橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道傷損研究

姜子清，王繼軍，江 成

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

2008年我國首條高速京津城際鐵路開通，此后我國高速鐵路建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，武廣、鄭西、滬寧、滬杭、京滬等多條高速鐵路無砟軌道線路相繼開通運營[1]。我國無砟軌道線路中軌道結(jié)構(gòu)分為預(yù)制板式和現(xiàn)澆混凝土式兩大類，共6種結(jié)構(gòu)形式:CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、CRTSⅢ型板式、雙塊式以及岔區(qū)軌枕埋入式和板式無砟軌道，其中，京津城際、京滬、滬杭、杭長、京石、石武、合蚌、合福等高速鐵路均采用CRTSⅡ型板式無砟軌道。CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國目前鋪設(shè)里程最長的軌道結(jié)構(gòu)形式，所經(jīng)區(qū)段具有橋梁所占比例大、橋梁溫度跨度大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點。結(jié)合秦沈線、遂渝線等無砟軌道試驗段的鋪設(shè)試驗和運營經(jīng)驗[2-3]，建立一套較為完善的軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)體系，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

無砟道床混凝土開裂是影響軌道結(jié)構(gòu)主要傷損形式之一，不但影響結(jié)構(gòu)耐久性、正常使用性，增加養(yǎng)護(hù)維修工作量，甚至影響結(jié)構(gòu)安全。通過對無砟道床開裂傷損的匯總分類，綜合分析傷損產(chǎn)生的原因，并提出修復(fù)方法及預(yù)防技術(shù)措施。

1 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動層、高強度擠塑板、側(cè)向擋塊及彈性限位板等部分組成，橋臺后路基設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)(摩擦板、土工布及端刺)及過渡板，曲線超高在底座板上設(shè)置，長大橋區(qū)段底座板設(shè)有鋼板連接器后澆帶，如圖1所示。

圖1 橋梁地段CRTSⅡ型板式無砟軌道

1)扣件系統(tǒng)。CRTSⅡ型板式無砟軌道配套采用彈性不分開式扣件系統(tǒng)(如WJ-8型和300-1型等)。其主要功能是保持軌距，提供軌道彈性，調(diào)整軌道幾何形位，滿足軌道絕緣性能要求。

2)預(yù)制軌道板。軌道板為橫向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。其主要功能是承受列車荷載、溫度荷載等;軌道板通過承軌部位的高精度打磨和線路位置上的對應(yīng)精準(zhǔn)定位，為鋼軌空間幾何位置的固定和扣件系統(tǒng)的安裝提供平臺;提供軌道系統(tǒng)適應(yīng)軌道電路和綜合接地技術(shù)要求的接口。

3)砂漿層。采用強度、彈模相對較高的水泥乳化瀝青砂漿，厚度30 mm，實現(xiàn)軌道板的均勻支承及其與底座板的可靠連接。

4)滑動層。滑動層由兩層土工布和一層土工膜組成。底座板與梁面間“兩布一膜”滑動層的主要功能是減小橋梁溫度伸縮變形對鋼軌縱向受力的影響;為底座板跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)、避免設(shè)置大跨橋梁鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、扣件系統(tǒng)縱向阻力的統(tǒng)一創(chuàng)造條件。

5)底座板。跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)的底座板是橋上CRTSⅡ板式軌道結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件。其主要功能是承受荷載，包括列車活載、溫度荷載、混凝土收縮徐變等效荷載及制動荷載等;傳遞荷載，將垂向、縱向荷載傳遞至橋梁基礎(chǔ)，橫向荷載傳遞至側(cè)向擋塊;為橋梁地段曲線超高設(shè)置提供條件。

6)高強度擠塑板。在梁縫兩側(cè)一定距離的梁面上設(shè)置，以減小梁端轉(zhuǎn)角對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響。

7)側(cè)向擋塊。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道底座板兩側(cè)設(shè)置側(cè)向擋塊，側(cè)向擋塊與底座板間設(shè)置由橡膠墊層、不銹鋼鋼板等組成的彈性限位板，保證無砟軌道系統(tǒng)橫向和豎向抗屈曲穩(wěn)定性，實現(xiàn)橋梁與軌道間縱向自由伸縮。

