高寒地區(qū)混凝土基床結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)砟軌道平順性的影響

胡海波 閻 亮 金 洲

(中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng) 100013)

1 概述

高速鐵路的顯著特征之一是軌道具有高平順性，故要求軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很好的穩(wěn)定性。在高寒地區(qū)，為了有效避免季節(jié)性凍土的凍脹循環(huán)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響，以橋代路[1]是切實(shí)可行的措施；對(duì)于不可避免的路基段，除了滿足一般性路基設(shè)計(jì)原則[2]及現(xiàn)行規(guī)范[3]外，還需要采用防凍脹設(shè)計(jì)，主要包括防凍脹路基結(jié)構(gòu)、填料和綜合防排水技術(shù)三個(gè)方面[4]。文獻(xiàn)[5]提出一種極寒條件下“瀝青混凝土+級(jí)配碎石+底層”的基床結(jié)構(gòu)并從理論上進(jìn)行了分析，但該種結(jié)構(gòu)并未在我國(guó)實(shí)施，缺少相應(yīng)的實(shí)際檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。完全的混凝土基床結(jié)構(gòu)在我國(guó)應(yīng)用較多，可通過(guò)對(duì)混凝土基床的長(zhǎng)度、厚度、寬度、混凝土標(biāo)號(hào)等參數(shù)的設(shè)計(jì)，使基床結(jié)構(gòu)因溫度變化所產(chǎn)生的形變受到控制，形變量可通過(guò)理論計(jì)算或路基沉降監(jiān)測(cè)來(lái)獲取[6-8]。對(duì)于已建成軌道而言，更有效的做法是通過(guò)長(zhǎng)期的軌道測(cè)量來(lái)評(píng)估混凝土基床溫度形變所造成的影響。

目前，混凝土基床結(jié)構(gòu)溫度形變對(duì)軌道平順性影響的研究在國(guó)內(nèi)外少見文獻(xiàn)報(bào)道，對(duì)于精調(diào)工作時(shí)機(jī)的確定也缺乏數(shù)據(jù)支撐。以下結(jié)合東北某新建高鐵軌道精調(diào)工作，選取一處混凝土基床結(jié)構(gòu)地段作為試驗(yàn)段，進(jìn)行軌道精調(diào)并使線路達(dá)標(biāo)，然后采用相對(duì)軌檢小車按照每月至少一次的頻率對(duì)軌道進(jìn)行復(fù)查，持續(xù)時(shí)間為一年，以此查明混凝土基床受溫度變化影響產(chǎn)生形變的規(guī)律，提前研判軌道幾何尺寸超限風(fēng)險(xiǎn)，為日后養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支撐。

2 混凝土基床的結(jié)構(gòu)特征

基床混凝土分為路堤段基床混凝土和路塹段基床混凝土兩種形式。

路堤段混凝土基床頂寬8.9 m；厚1.48 m，從上至下依次為C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚0.98 m。

路塹段混凝土基床頂寬8.9 m；厚1.9 m，從上至下依次為C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚1.4 m。

對(duì)于路塹段，根據(jù)地層巖性的不同，采用如下的換填措施。

(1)硬質(zhì)巖地段：鑿除路基面以下0.2 m范圍內(nèi)原地層，用高壓水沖洗后，澆筑C35素混凝土封層。

(2)軟質(zhì)巖，土質(zhì)，黃土及膨脹土、巖地段：換填0.5 m厚C35混凝土，其下為C20混凝土。

混凝土基床兩側(cè)路基面鋪筑C30混凝土預(yù)制塊，其下設(shè)置0.1 m厚砂礫反濾層，墊層底面設(shè)置一層兩布一膜不透水土工布(600 g/m2)，土工布以下設(shè)置0.1 m厚三七灰土墊層。

線間每隔30 m設(shè)置集水井集中排水，并在混凝土基床之間設(shè)置伸縮縫[9]。

3 混凝土基床路基形變的發(fā)現(xiàn)過(guò)程

某新建高速鐵路下行599+830 m～600+241 m范圍為混凝土基床路基段，長(zhǎng)度約為410 m。該段路基于2017年1月11日完成軌道精調(diào)工作，并在-15～3 ℃環(huán)境溫度下，采用相對(duì)軌檢小車進(jìn)行了軌道檢測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理分析，得到軌距、超高、平順性等軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)[10-12]，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[13，14]要求。2017年4月25日，在5～20 ℃環(huán)境溫度下再次對(duì)該區(qū)段進(jìn)行復(fù)測(cè)，兩次軌道檢測(cè)獲取的30 m弦短波軌向及高低數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。

