高速鐵路III型軌枕裂紋成因淺析

李忠成 田博 呂瀚昌

摘 要：我國高速鐵路軌道形式分為有砟軌道和無砟軌道兩種，其中有砟軌道均采用III型預應力混凝土軌枕。隨著使用年限的增加，軌枕病害隨之而來，要避免軌道板病害的產生，必須從各個環節注重，采取相應的措施，提前治理預防軌枕病害的產生，本文對高速鐵路III型軌枕裂紋成因進行簡要分析。

關鍵詞：軌枕;裂紋;防治

一、混凝土軌枕分類及概述

高速鐵路軌枕功能是承受來自鋼軌的各向壓力、把力傳遞給道床、有效地保持軌道幾何尺寸，以及保持好水平位移。軌枕類型按照材質可分為木枕、混凝土枕、鋼枕、樹脂枕，按照使用目的可分為普通軌枕、岔枕、橋枕，按照結構型式又可分為整體式、組合式、 半枕、寬軌枕，按照構造及鋪設方法可分為橫向軌枕、縱向軌枕和短枕。中國預應力混凝土枕從研究、生產到推廣應用，已持續了半個多世紀，產量超過1億根。目前，我國鐵路混凝土枕主要有I型混凝土枕、II型混凝土枕和III型混凝土枕。其中，高速鐵路正線都是采用III型混凝土枕。III型混凝土枕設計標準為軸重23噸，每公里配置1667根，枕型尺寸設計優化，加寬軌底，增加支撐面積，提高線路穩定性和承載力。

二、裂縫對III型混凝土軌枕使用壽命影響

由于除了站區外絕大多數軌道結構都處于露天室外，混凝土本身的密實性會讓水和空氣不會滲入其內部，但是當軌枕裂縫發展到一定寬度后，裂縫深度達到保護層，水和空氣會逐漸滲入鋼筋之中。裂紋有所發展，造成鋼筋銹蝕。鐵銹是一種鐵化合物，體積膨脹比鋼筋大四倍?；炷羶炔繎е禄炷吝M一步開裂，降低了預應力鋼筋與混凝土的粘結力，從而影響III型混凝土軌枕的承載力。軌枕中鋼筋腐蝕速率與鋼筋所處環境的堿度有關。酸度越弱，鋼筋防腐效果越佳。當結構混凝土出現裂縫時，水進入鋼筋，引起氧化、鋼筋腐蝕，空氣進入裂縫，引起混凝土碳化，降低PH值，加深鋼筋腐蝕。研究表明，只有當結構混凝土裂縫達到一定寬度時，水和空氣才能滲入裂縫中，從而引起鋼筋的腐蝕。根據國內外規范，鋼筋混凝土結構允許裂縫寬度為0.1mm至0.3mm，預應力混凝土結構不允許裂縫均勻。其目的是保證不銹鋼棒的腐蝕。

三、高速鐵路III型混凝土軌枕裂紋類型

1.縱向和橫向裂紋：這種裂紋發生在III型混凝土軌枕兩側的下部。一般來說，裂縫較小，寬度小于0.1mm，長度不超過中和軸。鋼軌接頭處的III型混凝土軌枕，軌下垂直裂縫率為60%。裂紋的寬度和長度比鋼軌下的要嚴重。III型混凝土軌枕中的正、負力矩裂縫相互連接形成圓裂縫，有的III型混凝土軌枕出現多條圓裂縫。

2.III型混凝土軌枕頂部螺栓孔的裂縫：這種裂縫通常從螺栓孔的起點逐漸延伸到III型混凝土軌枕的中間和末端。其中一些總是被分割到最后，導致分割。嚴重情況下的裂縫寬度為3mm至5 mm。沿III型混凝土軌枕頂部的螺栓孔縱裂是預應力混凝土III型混凝土軌枕中最常見的裂縫。它不僅擁有運營多年的III型混凝土軌枕，而且還擁有備用III型混凝土軌枕，甚至是尚未生產的III型混凝土軌枕。軌枕中產生的橫向裂紋，多數與其線路上列車所運行的方向同向。

3.枕端中間縱向裂紋：端部縱向裂紋部分出現在枕端頂部和底部，部分出現在枕端兩側，與鋼筋大致平行。III型混凝土軌枕中部的縱向裂縫出現在III型混凝土軌枕中部的頂部和側面，與鋼筋方向平行。裂紋長度可達30mm至110mm，寬度約為0.5mm至3mm，最大可達5mm。