8)臺后錨固結(jié)構(gòu)。由端刺、摩擦板和過渡板等組成，其主要功能為保證橋梁結(jié)構(gòu)傳來的縱向荷載不影響路基段軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性，降低不同結(jié)構(gòu)物間的剛度差，保證不同結(jié)構(gòu)物協(xié)調(diào)變形與縱向剛度的平順性。

1.2 技術(shù)要求

CRTSⅡ型板式無砟軌道通過對預(yù)制軌道板的打磨和精密測量定位等技術(shù)措施，實現(xiàn)軌道高平順性的要求。橋上軌道結(jié)構(gòu)通過梁面鋪設(shè)“兩布一膜”滑動層、橋梁固定支座上方梁面設(shè)置抗剪齒槽和錨固筋、臺后設(shè)置端刺和摩擦板等技術(shù)措施，實現(xiàn)了軌道結(jié)構(gòu)跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)，使軌道結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出較好的整體性和縱向連續(xù)性。其軌道結(jié)構(gòu)主要技術(shù)要求如下。

1)預(yù)制軌道板。軌道板為橫向先張預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C55。相鄰軌道板之間通過6根φ20精軋螺紋鋼筋，在砂漿層達(dá)到9 MPa或窄接縫混凝土強度達(dá)到20 MPa時，進(jìn)行縱向張拉連接。板間接縫處裂紋不得大于0.2 mm，離縫不得大于0.3 mm。軌道板除預(yù)裂縫(不允許通裂)處以外，其他部位不允許開裂。

2)砂漿層。砂漿層28 d抗壓強度不低于15 MPa，彈性模量7 000～10 000 MPa，砂漿層應(yīng)與軌道板底部和支承層或底座板密貼，厚度為30 mm，不應(yīng)小于20 mm，不宜超過40 mm。通過較高的粘結(jié)強度使軌道板與底座板形成整體性較好的無砟道床。

3)底座板。橋上底座板采用C30混凝土縱向連續(xù)鋪設(shè)，結(jié)構(gòu)配筋采用58根φ16的HRB500級鋼筋，寬度為2 950 mm，厚度為200 mm。橋梁地段連續(xù)底座板(含后澆帶部位)混凝土裂縫不得大于0.3 mm，如圖2所示。

4)側(cè)向擋塊。底座板兩側(cè)設(shè)置扣壓型側(cè)向擋塊進(jìn)行橫向限位，扣壓型側(cè)向擋塊長度為800 mm，頂面寬度為590 mm，底面寬度為400 mm，采用C35混凝土現(xiàn)場澆注，施工及維修過程中應(yīng)注意側(cè)向擋塊與底座板不得粘連，如圖3所示。

圖2 橋上底座板后澆帶示意

圖3 橋上側(cè)向擋塊示意

5)滑動層。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道梁面與底座板之間鋪設(shè)“兩布一膜”滑動層，即兩層聚丙烯土工布夾一層厚度1 mm的高密度聚乙烯土工膜，兩層土工布在摩擦板與底座板間鋪設(shè)。運營中應(yīng)注意滑動層土工布吸水會加速其老化及底座板混凝土開裂。

6)高強度擠塑板。橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道通過在梁縫前后3 m范圍內(nèi)在梁面上設(shè)置高強度擠塑板，減小梁端轉(zhuǎn)角對軌道結(jié)構(gòu)的影響。

2 橋上無砟軌道開裂傷損分類

2.1 預(yù)制軌道板傷損

軌道板主要傷損形式有軌道板混凝土裂縫，包括預(yù)裂縫處裂縫和非預(yù)裂縫處裂縫;軌道板混凝土缺損;軌道板板間混凝土裂縫、缺損以及板間混凝土與軌道板之間離縫傷損等。軌道板及板間接縫混凝土傷損如圖4和圖5所示。

圖4 軌道板傷損

圖5 板間接縫傷損

軌道板裂縫主要以預(yù)裂縫處開裂為主，非預(yù)裂縫處開裂相對較少;部分板間混凝土與軌道板間存在離縫，這些裂縫及離縫受環(huán)境溫度影響較為明顯。通過對運營線路中軌道板預(yù)裂縫處的一條裂縫的連續(xù)跟蹤觀測發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)溫度條件下裂縫寬度如圖6所示，裂縫寬度隨著季節(jié)溫度的變化而變化。

