雙塊式無砟軌道軌枕成段開裂整治技術(shù)研究

徐凌雁

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

目前，我國高速鐵路和客運(yùn)專線主要采用無砟軌道結(jié)構(gòu)。無砟軌道結(jié)構(gòu)可分為預(yù)制板式無砟軌道和現(xiàn)澆混凝土道床式無砟軌道2大類。當(dāng)前，國內(nèi)應(yīng)用比較普遍的預(yù)制板式無砟軌道為CRTSⅢ型板式無砟軌道，而現(xiàn)澆混凝土道床式無砟軌道則為雙塊式無砟軌道。雙塊式無砟軌道自上而下主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、隔離層、底座、凹槽周圍彈性墊層等部件組成[1]。與板式軌道相比，預(yù)制軌枕布置靈活，制造簡(jiǎn)便；采用框架法施工，施工工藝簡(jiǎn)單，效率高；省去了軌道板預(yù)制、運(yùn)輸成本，工程造價(jià)低[2]。因此，雙塊式無砟軌道在工程中被廣泛采用。但是在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，由于受一些因素影響，軌枕出現(xiàn)了成段開裂現(xiàn)象[3]。本文主要針對(duì)雙塊式無砟軌道軌枕開裂原因及整治技術(shù)進(jìn)行研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)軌枕開裂情況

我國一高速鐵路全線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，經(jīng)實(shí)地復(fù)查發(fā)現(xiàn)在K233+300—K233+600段共有670根軌枕出現(xiàn)裂縫。裂縫出現(xiàn)的位置比較集中，主要為從套管處開裂，沿軌枕方向發(fā)展，裂縫與軌枕擋肩呈45°角，軌枕擋肩處出現(xiàn)橫向裂縫。具體開裂方式如圖1—圖3所示。

圖1 承軌槽凹槽底部裂縫

圖2 軌枕擋肩裂縫

圖3 沿預(yù)埋套管沿伸的承軌臺(tái)裂縫

此地段出現(xiàn)裂縫的軌枕在預(yù)制時(shí)間上無規(guī)律性，年份分別為2011,2012,2013年。線路的內(nèi)外股均有軌枕出現(xiàn)裂縫，曲線外股裂縫偏多。其中線路上行段有370根，下行段有300根，裂縫寬度大于0.20 mm 的有4根，最大裂縫寬度為0.28 mm，其余均小于0.20 mm。

2 雙塊式軌枕受力檢算

2.1 計(jì)算荷載

2.1.1 軌枕設(shè)計(jì)荷載

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，作用于鋼軌的列車豎向、橫向設(shè)計(jì)荷載取值如下：

作用于鋼軌的列車豎向設(shè)計(jì)荷載為

P1d=α1P1j

(1)

式中：P1d為作用于鋼軌的列車豎向設(shè)計(jì)荷載；α1為動(dòng)載系數(shù)，設(shè)計(jì)速度300 km/h及以上線路取3.0，設(shè)計(jì)速度250 km/h線路取2.5；P1j為靜輪載。

作用于鋼軌的列車橫向設(shè)計(jì)荷載為

Q1=0.8P1j

(2)

式中：Q1為作用于鋼軌的列車橫向設(shè)計(jì)荷載。

按TB 2034—1988《鐵路軌道強(qiáng)度檢算方法》[5]，軌枕設(shè)計(jì)荷載與列車設(shè)計(jì)荷載滿足如下關(guān)系：

軌枕豎向設(shè)計(jì)荷載為

R1V=ηP1d

(3)

式中：R1V為軌枕豎向設(shè)計(jì)荷載；η為輪載分配系數(shù)。

軌枕橫向設(shè)計(jì)荷載為

R1H=ηQ1

(4)

式中：R1H為軌枕橫向設(shè)計(jì)荷載。

根據(jù)TB 2034—1988，輪載分配系數(shù)η取0.5，列車軸重按170 kN考慮，代入式(1)—式(4)中得到軌枕設(shè)計(jì)荷載取值，見表1。

