CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫修復技術研究

易忠來，李化建，溫 浩，謝永江

(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)

CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫修復技術研究

易忠來1，2，李化建1，2，溫 浩1，2，謝永江1，2

(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)

充填層離縫是CRTSⅡ型板式無砟軌道結構主要的病害形式。在實地調研我國CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫病害的基礎上，分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道結構充填層離縫的主要種類、原因及危害。根據高速鐵路無砟軌道結構特點，研究充填層離縫修復材料技術要求。結合現場實踐給出了離縫修復工藝，并對離縫修復效果進行跟蹤考察。

高速鐵路 CRTSⅡ型板式無砟軌道 充填層 離縫 修復

我國高速鐵路運營里程已經超過1萬km，時速300 km以上的線路主要采用無砟軌道結構形式，其中京津、京滬、京石、石武、滬杭、寧杭、杭甬、合蚌、津秦、杭長等高速鐵路均采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結構，鋪設總里程超過4 000 km。CRTSⅡ型板式無砟軌道結構主要由鋼軌扣件、預制軌道板、充填層、混凝土底座板或水硬性支承層等構成［1］。軌道板縱向通過張拉鎖件連接，充填層位于軌道板與底座之間，主要功能為充填、支撐、承力、傳力以及提供適當彈韌性。軌道板的豎向位移、水平位移均由砂漿充填層約束［2］。充填層是CRTSⅡ型板式無砟軌道結構的關鍵結構，其服役狀態直接影響軌道結構的耐久性及列車運行的安全性。CRTSⅡ型板式無砟軌道結構充填層材料采用的是高彈性模量水泥乳化瀝青砂漿。從運營實踐情況來看，充填層離縫是CRTSⅡ型板式無砟軌道結構主要的病害形式。本文分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道結構充填層離縫的主要種類、原因及危害，根據高速鐵路無砟軌道結構特點，研究分析了充填層離縫修復材料技術要求，提出了離縫修復工藝，并對離縫修復效果進行了跟蹤考察。

1 充填層離縫分類

從實地調研在建及已通車的CRTSⅡ型板式無砟軌道結構充填層離縫情況來看，充填層離縫形式多樣，可按照離縫區域及離縫所處部位進行分類。

1.1 按充填層離縫出現區域分類

1)板端離縫

板端離縫指離縫出現區域位于軌道板4個板角區域，每個板端的離縫長度一般在60～200 cm。這類離縫往往呈現出越靠近軌道板板端離縫寬度越大，而軌道板中部基本不離縫的特點，屬于比較常見的離縫。多數離縫屬于這類，其典型情況如圖1(a)所示。

2)板中離縫

板中離縫是指離縫出現區域位于軌道板中部，板端未出現離縫的情況。典型情況如圖1(b)所示。

3)整板離縫

整板離縫是指整塊軌道板砂漿均出現離縫，往往寬度較大，并且可能沿整個軌道板寬度方向出現貫通離縫。出現這類離縫時，意味著軌道板與充填層粘結基本喪失，充填層對軌道板的約束作用基本喪失。這類離縫對軌道結構運營穩定性影響相對較大，需要及時修復。其典型情況如圖1(c)所示。

1.2 按充填層離縫所處部位分類

1)充填層與軌道板離縫

充填層與軌道板之間的離縫是充填層上表面與軌道板板底脫離形成的離縫，屬于最常見的充填層離縫病害形式，如圖2(a)所示。

2)充填層與底座板離縫

充填層與底座板離縫是充填層與軌道板粘結良好，而與底座板脫離導致的離縫。這種離縫較充填層和軌道板離縫出現得少，如圖2(b)所示。

3)充填層與軌道板和底座板均離縫

少數極端情況下會出現充填層與軌道板和底座板均出現離縫，如圖2(c)所示。這種情況下砂漿充填層的粘結作用完全喪失，在列車作用下砂漿充填層極易被拍碎擠出，對無砟軌道結構耐久性和運營安全性有影響，需要立即進行修復。

圖1 不同區域充填層離縫

圖2 不同部位充填層離縫

2 充填層離縫原因及危害

2.1 充填層離縫產生原因

充填層離縫對CRTSⅡ型板式無砟軌道結構耐久性和穩定性有較大影響，其產生的原因包括設計、施工、材料、服役環境等多方面。

1)設計

CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向上是連續的長大結構，垂向上是由軌道板、充填層、底座板組成的垂向結構。設計要求充填層砂漿與軌道板和底座板粘結良好，使軌道板、充填層、底座板形成一個整體，從而具有較好的穩定性。這種結構對施工質量要求極高，對無砟軌道施工和縱聯張拉溫度都有較嚴格的要求，對缺陷的容忍度較小，同時對于極端氣候條件下保證結構穩定性缺乏可靠措施。