圖6 軌道板預(yù)裂縫處裂縫寬度變化特征

預(yù)制軌道板個別擋肩位置出現(xiàn)裂縫，包括擋肩斜向環(huán)裂和沿軌道板橫向穿過套管和擋肩的裂縫，如圖7所示。

圖7 軌道板擋肩混凝土裂縫

2.2 砂漿層傷損

砂漿層傷損類型主要有砂漿層與軌道板(底座板)或支承層離縫、豎向裂縫、缺損掉塊及泛白漿等，其中，對軌道結(jié)構(gòu)整體功能性和耐久性影響最大的是砂漿層離縫傷損。砂漿層不同的傷損形式產(chǎn)生的原因各有不同，且往往是多個原因綜合作用的結(jié)果。

2.2.1 離縫

砂漿層與軌道板或底座板或支承層之間出現(xiàn)離縫傷損是無砟軌道結(jié)構(gòu)中較為常見的傷損形式之一，如圖8所示。砂漿層離縫傷損將會使砂漿層與軌道板(底座板)或支承層粘結(jié)失效，削弱無砟道床的整體性，影響軌道靜態(tài)幾何形位和動態(tài)穩(wěn)定性。

圖8 砂漿層與軌道板間離縫

砂漿層離縫傷損產(chǎn)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(底座板)或支承層伸縮、砂漿層灌注不飽滿、列車動力荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降等。雖然砂漿層離縫產(chǎn)生的主要原因各有不同，其離縫寬度、深度等表現(xiàn)形式亦有所不同，且現(xiàn)場往往是多因素共同作用所致，但分析其產(chǎn)生的主要原因很有必要。如果砂漿層離縫由于板端翹曲、灌注不飽滿等原因引起的，對軌道結(jié)構(gòu)耐久性會產(chǎn)生一定的不利影響;如果砂漿層離縫主要是由于軸向溫度荷載引起的軌道板上拱離縫，則會影響軌道結(jié)構(gòu)整體性和結(jié)構(gòu)安全性，傷損修復(fù)處理時也要考慮軌道結(jié)構(gòu)溫度荷載和溫度變形的影響。

2.2.2 豎向裂縫

砂漿層豎向裂縫是其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9所示。砂漿層豎向裂縫將會影響其耐久性，如果傷損未進(jìn)行及時修補，在列車動荷載作用下還將會出現(xiàn)缺損掉塊傷損。砂漿層豎向裂縫與砂漿配方、現(xiàn)場施工工藝、運營條件以及溫度變化均有密切關(guān)系，其產(chǎn)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。

圖9 砂漿層裂縫間距和寬度

2.2.3 缺損掉塊

砂漿層存在缺損掉塊或剝離的現(xiàn)象，尤其是軌道板板間接縫部位和軌道板精調(diào)爪附近的砂漿層缺損掉塊傷損較為突出，如圖10所示。砂漿層缺損掉塊傷損多是由于在列車荷載下砂漿層離縫和豎向裂縫等傷損誘發(fā)產(chǎn)生的。砂漿層缺損掉塊容易積水，影響砂漿層耐久性。

圖10 精調(diào)爪部位砂漿層缺損掉塊

2.3 底座板傷損

橋上底座板(含后澆帶)傷損主要有混凝土裂縫和缺損兩種，橋上混凝土底座板裂縫傷損較為普遍，裂縫寬度多在0.1 mm左右，裂縫間距在15～100 cm不等。以一處裂縫的連續(xù)跟蹤觀測為例，裂縫隨季節(jié)溫度的變化呈現(xiàn)出張合現(xiàn)象，如圖11所示。底座板后澆帶處裂縫相較于普通區(qū)段而言，裂縫寬度較大，主要出現(xiàn)在后澆帶混凝土的結(jié)合面處，如圖12所示。