4.高速鐵路III型混凝土枕失效：高速鐵路III型混凝土枕失效標準是，斷裂明顯，環縫寬度大于0.5mm，承軌槽表面破碎，肩部嚴重損傷，縱向裂縫寬度大于0.5mm，長度大于全長的一半，兩釘孔間的裂縫寬度承軌槽間距大于0.5mm，延伸至III型混凝土軌枕端部或III型混凝土軌枕中部;承軌槽裂紋錯開，造成嚴重的雜物和鋼筋。根據規定，當III型混凝土軌枕發生故障時，應將III型混凝土軌枕從線路上更換下來，以保證行車安全。根據對調查和試驗的研究分析，隨著車輛密度的增加，從軌道上更換III型混凝土軌枕的難度越來越大。如今，隨著混凝土修補材料和修補技術的不斷發展，人們認為只有裂縫才能使III型混凝土軌枕失效，因為III型混凝土軌枕的承載力和其他性能并未降低，但是軌枕裂縫及其發展后產生的危害，會隨著時間的推移給線路質量甚至安全帶來不可忽視的影響。

四、高速鐵路III型混凝土軌枕裂縫原因分析

1.外部環境因素：III型混凝土軌枕的制作與鋪設、冷熱、干濕、凍融等對作業過程的影響。當蒸汽養護過程中溫度迅速升高，且恒溫很高時，混凝土中空氣、水、水泥、砂、石等不同材料的熱膨脹系數不同，混凝土的初始結構強度很低，熱膨脹系數較高。溫度使空氣和水膨脹大，造成混凝土內部結構缺陷，易造成III型混凝土軌枕表面，特別是III型混凝土軌枕端部。頭部表面的混凝土開裂、松動。在出廠時，只有輕微裂紋或隱性裂紋的III型混凝土軌枕會受到振動、沖擊和疲勞載荷，以及外部環境干燥和濕潤周期的變化、凍融周期的影響，這也會增加裂紋的寬度和長度。

2.III型混凝土軌枕混凝土保護層因素：①III型混凝土軌枕制作過程中鋼筋位置不準確，使得其保護層厚度達不到標準;②混凝土澆筑過程中，沖擊不密實，鋼筋布置過密，鋼筋處混凝土不密實，模板接縫不嚴，造成蜂窩、麻面、漏漿，穿孔。混凝土表面和內部;③混凝土保護層裂縫是由于養護不良或混凝土使用過程中的收縮、徐變、荷載等因素引起的。

3.搬運和運輸規則：①III型混凝土軌枕應分開分批存放，不合格III型混凝土軌枕應分開存放;②軌枕在儲運過程中應水平放置枕底朝下。每兩層用木條或其他墊子墊一次。墊層的厚度取決于III型混凝土軌枕的形狀，但III型混凝土軌枕之間應留有一定的間隙，墊層應上下對齊;③裝卸III型混凝土軌枕時，應采用吊裝方法。嚴禁碰撞、碰撞、墜落和投擲;④臥鋪運輸要固定好，嚴禁碰撞。

4.裂縫觀測方法：①采用帶照明裝置的五倍放大鏡觀察裂紋;②裂紋高度測量的應用精度為1 mm;③在距離受試截面兩側拉伸邊緣15 mm處測量裂紋位置;④用20倍讀數放大鏡和照明裝置觀察裂紋寬度，讀數精度為0.01mm。

結語：

高速鐵路的軌道形式可分為有砟軌道與無砟軌道，我國的高速鐵路有砟軌道均采用III型預應力混凝土軌枕。隨著使用年限的增加，有砟軌道軌枕病害隨之而來。本文主要針對高速鐵路III型混凝土軌枕病害類型，分析高速鐵路III型混凝土軌枕病害特點，結合實際病害進行分析，從而從根本上對病害進行分析解決并制定預防措施。本著安全第一、預防為主、綜合治理的方針，確保營業線鐵設備和運行安全，在技術上可靠、經濟上合理、滿足工期要求、注意節約能源、合理利用機具、保證行車安全前提下合理制定軌道維修計劃，提高設備使用壽命。

參考文獻：

[1]《高速鐵路工務安全規則》;鐵運[2014]170號，中國鐵道出版社

[2]《高速鐵路無砟軌道維修規則》;鐵運[2012]83號，中國鐵道出版社

[3]《鐵路線路修理規則》;鐵運[2006]146號，中國鐵道出版社

[4]《高速鐵路軌道工程施工技術指南》;鐵建設[2010]241號，中國鐵道出版社