2)施工

從實踐情況來看，良好的施工質量能有效減少充填層離縫的產生。在施工期導致充填層離縫的因素較多［3］，主要包括但不限于以下因素:①灌注前軌道板及底座板清理、潤濕不到位;②排氣孔設置不正確;③灌注后舀漿過早;④封邊不嚴，砂漿漏漿;⑤砂漿養護不到位;⑥灌注后軌道板張拉縱聯不及時。

3)材料

水泥乳化瀝青砂漿材料性能對充填層質量有直接影響。在材料性能方面，對于充填層離縫影響最大的是膨脹性能和粘結性能。水泥乳化瀝青砂漿要求具有微膨脹性能，部分材料如達不到技術條件要求，膨脹性不足甚至是產生收縮就會導致水泥乳化瀝青砂漿硬化之初就出現離縫。另外，粘結性能不足也會導致充填層離縫，在同樣的條件下，粘結強度高的材料出現離縫幾率遠低于粘結強度低的材料。

4)服役環境

對于建成后的CRTSⅡ型板式無砟軌道，服役環境是導致充填層離縫的主要原因。對充填層離縫影響最大的是溫度。溫度對充填層離縫的影響體現在兩個方面:①軌道板的溫度變形。受溫度梯度的影響，軌道板會出現溫度變形，導致4個板角出現翹曲。當軌道板翹曲應力大于水泥乳化瀝青砂漿與軌道板的粘結力時，就會產生離縫。②軌道結構的溫度力。由于CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱聯板式結構，在溫度荷載作用下，軌道板有上拱趨勢，當溫度力大于砂漿粘結力時，充填層就會產生離縫。

2.2 充填層離縫的危害

充填層離縫的產生導致軌道板與底座板或支承層的粘結部分甚至完全失效，影響軌道結構的穩定性和耐久性，給軌道結構的正常使用及行車安全帶來隱患。

1)影響軌道結構穩定性

充填層離縫產生后，意味著充填層與軌道板和底座板的粘結作用失效。研究表明，離縫狀態下軌道板的豎向加速度和位移分別約為良好粘結、不離縫狀態時的10余倍和20余倍(假設車速為250 km/h時)［4］，從而加大高速列車運行時軌道板對砂漿充填層的沖擊作用，大幅增加了砂漿碎裂的風險。如果不及時采取措施，會引起軌道板上拱(如圖3)。一旦軌道板發生上拱，將直接導致軌面高低發生變化，同時產生寬接縫破損、軌道板破損和裂縫等，輕則影響乘坐的舒適性，重則危及行車安全。

圖3 軌道板上拱

2)影響結構耐久性

充填層離縫產生后，軌道板上的雨水、雪水會輕易沿軌道板周邊侵入離縫間隙，在充填層與軌道板或底座板間形成積水層。列車通過時，沖擊荷載直接作用于離縫間的積水層，導致積水層同時產生橫向和豎向動水壓力。在橫向動水壓力作用下，砂漿充填層受到橫向的拉應力作用，形成“沖刷”效應，充填層出現“冒漿”現象(如圖4)。在豎向動水壓力作用下，水被壓入砂漿充填層的毛細孔縫中。由于毛細孔縫的孔徑較小，毛細孔壁是憎水性的，因而在毛細孔縫內，尤其是孔縫尖端將形成較大的作用于毛細孔壁的動水壓應力，像楔子一樣使孔縫尖端受到拉應力作用。當動水壓力引起的拉應力大于砂漿充填層的抗拉強度時，砂漿充填層內的毛細孔縫就會擴展與延伸。在高速列車運行時的反復沖擊荷載、動水壓力和溫度變化的交替循環作用下，離縫會隨沖擊作用不斷張開、閉合，縫內水的體積也將隨之變化。由于水是壓縮性比較小的流體，在閉合時會引起較大的水力劈裂力，可導致裂縫不斷產生、擴展與延伸，形成“劈裂”效應［5］，使孔縫連通成裂縫網絡，導致砂漿充填層出現磨蝕或碎裂。橫向和豎向動水壓力共同作用會導致碎裂的砂漿充填層被擠出(如圖5)，使充填層喪失承力、傳力功能。

圖4 充填層沖蝕

圖5 充填層被擠出

3 充填層離縫修補材料技術要求

鑒于高速鐵路露天服役環境(潮濕環境、溫濕度變化)、周期疲勞荷載、充填層層狀結構以及維修天窗時間短的特點，為確保高速鐵路板式無砟軌道結構的穩定性和安全性，充填層離縫修補材料性能應滿足以下要求:

1)充填層離縫寬度小，離縫范圍大。這要求離縫修補材料具有較好的流動性，即具有較低的黏度，可以較好地填充離縫。

2)由于維修天窗時間短，為滿足維修完成后即可以通車運營，要求離縫修補材料具有快速固化的特性，即具有較短的凝膠時間、較高的早期強度。

3)由于受周期疲勞荷載作用，要求離縫修補材料具有良好的柔韌性和耐疲勞性。

4)結構設計要求充填層與軌道板和底座板具有良好的粘結性能。這就要求離縫修補材料與軌道板混凝土和充填層砂漿均具有較好的粘結性能，同時要求修補材料具有較低的收縮率，以防止出現二次離縫。

