現離縫傷損。

圖3 砂漿層與軌道板間離縫

圖4 砂漿層與底座板間離縫

1)板端翹曲

溫度荷載是CRTSⅡ型板式無砟軌道設計中考慮的主要荷載之一，包括軸向溫度荷載和溫度梯度荷載，其中，軸向溫度荷載主要引起軌道結構縱向伸縮，而溫度梯度荷載則會引起軌道板翹曲變形［2］。

軌道板在日照條件下，其上表面溫度高，下表面溫度低，由于混凝土的熱傳導性能較差導致軌道板在厚度方向上存在溫度梯度，在不均勻溫度作用下的熱脹冷縮致使軌道板中部上拱變形;在冬季較冷或夏季突然降溫時軌道板板面溫度低于板底溫度，則會出現板端上翹變形。溫度梯度引起的軌道板翹曲變形會對砂漿與軌道板底的粘結產生不利影響。對于CRTSⅡ型板式無砟軌道，在砂漿層灌注后、張拉鎖定前的時間段內，溫度梯度對軌道板產生翹曲影響;軌道板縱向連接鎖定后［3］，板間采用混凝土材料進行填充，雖然在一定程度上可減小溫度梯度影響，但張拉鎖定前板端翹曲已經出現，且軌道板縱向張拉對板端軌道板與砂漿層的粘結也有所削弱。因此，軌道板溫度梯度引起的板端翹曲是造成砂漿層與軌道板間離縫的原因之一。

2)軌道板與底座板(支承層)軸向溫度伸縮

在CRTSⅡ型板式無砟軌道中，軌道板和底座板(支承層)通過砂漿層粘結，在軸向溫度荷載作用下，軌道板和底座板(支承層)之間由于溫差荷載的作用，二者之間存在伸縮變形差，從而對砂漿層與軌道板或底座板(支承層)的粘結產生不利影響。一般條件下，砂漿層的粘彈性可以滿足軌道板的變形要求，但如果由于軌道板施工過程中張拉鎖定溫度不合適或運營維修過程中采用彈性較差的材料對軌道板裂縫或離縫進行填補從而降低軌道板鎖定溫度，則在高溫條件下有可能出現軌道板溫度伸縮變形較大，從而導致軌道板與砂漿層粘結失效，并出現離縫的現象，如圖5所示。軸向溫度伸縮引起的砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間的離縫具有橫向貫通、離縫值較大且隨溫度發生變化等特點。

圖5 軸向溫度伸縮引起的軌道板與砂漿層離縫

3)砂漿層灌注不飽滿

砂漿層灌注不飽滿是軌道板與砂漿層產生離縫的另一原因，尤其在曲線超高地段。曲線超高地段橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板兩側厚度不一，底座板表面具有一定的坡度，在這種條件下，為保證砂漿層灌注飽滿，水泥乳化瀝青砂漿灌注過程中需要一定的壓力，如果施工過程中灌漿口的導管過早卸下，則會使未達到初凝的水泥瀝青砂漿失去壓力，而向曲線內側回落，造成砂漿灌注不飽滿的現象，從而導致砂漿層與底座板間離縫，如圖6所示。砂漿層灌注不飽滿引起的離縫傷損一般不具有普遍性，且隨溫度變化和列車動荷載的影響無明顯變化規律。

圖6 曲線超高引起的軌道板與砂漿層離縫

4)列車動荷載

相關研究表明［4］，在列車動荷載作用下，橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道系統中橋梁、底座板和軌道板的基頻不同，橋梁和軌道結構的反相位振動將會引起橋梁—軌道相互拍打的現象，這種拍打作用會對無砟軌道系統的整體性產生不利影響，尤其是對軌道系統中較為薄弱的砂漿充填層，會加劇其與軌道板或底座板的離縫。