圖11 底座板裂縫寬度變化特征

圖12 底座板后澆帶混凝土裂縫

2.4 側(cè)向擋塊傷損

側(cè)向擋塊傷損主要有混凝土裂縫、側(cè)向擋塊與底座板未完全隔離造成的擋塊混凝土拉裂或缺損掉塊、彈性限位板失效等，如圖13所示。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)多處側(cè)向擋塊存在拉裂、破損，甚至鋼筋外露現(xiàn)象，其主要原因是施工期間在工藝細(xì)節(jié)上處理不當(dāng)，造成側(cè)向擋塊與軌道板(或底座板)粘連，阻礙了橋梁與軌道間的縱向相對運動。

圖13 側(cè)向擋塊傷損

3 無砟道床傷損影響

無砟道床傷損根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的部位、產(chǎn)生的原因及其影響不同，可以將裂縫分為影響結(jié)構(gòu)安全性、影響結(jié)構(gòu)功能性、影響結(jié)構(gòu)耐久性、影響結(jié)構(gòu)平順性4種類型。

1)影響結(jié)構(gòu)安全性

無砟道床混凝土結(jié)構(gòu)裂縫直接影響結(jié)構(gòu)安全性的傷損并不常見，僅在個別位置出現(xiàn)預(yù)制軌道板承軌臺部位混凝土裂縫、擋肩裂縫等傷損，可能會影響軌道結(jié)構(gòu)限位功能，存在安全隱患。這種混凝土裂縫傷損多為制造或施工過程中的各種不當(dāng)操作或外部偶然因素造成，具有一定偶然性。

2)影響結(jié)構(gòu)功能性

無砟軌道鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)部件裂縫發(fā)展到一定程度，不但會影響結(jié)構(gòu)耐久性，而且會影響到軌道結(jié)構(gòu)部件的功能，對無砟軌道線路平順性、穩(wěn)定性等產(chǎn)生危害，影響軌道部件的正常使用。這類傷損主要包括側(cè)向擋塊混凝土裂縫、底座板后澆帶裂縫等，傷損產(chǎn)生的原因有多方面，包括列車動荷載作用下的“橋梁—軌道”反相位相互拍打作用、整體溫度荷載變化作用下連續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)拉裂等多種因素。

3)影響結(jié)構(gòu)耐久性

無砟道床混凝土結(jié)構(gòu)裂縫傷損雖然開裂部位、開裂程度各有不同，除少部分裂縫對軌道結(jié)構(gòu)安全性和功能性有影響外，絕大部分裂縫主要對軌道結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響，包括預(yù)制軌道板預(yù)裂縫側(cè)面、軌道板板體、底座板及支承層裂縫等。裂縫主要有間接裂縫和荷載裂縫兩種形式。實際運營線路中，兩種工況往往同時存在，相互作用。

混凝土間接裂縫是指由于混凝土溫度收縮(包括溫度梯度效應(yīng)、升降溫荷載及混凝土自收縮等)、結(jié)構(gòu)內(nèi)力(預(yù)應(yīng)力施加不到位或不均勻等)造成軌道板、道床板、底座板或支承層結(jié)構(gòu)開裂，未開通前發(fā)現(xiàn)的軌道板側(cè)面不同程度開裂現(xiàn)象即屬于此種類型裂縫。這種裂縫一般對軌道板承載能力削弱較小，但可能會引起鋼筋銹蝕等危害，從而對軌道板結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生不利影響。

混凝土荷載裂縫是指由于列車荷載作用，使結(jié)構(gòu)層底部由于彎拉作用產(chǎn)生裂縫或由于下部砂漿層支撐狀態(tài)不良引起混凝土表面開裂等現(xiàn)象。在列車荷載條件下，這種荷載裂縫具有寬度較大的特點，對軌道結(jié)構(gòu)、軌道幾何狀態(tài)等影響均較大，如果未及時進(jìn)行處理，甚至可能會使軌道板或砂漿層等道床結(jié)構(gòu)損壞失效。

4)影響結(jié)構(gòu)平順性

對于橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層間離縫形式主要有砂漿層與軌道板或底座板之間離縫、軌道板間接縫處離縫等。結(jié)構(gòu)層間離縫產(chǎn)生的原因有多方面，包括施工因素、整體溫度變化、列車動荷載及材料老化失效等。