表1 軌枕設(shè)計(jì)荷載取值

2.1.2 實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載

根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]，列車豎向、橫向最不利荷載取值如下：

1)考慮列車通過曲線時(shí)的偏載效應(yīng)時(shí)，作用于鋼軌的列車豎向設(shè)計(jì)荷載可表示為

P2d=(1+α2+β)P2j

(5)

式中：P2d為列車通過曲線時(shí)作用于鋼軌的列車豎向設(shè)計(jì)荷載；α2為速度系數(shù)；β為偏載系數(shù)；P2j為列車通過曲線時(shí)的靜輪載。

2)列車通過曲線時(shí)作用于鋼軌的列車橫向設(shè)計(jì)荷載，按未平衡離心力全部作用于外軌上進(jìn)行計(jì)算。

(6)

式中：Q2為列車通過曲線時(shí)作用于鋼軌的列車橫向設(shè)計(jì)荷載；Δh為未被平衡的最大超高；S為內(nèi)外股鋼軌中心距。

3)縱向力

根據(jù)TB 10015—2012，安裝WJ-8A型常阻力扣件時(shí)軌枕每個(gè)承軌臺(tái)可能出現(xiàn)的最大縱向力RL為15.6 kN。

4)實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載

實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕豎向荷載R2V為

R2V=ηP2d

(7)

實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕橫向荷載R2H為

R2H=ηQ2

(8)

根據(jù)該線路設(shè)計(jì)情況，按靜軸重170 kN，曲線半徑 7 000 m，未被平衡最大超高取110 mm，速度系數(shù)α2取1.0，偏載系數(shù)β取0.225，輪載分配系數(shù)同樣取0.5，代入到式(5)—式(8),可得實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載取值，見表2。

表2 實(shí)際線路條件最不利情況下軌枕荷載取值

2.1.3 軌枕設(shè)計(jì)復(fù)核檢算荷載取值

對(duì)比軌枕設(shè)計(jì)荷載、實(shí)際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載，可見軌枕豎向、橫向設(shè)計(jì)荷載均大于實(shí)際線路條件時(shí)的豎向、橫向荷載，進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)核檢算時(shí)，軌枕豎向、橫向荷載按兩者中較大的取值，縱向荷載按實(shí)際線路條件可能出現(xiàn)的最大縱向荷載取值，見表3。

表3 軌枕設(shè)計(jì)復(fù)核檢算荷載取值

2.2 受力檢算

利用以上得到的軌枕設(shè)計(jì)復(fù)核檢算荷載，對(duì)雙塊式軌枕的各項(xiàng)受力指標(biāo)進(jìn)行復(fù)核檢算[6-10]。

2.2.1 軌枕混凝土抗壓強(qiáng)度復(fù)核檢算

雙塊式軌枕承軌臺(tái)上扣件鐵墊板支承面積約為290 mm×158 mm，在豎向荷載128 kN作用下，軌枕承軌臺(tái)上的壓應(yīng)力σc為

軌枕采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，容許壓應(yīng)力為16.0 MPa。軌枕承軌臺(tái)壓應(yīng)力小于容許壓應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 雙塊式軌枕擋肩混凝土抗剪能力復(fù)核檢算

雙塊式軌枕擋肩橫向力的作用面積約為195 mm×155 mm，在橫向荷載34 kN作用下，擋肩承受剪應(yīng)力τ為

軌枕采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，容許剪應(yīng)力為1.75 MPa。擋肩承受剪應(yīng)力小于容許剪應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 雙塊式軌枕承軌臺(tái)縱向抗剪能力復(fù)核檢算