5)基礎不均勻沉降

高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道對下部基礎變形要求較為嚴格，包括路基沉降、梁端轉角等，并提出“工后零沉降”的理念［5］，但在諸多因素影響下，基礎不均勻沉降仍不可避免，多發生在地質條件較差或路橋過渡段等區段。對于軌道板縱向連續的CRTSⅡ型板式無砟軌道系統，基礎不均勻沉降可能導致軌道板與砂漿層間出現離縫現象，且離縫值較大，影響軌道結構整體性和穩定性，如圖7所示。

圖7 基礎不均勻沉降引起的軌道板與砂漿層離縫

1.2 豎向裂縫

豎向裂縫是砂漿層傷損的另一主要形式。砂漿層豎向裂縫間距一般在20～50 cm不等，裂縫寬度多在0.1 mm左右，如圖8所示。砂漿層豎向裂縫將會影響其使用耐久性，如果傷損未及時進行修補，在列車動荷載作用下將會出現缺損掉塊現象。

圖8 砂漿層裂縫間距和寬度圖示

砂漿層豎向裂縫與砂漿配方、現場施工工藝、運營條件以及溫度變化等因素密切相關，產生的原因主要有砂漿自收縮及軌道板或底座板開裂引起的延伸裂縫，如圖9、圖10和圖11所示。通過現場連續觀測發現，砂漿層豎向裂縫寬度隨溫度變化有所不同，但裂縫數量無明顯增加。

1.3 缺損掉塊

圖9 軌道板開裂引起的砂漿層豎向裂縫

圖10 底座板開裂引起的砂漿層裂縫

調研中還發現，砂漿層存在缺損掉塊或剝離的現象，如圖12所示。尤其是軌道板板間接縫部位和軌道板精調爪附近的砂漿層缺損掉塊傷損較為突出，如圖13和圖14所示，且隨時間變化日趨嚴重。

圖11 砂漿層自收縮引起的豎向裂縫

圖12 砂漿層缺損掉塊

圖13 板間接縫部位砂漿層缺損掉塊

砂漿層缺損掉塊傷損多是由于在列車荷載作用下砂漿層離縫和豎向裂縫等傷損誘發產生的。板間接縫和軌道板精調爪放置點等處，砂漿層更易出現缺損掉塊傷損。砂漿施工完成拆除精調爪后，如未及時對此處進行補灌或此處封堵海綿等未清除徹底，導致補灌砂漿與原砂漿層無法有效粘結，在列車動荷載作用下，則會出現砂漿層缺損掉塊傷損。砂漿層缺損掉塊處易導致積水滲入，影響砂漿層耐久性。

1.4 泛漿

通過對多條高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道線路調研發現，砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間出現泛白漿現象，尤其是砂漿層明顯離縫和軌道板板間接縫及精調爪位置較為嚴重，如圖15所示。由于砂漿層離縫使軌道板與底座板(支承層)之間產生縫隙，在列車動載作用下二者之間出現拍打，雨水進入后產生的沖蝕作用將縫隙中的微細顆粒和水與氫氧化鈣反應生成的碳酸鈣等物質一并帶出，從而形成白色析出物，雖尚未影響行車安全，但縫隙內水的沖刷作用及凍融將導致裂縫擴展，進而影響砂漿層耐久性和軌道幾何狀態的保持。

圖14 精調爪部位砂漿層缺損掉塊

圖15 砂漿層泛漿

2 傷損判定標準及檢查

砂漿層應保證與軌道板底部和底座板(支承層)密貼，在對高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層不同類型傷損進行分析的基礎上，根據其傷損程度的不同將砂漿層離縫和裂縫傷損分成Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級三個等級［6］。

砂漿層離縫傷損等級判定項目為離縫寬度、深度及對角長度。在實際檢查過程中，首先對離縫寬度采用裂縫寬度測量儀或其他精度滿足要求的測量尺進行寬度測量，然后采用深度尺對離縫深度進行測量，再結合砂漿層離縫縱向長度和橫向深度，確定砂漿層離縫范圍的對角長度，最后綜合三個判定項目，對砂漿層離縫傷損等級進行判定。

