CRTSⅡ型板式無砟軌道穩定性分析及養修建議

譚社會 方文珊 林超

（1.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；2.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司，北京 100038；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063）

CRTSⅡ型板式無砟軌道為連續型軌道結構，國內首次應用于京津城際鐵路，隨后在滬杭、京滬、京石武、寧杭、杭甬、杭長、合福等10 余條高速線路中大規模應用。目前我國CRTSⅡ型板式無砟軌道運營里程近9 000 km，鋪設范圍主要在華北、華東地區［1］。自投入運營以來，CRTS Ⅱ型板式無砟軌道總體使用情況良好，但在夏季極端氣候和持續高溫條件等因素作用下，個別薄弱地段出現過脹板病害［2-3］，已采用注膠、植筋加固等措施進行整治［4-7］。考慮高鐵高安全性、高穩定性的需求，結合目前運營狀況，開展運營期CRTSⅡ型板式無砟軌道結構穩定性分析很有必要。

本文以在線監測為技術手段，以結構薄弱地段為監測對象，以監測數據為參照基礎，分析軌道結構變化規律，以指導養護維修。

1 監測方案

1.1 工點概況

合福高速鐵路設計時速300 km，其中，蚌福聯絡線金寨路特大橋的蚌埠側橋臺臺尾86 m 摩擦板及臺前480 m 簡支梁處于小半徑曲線上（曲線半徑550 m，為全路CRTSⅡ型板式無砟軌道曲線半徑最小地段），橋臺前方的路橋過渡段為有砟無砟軌道結合部。在該處建立監測點，研究運營期CRTSⅡ型板式無砟軌道的穩定性。

1.2 監測方法

采用光纖光柵傳感器進行軌道結構溫度、位移和應力等參數的長期監測。與傳統的電參數測試技術相比，光纖光柵技術具有測量精度高、抗電磁干擾、無零漂、防水防潮性能好、長期使用性能穩定等優點，滿足高速鐵路長期監測的需要［8］。

1.3 監測內容及測點布置

現場共設置36 個測點（表1），其中溫度測點11個，監測氣溫、軌溫、軌道板溫度、底座板溫度、橋梁溫度；位移測點13個，監測鋼軌與軌道板相對位移、底座板與橋面相對位移；應力測點12 個，監測鋼軌伸縮附加力、側向擋塊混凝土應力。

表1 現場測點布設

2 溫度場分析

2.1 大氣溫度與軌道板溫度

根據監測數據，2015 年和2016 年軌道板溫度（簡稱板溫）與大氣溫度變化見圖1。可知：2015年的年最高氣溫、板溫分別為38.4，48.3 ℃；2016年的年最高氣溫、板溫分別為40.4，50.7 ℃；最高板溫（板中）比最高氣溫高約10 ℃。

圖1 2015年和2016年軌道板溫度與大氣溫度變化

2.2 軌道板垂向溫度梯度

2016年8—12月軌道板不同深度處溫度的變化見圖2。可知，軌道板不同深度存在溫度差。白天軌道板表面溫度高于軌道板底面，為正溫度梯度；夜間軌道板表面溫度低于軌道板底面，為負溫度梯度。

圖2 軌道板不同深度處溫度的變化

2016年8—12月軌道板垂向溫度梯度變化曲線見圖3。可知，從8 月到12 月，軌道板的溫度梯度呈減小趨勢。其中，2016 年8 月4 日，軌道板的正溫度梯度日最大值達到了89.4 ℃∕m，與規范設計值（90 ℃∕m）很接近［9-10］。

圖3 軌道板溫度梯度變化曲線

2.3 持續高溫對軌道板溫度的影響

持續高溫是指日最高氣溫≥35 ℃且持續時間不少于3 d［11-12］。2015 年的持續高溫期為7 月27 日—8 月5日，2016 年為7 月21 日—8 月19 日。這2 年的持續高溫期及其前后各3 d的板溫與氣溫見圖4。