雙塊式軌枕承軌臺(tái)縱向力的作用面積約為290 mm×158 mm，在縱向荷載15.6 kN作用下，承軌臺(tái)承受縱向剪應(yīng)力τt為

軌枕采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60，容許剪應(yīng)力為1.75 MPa。承軌臺(tái)承受縱向剪應(yīng)力小于容許剪應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 軌枕開裂原因分析

雙塊式無砟軌道采用的軌枕為預(yù)制軌枕，在預(yù)制過程的澆筑、養(yǎng)護(hù)、脫模、搬運(yùn)等環(huán)節(jié)中，可能會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部細(xì)小裂縫。雖然在靜態(tài)無荷載條件下狀態(tài)完好，但在運(yùn)營(yíng)過程中，經(jīng)列車動(dòng)荷載、環(huán)境溫度荷載作用，潛在裂縫會(huì)逐漸擴(kuò)展，嚴(yán)重時(shí)擋肩混凝土便會(huì)失效。

造成擋肩混凝土開裂的另一重要因素是在鋼軌運(yùn)輸、鎖定過程中操作不當(dāng)。鋪設(shè)無縫線路時(shí)，鋼軌以500 m為單位長(zhǎng)度由長(zhǎng)軌條運(yùn)輸車拖卸至道床板承軌臺(tái)兩側(cè)，以及在鎖定過程中撞擊鋼軌，均易造成擋肩混凝土開裂。此外，長(zhǎng)軌條焊接、無縫線路應(yīng)力放散過程中，大型施工機(jī)械操作不當(dāng)也容易對(duì)軌枕的擋肩造成撞傷。

4 整治方案

TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中規(guī)定，雙塊式無砟軌道道床傷損等級(jí)分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級(jí)。對(duì)Ⅰ級(jí)傷損應(yīng)做好記錄，對(duì)Ⅱ級(jí)傷損應(yīng)列入維修計(jì)劃并適時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)Ⅲ級(jí)傷損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)[11]。

針對(duì)雙塊式軌枕的裂縫可按照以上不同評(píng)定等級(jí)進(jìn)行修補(bǔ)，當(dāng)修補(bǔ)不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm 時(shí)，須進(jìn)行雙塊式軌枕的更換。更換分為單根更換和連續(xù)更換，連續(xù)更換通過更換道床板實(shí)現(xiàn)。

4.1 單根軌枕更換

單根軌枕修補(bǔ)不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm 時(shí)，需對(duì)軌枕進(jìn)行更換。單根雙塊式軌枕更換按以下工藝施作：①松開扣件，抬升鋼軌至一定高度；②受損軌枕切割并取出；③取出軌枕位置的底部開鑿至少25 mm深空間；④切斷縱橫向鋼筋，暴露伸至相鄰軌枕盒的連接鋼筋；⑤混凝土表面鑿毛，同時(shí)清除鋼筋表面銹蝕及軌枕盒內(nèi)雜物；⑥安置更換的軌枕，確?？v向鋼筋間搭接；⑦調(diào)整鋼軌就位，安裝扣件；⑧精調(diào)并固定軌排；⑨潤(rùn)濕混凝土裸面，灌注混凝土；⑩混凝土與相鄰道床板找平，清理施工現(xiàn)場(chǎng)。