圖1 兩期軌道30 m弦短波軌向數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖1可知，在環(huán)境溫度變化約為20 ℃的情況下，兩期軌道30 m弦短波軌向吻合較好，均處于±1 mm以內(nèi)，軌向變化量處于-0.3～0.4 mm之間，且90%以上處于±0.2 mm以內(nèi)。30 m弦短波高低數(shù)據(jù)(如圖2)：2017年1月11日顯示處于±1 mm以內(nèi)(波形正常)，2017年4月25日的數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出正弦波狀的周期性變化，幅值也較上一期數(shù)據(jù)有了明顯的增大，兩期數(shù)據(jù)軌道高低變化量處于±1.9 mm之間，且變化量絕對(duì)值大于0.5 mm的比例為60.5%。由此可見，隨著溫度的變化，混凝土基床形變對(duì)軌道平順性造成了不利影響，且主要影響了軌道高低平順性，軌向平順性則變化不大。因此，以下主要從高低的角度來(lái)分析混凝土基床形變對(duì)軌道平順性的影響。

圖2 兩期軌道30 m弦短波高低數(shù)據(jù)對(duì)比

4 混凝土基床形變對(duì)無(wú)砟軌道高低平順性的影響分析

為進(jìn)一步分析混凝土基床形變對(duì)軌道高低平順性的影響，將599+830 m～600+241 m確定為試驗(yàn)段，試驗(yàn)時(shí)間暫定為一年，在試驗(yàn)期間該段線路不進(jìn)行任何養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，以排除其他可能因素對(duì)軌道平順性的影響。試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，每個(gè)月均采用相對(duì)軌檢小車對(duì)該段軌道進(jìn)行一次檢測(cè)，以獲取軌道的各項(xiàng)內(nèi)外部幾何狀態(tài)指標(biāo)，計(jì)算靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)并同時(shí)記錄環(huán)境溫度。從2017年1月11日至2017年12月22日，共進(jìn)行了10次軌道數(shù)據(jù)采集。

4.1 軌道高低平順性的時(shí)間變化

在10期軌道檢測(cè)數(shù)據(jù)中，環(huán)境最低溫度為-15 ℃，檢測(cè)時(shí)間為2017年1月11日，高低最大值為0.8 mm，最小值為-1.0 mm，幅值為1.8 mm；環(huán)境最高溫度為36 ℃，檢測(cè)時(shí)間為2017年8月21日，高低形變最大值為2.06 mm，最小值為-2.11 mm，幅值為4.17 mm；當(dāng)溫度逐漸回落到-11 ℃時(shí)，檢測(cè)時(shí)間為12月22日，高低形變最大值為0.67 mm，最小值為-1.16 mm，幅值為1.83 mm，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度影響下軌道高低幅值變化

由表1可知，隨著四季的變化，環(huán)境溫度呈現(xiàn)周期性變化，軌道高低幅值也呈現(xiàn)時(shí)間上的周期性變化，當(dāng)溫度變化一個(gè)周期時(shí)，軌道高低也變化一個(gè)周期。為進(jìn)一步觀察這種周期變化趨勢(shì)，選取里程為600+160.3 m的波谷及里程為600+165.3 m的波峰，此兩處位置在一個(gè)溫度周期內(nèi)的高低變化如圖3所示。

圖3 波峰及波谷在一個(gè)溫度周期內(nèi)的高低周期性變化

4.2 軌道高低平順性的空間變化

試驗(yàn)段路基的混凝土基床按照11.3 m的固定長(zhǎng)度逐段施工，其兩端設(shè)置伸縮縫。為了查明這種混凝土基床結(jié)構(gòu)在溫度變化下的形變對(duì)軌道高低平順性的影響，在采用相對(duì)軌檢小車進(jìn)行軌道檢測(cè)前，對(duì)試驗(yàn)段的每一根軌枕進(jìn)行編號(hào)，軌道測(cè)量時(shí)從起點(diǎn)的軌枕開始，到終點(diǎn)的軌枕結(jié)束，中間的軌枕采用軌檢小車的軌枕識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，則能夠得到每一根軌枕的里程。采用上述方法，連續(xù)測(cè)量試驗(yàn)段的400 m軌道，計(jì)算每根軌枕的30 m弦短波高低平順性，2017年8月21日的測(cè)試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 軌道短波高低在線路里程方向的周期性變化