5)露天服役環境要求離縫修補材料具有較好的耐老化性能和環境適應性能。

綜合以上考慮，結合充填層材料的性能，研究提出了充填層離縫修補材料技術要求，如表1所示。

表1 充填層離縫修補材料技術要求

4 充填層離縫修復工藝

充填層處于軌道板與底座板中間夾層位置，其服役狀態直接關系到整個無砟軌道結構的服役性能，其特殊的位置決定了其修補的難度，同時充填層的修補不能影響行車，必須在較短的天窗時間內完成修補過程，這就要求充填層修補工藝快速簡單，修補機具便捷高效。

通過實驗室內試驗和現場實踐，研究提出了一套行之有效的充填層離縫修復工藝［6］，主要工藝步驟如下:

1)離縫注漿前的準備。查清裂縫的長度、寬度、深度、走向、貫穿及漏水等情況，確定離縫注漿位置;采用鋼絲刷清理離縫表面的灰塵、浮渣及松散層，并用高壓空氣吹掃，盡量清除離縫內的灰塵雜物及積水，如圖6(a)所示。

2)設置注漿口、封閉離縫。在離縫的較寬處及離縫端部等位置合理地設置注漿口，注漿口方向與離縫平行。然后將注漿管插入注漿口內部，并采用封縫材料將注漿口及離縫全部封閉，如圖6(b)所示。

3)注漿機注漿。待封縫材料固化后，從離縫的任意一端，將雙組分注漿機的注漿管與注漿口連接，開始注漿。當下一注漿口有漿液漏出時，封堵該出漿口，同時繼續注漿直至無法再注入修補材料，然后再把注漿管連接到最后有漿液漏出的注漿口上，繼續注漿。依此，直到離縫另一端的注漿口中有漿液流出時，離縫全部注滿漿液，完成離縫注漿，如圖6(c)所示。修補材料采用TK-A型離縫修補材料。

4)完成離縫修補。待修補材料完全固化后，清除封縫材料和注漿管，并將離縫表面打磨平整，如圖6(d)所示。

圖6 充填層離縫修復工藝

5 充填層離縫修復效果

通過對離縫修補區域的跟蹤考察，經過兩年多的運營檢驗，離縫修補效果良好，未出現二次離縫現象(如圖7所示)，表明所用離縫修復工藝和修補材料可以滿足高速鐵路無砟軌道運營要求。

圖7 離縫修復效果

6 結語

充填層離縫是CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結構的常見病害。導致充填層離縫的原因包括施工、材料、設計以及服役環境等多個方面。由于離縫導致充填層與軌道板或底座板的粘結部分甚至全部失效，充填層離縫會影響無砟軌道結構的耐久性和穩定性，充填層離縫后需要及時進行修復。充填層離縫修復材料要求具有黏度低、固化速度快、早期強度高、粘結強度高、柔韌性好、收縮率低、耐久性好等特點。將提出的充填層離縫修復工藝與研發的修補材料用于實際病害修補，效果良好。

［1］姜子清，江成，王繼軍，等.CRTS Ⅱ型板式無砟軌道砂漿層傷損修復研究［J］.鐵道建筑，2013(1):118-122.

［2］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］王靖基.水泥乳化瀝青砂漿與CRTS Ⅱ軌道板間離縫的原因及預防措施［J］.建筑，2012(8):59-61.

［4］海外鐵道技術協力協會.板式無砟軌道CA砂漿的檢測、管理及修補施工方法［R］.日本:海外鐵道技術協力協會，2009.

［5］鄭志芳，李宗利，孫麗麗.動力荷載作用下裂縫水力劈裂效應研究［J］.水利水運工程學報，2010，6(2):45-50.

［6］中國鐵道科學研究院.高速鐵路無砟軌道系統修復技術研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2013.

Study on remedy technology of open joint of filling layer for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track

YI Zhonglai1，2，LI Huajian1，2，WEN Hao1，2，XIE Yongjiang1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

Open join ts of filling layer were the main defect type of CRTS Ⅱ slab-type ballastless track.Based on nationwide investigation for open join ts of the filling layer for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track，open join t categories，reasons behind and damage it might occur were analyzed.According to the structural characteristics of ballastless track，the p roper remedy material and technology for open join ts were studied.The proposed scheme was put in to application and the results are closely monitored for further improvement.

High speed railway;CRTS Ⅱ slab-type ballastless track;Filling layer;Open joint;Reparation

U213.2+44;U216.42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.23

1003-1995(2015)01-0102-05

(責任審編 李付軍)

2014-10-15;

2014-11-15

中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2012G008-A，2013G008-A-3)

易忠來(1981—)，男，湖北松滋人，副研究員，博士。