砂漿層豎向裂縫傷損等級判定較為簡便，采用裂縫寬度測量儀或其他精度滿足要求的測量尺進行裂縫寬度測量。砂漿層傷損形式及傷損等級判定標準見表1。對Ⅰ級傷損應做好記錄，對Ⅱ級傷損應列入維修計劃，對Ⅲ級傷損應及時修補。砂漿層缺損、掉塊和泛漿應根據實際運營條件適時進行修補。對于砂漿層結構狀態應每半年檢查1遍。對未處理的Ⅱ級傷損處應每季度檢查1遍。

表1 砂漿層傷損形式及傷損等級判定標準 mm

3 傷損修復

砂漿層傷損修復應根據具體傷損類型按照相關規范要求進行實施。對于砂漿層離縫傷損，首先應對傷損產生的主要原因進行分析，從根本上避免修復后再次出現傷損的現象，同時離縫傷損修復過程中應根據不同原因采取針對性措施。對由于溫度荷載引起的砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間的離縫，應在軌道板設計縱連鎖定溫度范圍內對軌道板進行應力放散、重新鎖定，并采用低黏度樹脂材料按規范要求［5］對離縫傷損進行注漿修補;對于基礎不均勻沉降引起的砂漿層離縫傷損宜在解決基礎沉降問題的基礎上對離縫進行修補，并應考慮與扣件系統的高低調整配合作業。

對于Ⅰ級傷損的砂漿層離縫和裂縫，應進行觀測記錄，并定期觀察其發展變化;對Ⅱ級傷損應列入維修計劃，適時維修，宜采用低壓注漿法進行處理;對Ⅲ級傷損應及時維修，宜采用封閉注漿法進行處理。對于砂漿層缺損掉塊傷損，可根據缺損面積大小，選擇采用直接修補或立模修補方法進行處理。具體修補工藝應按照相關技術規范要求實施。

4 結論

通過對高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層傷損分類、原因分析、傷損等級判定及修復技術等的研究，得到如下主要結論:

1)砂漿層傷損類型主要有砂漿層與軌道板或底座板(支承層)離縫、豎向裂縫、缺損掉塊及泛漿等，傷損原因各有不同，且往往是多因素綜合作用的結果。

2)砂漿層離縫傷損產生的原因主要有軌道板溫度梯度引起的板端翹曲，軸向溫度荷載引起的軌道板或底座板(支承層)溫度伸縮，砂漿層灌注不飽滿、列車動力荷載及基礎不均勻沉降等，原因不同，其離縫寬度、深度等表現形式均有所不同。

3)砂漿層離縫和裂縫傷損采用裂縫寬度測量儀或其他精度滿足要求的測量尺進行測量，按傷損等級進行分類處理。對Ⅰ級傷損應做好記錄，對Ⅱ級傷損應列入維修計劃，對Ⅲ級傷損應及時修補。

4)砂漿層傷損修復應在對其進行原因分析的基礎上，根據傷損等級，對于溫度荷載或基礎沉降等不同原因引起的傷損采取針對性修復措施，并考慮與扣件系統的高低調整配合作業。

［1］吳紹利，吳智強，王鑫，等.板式無砟軌道軌道板與砂漿層離縫快速維修技術研究［J］.鐵道建筑，2012(3):115-117.

［2］王繼軍，尤瑞林，王夢，等.單元板式無砟軌道結構軌道板溫度翹曲變形研究［J］.中國鐵道科學，2010，31(3):9-14.

［3］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無砟軌道技術總結報告［R］.鐵道部工程管理中心，2008.

［4］王慶波，姜子清，司道林.橋上縱連板式無砟軌道相關技術問題分析［J］.鐵道工程學報，2010(5):9-13.

［5］何華武.無砟軌道技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［6］中華人民共和國鐵道部.鐵運［2012］83號 高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2012.