結(jié)構(gòu)層間離縫直接影響軌道結(jié)構(gòu)整體性，在列車動荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)部件振動、受力變形等均會出現(xiàn)明顯異常，且離縫在雨水進(jìn)入后，容易產(chǎn)生沖蝕效應(yīng)，引起結(jié)構(gòu)層間粘結(jié)不斷惡化，甚至影響無砟軌道線路平順性。

4 軌道結(jié)構(gòu)修復(fù)方法

對于高速鐵路橋上CRTSⅡ型板式無砟道床離縫傷損，在對其產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，按混凝土裂縫影響進(jìn)行分類，根據(jù)裂縫產(chǎn)生的部位及其影響采取局部裂縫傷損修補或結(jié)構(gòu)傷損修復(fù)兩種不同的方法。局部離縫修補主要針對無砟道床結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的影響結(jié)構(gòu)耐久性的裂縫、離縫等常見傷損的修補。這類傷損在《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中有明確的修補方法，維修管理部門需結(jié)合實際傷損情況，依據(jù)規(guī)范中的原則要求進(jìn)行維修材料、機具及施工組織設(shè)計細(xì)化。如果混凝土道床開裂影響軌道結(jié)構(gòu)功能使用或結(jié)構(gòu)安全，則需對傷損結(jié)構(gòu)進(jìn)行傷損修復(fù)處理，如更換開裂嚴(yán)重的軌道板、離縫較大的砂漿層及軌道結(jié)構(gòu)整體抬升等。雖然規(guī)范中已有原則性要求，但由于這類傷損修復(fù)較為困難，對軌道結(jié)構(gòu)影響較大，一般需針對具體工況進(jìn)行修復(fù)方案專題研究后方可實施。

橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修在對不同傷損的修復(fù)過程中，通過對不同環(huán)境條件下各種原因引起的傷損案例的研究分析，不斷歸納、匯總，依據(jù)相關(guān)規(guī)范的維修原則性要求[4]，建立一套針對各種類型傷損的標(biāo)準(zhǔn)維修方法，為運營過程中可能出現(xiàn)的類似傷損提供維修技術(shù)支撐。

5 結(jié)語

軌道結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)是高速鐵路無砟軌道系統(tǒng)技術(shù)的重要組成部分，無砟道床傷損修復(fù)應(yīng)貫徹“嚴(yán)檢慎修”的理念，在保證軌道幾何形位的前提下，更加注重軌道結(jié)構(gòu)檢查和維修。通過對橋上CRTSⅡ型板式無砟道床混凝土開裂的傷損修復(fù)研究，得到如下主要結(jié)論:

1)橋上CRTSⅡ型板式無砟道床混凝土開裂產(chǎn)生的部位主要有軌道板預(yù)裂縫處、軌道板板體、砂漿層、底座板等，開裂部位不同，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響也不同，相應(yīng)的修復(fù)處理方法也不同。

2)橋上CRTSⅡ型板式無砟道床混凝土開裂產(chǎn)生的影響主要分為影響結(jié)構(gòu)耐久性、功能使用性和結(jié)構(gòu)安全性等，其中軌道板擋肩和承軌臺混凝土開裂、軌道板上拱引起的砂漿層離縫等傷損將對結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響;軌道板板體混凝土開裂、底座板裂縫等將會影響結(jié)構(gòu)使用性和耐久性。

3)對于無砟道床結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的影響結(jié)構(gòu)耐久性的裂縫、離縫等常見傷損，應(yīng)依據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進(jìn)行修復(fù)處理;對于影響軌道結(jié)構(gòu)功能使用或結(jié)構(gòu)安全的混凝土道床開裂，需對傷損結(jié)構(gòu)進(jìn)行傷損修復(fù)處理，由于這類傷損修復(fù)較為困難，對軌道結(jié)構(gòu)影響較大，一般需針對具體工況進(jìn)行修復(fù)方案專題研究后方可實施。

[1]中國鐵道科學(xué)研究院.高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)深化研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

[2]趙國堂.高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)[M].北京:中國鐵道出版社，2006.

[3]中國鐵道科學(xué)研究院.CRTSⅡ型板式無砟軌道可適應(yīng)的長大混凝土橋梁溫度跨長研究[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011.

[4]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(guī)則(試行)[S].北京:中國鐵道出版社，2012.