圖4 持續高溫期及其前后各3 d的板溫與氣溫

從圖4 可知：①2015 年和2016 年的持續高溫期內軌道板日溫差變化平均值分別為12.9 ℃和13.2 ℃。②2015 年和2016 年，持續高溫開始前3 d 日最高板溫與日最高氣溫的溫差的平均值分別為5.7 ℃和7.1 ℃；持續高溫期內分別為8.4 ℃和9.7 ℃；持續高溫結束后3 d 分別為3.8 ℃和6.4 ℃。③2015 年，持續高溫第5天板溫達到最高值，為46.7 ℃，當日板溫與氣溫的溫差為9.4 ℃；2016 年持續高溫第4 天板溫達到最高值，為50.6 ℃，當日板溫與氣溫的溫差為10.4 ℃。

綜上，軌道板的溫度受氣溫影響很大，持續高溫期越長，板溫越高，與氣溫的差值越大。持續高溫4～5 d 時板溫達到最高值。因此，持續高溫超過3 d就須加強對現場的檢查，及時消除安全隱患。

3 位移分析

3.1 鋼軌與軌道板縱向相對位移

簡支梁橋上和端刺區段的鋼軌與軌道板縱向相對位移見圖5。

圖5 鋼軌與軌道板縱向相對位移

從圖5（a）可知，簡支梁橋上鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為0.9 mm（絕對值），且年變化量小于1.0 mm，說明CRTSⅡ型板式無砟軌道結構整體性好，不易出現脹軌跑道現象。在軌道結構良好的情況下，可適當減少防爬位移觀測樁的數量，但對特殊結構處（如道岔、鋼軌伸縮調節器）及結合部仍應長期觀測。

從圖5（b）可知，端刺區段鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為2.4 mm（絕對值），大于簡支梁橋上區段。這主要是因為端刺區段位于有砟無砟軌道分界點附近，由于有砟軌道道床縱向阻力比無砟軌道小，夏季鋼軌容易產生向有砟軌道方向移動的趨勢。但是鋼軌與軌道板縱向相對位移變化量在設計允許變化范圍內，說明小半徑曲線段的CRTSⅡ型板式無砟軌道結構縱向穩定性滿足要求。

3.2 垂向相對位移

圖6 軌道板板端與底座板垂向相對位移

軌道板板端與底座板垂向相對位移（翹曲量）見圖6。可知，板端翹曲量最大值為1.08 mm，出現在2016 年8 月4 日，而當天的溫度梯度值是年度最高值且接近規范設計值。說明在設計的溫度梯度范圍內，軌道板垂向穩定性變形滿足要求。

為進一步分析軌道板板端翹曲量與溫度梯度的關系，將高溫月份（2016 年8 月）軌道板與底座板垂向相對位移y與軌道板溫度梯度x進行擬合，見圖7。可知，二者存在明顯的線性相關性，相關系數為0.91。

圖7 軌道板板端翹曲量與溫度梯度的關系

4 鋼軌應力分析

簡支梁橋上和路基區段的鋼軌應力見圖8。可知：簡支梁橋上區段鋼軌全年處于受壓狀態，最大壓應力為118 MPa；路基區段鋼軌冬季受拉，最大拉應力為18 MPa，夏季受壓，最大壓應力為73 MPa。

圖8 簡支梁橋上和路基區段的鋼軌應力

5 結論

1）持續高溫期間最高軌道板溫度與日最高氣溫的差值較鄰近的非高溫期高約3 ℃，持續高溫第4～5天軌道板溫度達到最高。持續高溫超過3 d 就須加強對現場的檢查，以消除安全隱患。

2）簡支梁橋上區段鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為0.9 mm，且年變化量小于1.0 mm。CRTSⅡ型板式無砟軌道結構整體性好，可適當減少防爬位移觀測點數量，但對特殊結構處及結合部仍應長期觀測。

3）端刺區段的鋼軌與軌道板相對位移的最大值為2.4 mm，大于簡支梁區段，但在設計允許范圍內。小半徑曲線段的CRTSⅡ型板式無砟軌道結構縱向穩定性滿足要求。

4）軌道板與底座板的垂向相對位移與軌道板溫度梯度存在明顯的線性相關性。在設計溫度梯度范圍內，軌道板垂向穩定性滿足要求。

5）簡支梁上區段的鋼軌全年處于受壓狀態；路基區段的鋼軌冬季受拉，夏季受壓。