4.2 道床板更換

1)路基和隧道地段道床板更換

對(duì)于路基和隧道地段連續(xù)3根及以上雙塊式軌枕修補(bǔ)不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時(shí)，可成段更換道床板。更換時(shí)應(yīng)注意更換溫度與建設(shè)施工溫度接近?？砂匆韵鹿に囀┳鳎孩俨捎弥睆?0 mm、長(zhǎng)度500 mm的錨固鋼筋錨固受損軌枕兩側(cè)道床板；②將受損軌枕道床板扣件松開，并對(duì)鋼軌進(jìn)行切割；③按道床板厚度切割受損部位道床板至更換部分最后一根軌枕；④將受損道床板與下部基礎(chǔ)分離并起吊運(yùn)走；⑤將相鄰道床板混凝土鑿至露出縱向鋼筋后，對(duì)縱向鋼筋進(jìn)行除銹；⑥對(duì)道床板及下部基礎(chǔ)鑿毛，并清理施工現(xiàn)場(chǎng)；⑦根據(jù)原設(shè)計(jì)技術(shù)要求布設(shè)縱向鋼筋；⑧將鋼軌調(diào)整就位，并安裝扣件，精調(diào)軌排后固定；⑨支立模板，潤(rùn)濕道床板下部基礎(chǔ)混凝土，并將界面劑涂刷在新老混凝土的結(jié)合面；⑩根據(jù)要求澆筑C40混凝土；刮平混凝土至與相鄰道床板齊平，并對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理；對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并采用同等級(jí)無收縮砂漿填充孔洞；對(duì)混凝土進(jìn)行施工養(yǎng)護(hù)，至達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后恢復(fù)線路。

2)橋梁地段道床板更換

對(duì)于橋梁地段連續(xù)3根及以上雙塊式軌枕修補(bǔ)不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時(shí)，可成段更換道床板。道床板更換作業(yè)可按以下工藝施作：①將扣件松開，然后將鋼軌抬升到一定的高度；②分離道床板與對(duì)應(yīng)底座，將道床板起吊運(yùn)走；③清理施工現(xiàn)場(chǎng)；④按原設(shè)計(jì)圖紙布設(shè)下層鋼筋并擺放新軌枕，安裝工具軌，形成軌排；⑤架設(shè)軌排并用螺桿支撐架固定；⑥按原設(shè)計(jì)架設(shè)上層鋼筋；⑦在限位擋臺(tái)采用涂層鋼筋進(jìn)行絕緣；⑧架立模板，并焊連接地端子；⑨潤(rùn)濕混凝土底座及軌枕，精調(diào)軌距，然后進(jìn)行道床C40混凝土澆筑；⑩拆除螺桿支撐架后，采用同等級(jí)無收縮砂漿填充孔洞；對(duì)混凝土進(jìn)行施工養(yǎng)護(hù)，至達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后恢復(fù)線路。

5 結(jié)論

由于多種因素共同作用，一高速鐵路CRTSⅠ 型雙塊式無砟軌道采用的SK-2型軌枕出現(xiàn)了成段開裂現(xiàn)象，嚴(yán)重影響行車安全。本文依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)SK-2型雙塊式軌枕的混凝土抗壓強(qiáng)度、軌枕擋肩混凝土抗剪能力、軌枕承軌臺(tái)縱向抗剪能力進(jìn)行受力檢算，然后對(duì)軌枕開裂原因進(jìn)行分析，最后結(jié)合該高速鐵路線路實(shí)際情況提出了病害整治方案。主要結(jié)論如下：

1)在承受的最不利荷載作用下，SK-2型雙塊式軌枕的混凝土抗壓強(qiáng)度、軌枕擋肩混凝土抗剪能力、軌枕承軌臺(tái)縱向抗剪能力均滿足要求，可見，軌枕的設(shè)計(jì)滿足本線使用要求，建議整治時(shí)更換的新軌枕維持原設(shè)計(jì)，即軌枕采用SK-2型雙塊式軌枕，廠內(nèi)預(yù)制，圖號(hào)為通線[2011]2351-Ⅰ。

2)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道采用的SK-2型軌枕出現(xiàn)開裂現(xiàn)象與工廠制作、施工操作、運(yùn)營(yíng)使用等多種因素有關(guān)。

3)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，針對(duì)SK-2型雙塊式軌枕出現(xiàn)裂縫地段提出了整治方案。對(duì)裂縫寬度在0.3 mm 以下的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，當(dāng)修補(bǔ)不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時(shí)，采用軌枕更換的方式進(jìn)行處理，軌枕更換方式分為單根更換和連續(xù)更換，連續(xù)更換通過更換道床板實(shí)現(xiàn)。