由圖4可知，在線路里程方向，軌道的短波高低呈現(xiàn)明顯的正弦波狀周期變化，波峰值基本保持一致(均值為1.33 mm)，波峰之間距離的平均值為11.4 m；波谷值也基本保持一致，均值為-1.53 mm，波谷之間距離的平均值為11.5 m。由此可見，正是由于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為11.3 m的混凝土基床的形變，導(dǎo)致了軌道短波高低的周期性變化，且波長(zhǎng)也與混凝土基床的長(zhǎng)度基本一致。

4.3 靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)的影響分析

每期數(shù)據(jù)采集完成后，以200 m為一個(gè)單元，計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的軌距、水平、三角坑、左軌向、右軌向、左高低、右高低等7項(xiàng)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，以計(jì)算靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)TQI(Track Quality Index)值。有

(1)

式(1)中，σi為各項(xiàng)軌道幾何偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，有

(2)

根據(jù)式(1)及式(2)，計(jì)算2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值，如表2所示。

表2 四期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值 mm

表2數(shù)據(jù)表明，隨著溫度的變化，軌道的軌距、水平、三角坑、左軌向、右軌向等5項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差變化不大，基本保持穩(wěn)定；左高低及右高低的標(biāo)準(zhǔn)差則隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減小；由于左右軌高低的這種變化，導(dǎo)致TQI值也隨之起伏變化。2017年1月11日的TQI值小于2，表明軌道整體幾何狀態(tài)質(zhì)量很好，中間兩期數(shù)據(jù)的TQI值大于3，表明軌道幾何狀態(tài)質(zhì)量下降較大，隨著溫度回落，最后一期數(shù)據(jù)的TQI值則又回到2以下。10期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值的變化情況如圖5所示，可以明顯地看出，由于左右軌高低的變化，使得TQI值也發(fā)生了相同趨勢(shì)的變化。

圖5 10期數(shù)據(jù)軌道各單項(xiàng)幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值分布

5 混凝土基床形變對(duì)軌道平順性影響的規(guī)律及對(duì)策建議

綜上所述，在高寒地區(qū)建設(shè)高速鐵路，所采用的混凝土基床雖然維持了軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但對(duì)軌道平順性的不利影響并未完全消除。隨著一年四季環(huán)境溫度的周期性變化，以及混凝土基床在線路方向長(zhǎng)度為11.3 m的結(jié)構(gòu)分布，使軌道高低平順性在時(shí)間及空間上都呈現(xiàn)出一種顯著的周期性變化，并最終導(dǎo)致軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)也呈現(xiàn)相同的變化趨勢(shì)。當(dāng)溫度回到軌道精調(diào)時(shí)的溫度區(qū)間時(shí)，軌道的各項(xiàng)幾何參數(shù)指標(biāo)及TQI值也基本回到精調(diào)時(shí)的狀態(tài)。2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期的軌道高低數(shù)據(jù)如圖6所示，可很直觀地反映這種周期變化。

圖6 四期數(shù)據(jù)軌道高低變化分布

綜合對(duì)比軌道高低平順性、高低峰值、靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)等指標(biāo)，結(jié)合軌道監(jiān)測(cè)時(shí)的環(huán)境溫度，發(fā)現(xiàn)在溫度處于2～10 ℃時(shí)，軌道高低平順性指標(biāo)變化幅度較小，各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)較為均衡，與精調(diào)完成時(shí)的軌道狀態(tài)較為接近。因此，建議2～10 ℃作為高寒地區(qū)高速鐵路混凝土基床段線路的軌道精調(diào)作業(yè)窗口，從而使軌道平順性的全年變化趨于平衡。

6 結(jié)束語(yǔ)

高寒地區(qū)高速鐵路路基段可采用混凝土基床來(lái)預(yù)防凍害，以達(dá)到維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及軌道平順性的目的。通過(guò)對(duì)某新建高鐵路基段混凝土基床為期一年的軌道監(jiān)測(cè)，在不同環(huán)境溫度情況下，混凝土基床結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的形變，進(jìn)而對(duì)軌道的軌向及高低平順性產(chǎn)生影響，其中軌向受影響的幅度較小，高低受影響的幅度較大。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析表明，由混凝土基床形變導(dǎo)致的軌道高低平順性變化呈現(xiàn)出明顯的周期性特征：當(dāng)溫度升高時(shí)，高低變化的幅值增大，溫度降低時(shí)，高低變化的幅值回落；在線路里程方向則以混凝土基床11.3 m的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為周期呈正弦變化。建議在環(huán)境溫度為2～10 ℃時(shí)開展軌道精調(diào)工作，使軌道全年的高低平順性變化趨于均衡，便于軌道平順性管理。