高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道預防性加固方案及應用

趙虎 李秋義 黃傳岳 姜子清 王永華 劉文

（1.西南交通大學，成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；4.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國應用最多的無砟軌道結構形式之一，全路共鋪設8858 km，約占高速鐵路總運營里程的30%，涉及多條長大干線。受多種因素影響，高溫脹板上拱病害的發生時間、地點存在一定的隨機性，已成為CRTSⅡ型板式無砟軌道安全運營的主要風險源。

高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道采用現澆寬窄接縫和6 組張拉鎖件實現預制軌道板的縱連，與縱連CA 砂漿層以及縱連底座板/支承層共同形成縱連軌道體系，實際形成了多層縱連體系。隨著CA 砂漿黏結性能逐漸劣化，軌道板與底座板/支承層不能完全形成整體受力，削弱了軌道結構豎向抗彎剛度，穩定性下降。隨著寬窄接縫破損、CA 砂漿脫黏粉化等軌道結構病害［1-6]逐年積累，盡管原設計中已充分考慮溫度荷載的影響［7-8]并將其作為主控荷載之一，但在極端連續高溫條件下仍會發生軌道高溫脹板上拱病害，直接影響線路平順性。

CRTSⅡ型板式無砟軌道脹板問題已經引起各方高度重視。2018年之前，主要采取加密巡檢、重點盯防、及時處置的處理方式，總體屬于應急模式，未能預防風險及有效遏制脹板發生的不確定性。中國鐵路總公司多次對脹板預防和徹底整治技術開展專項研究，尚未形成徹底整治方案。本文對CRTSⅡ型板式無砟軌道開展預防性加固技術研究，在維持既有縱連體系前提下，從結構上控制軌道結構變形尤其是板端上拱變形，對軌道結構穩定性尤其是豎向穩定性進行預防性補強，降低脹板風險及危害。

1 預防性加固方案

1.1 方案定位

預防性加固方案定位為形成徹底整治方案之前的過渡性方案，旨在主動開展預防性防脹工作，增強軌道結構穩定性，以預防突發性脹板為主要目標，保證過渡期間安全運營。

預防性加固方案在既有結構體系上作防脹加固和補強，控制軌道板上拱變形，最大限度保證行車安全，并沒有消除軌道板中的溫度應力，也并非徹底整治方案。同時要為徹底整治預留條件，不對軌道結構體系作重大調整與改變。

1.2 方案內容

借鑒建設期植筋及近年來高溫脹板整治經驗，對華東地區夏季典型高溫區域內的CRTSⅡ型板式無砟軌道進行預防性加固。針對路基、橋梁、隧道及過渡段等不同線下基礎的實際條件，在現有防脹技術的基礎上優化軌道板加固植筋的數量及位置。預防性植筋錨固可以補強軌道結構抵抗溫度變形的能力，一定程度上降低高溫脹板的安全風險及危害，有效控制可能影響行車安全的突發性、大位移量的軌道板上拱變形，實現對軌道板的全面補強和加固。

常規區段預防性植筋加固方案如圖1所示。在每塊軌道板兩端分別植入2根銷釘。路基和橋梁區段均采用長350 mm 的HCC-DCTφ27 銷釘，植筋孔徑最大為32 mm，孔內灌植筋膠固定銷釘。由于路基上支承層厚度大于橋上底座板，路基區段鉆孔深度設計為400 mm，橋梁區段為390 mm，其余各項參數均一致。由于軌道板與底座板存在一定幅值的相對錯動，在CA砂漿層位置處形成銷釘的剪力疲勞區。

圖1 常規區段軌道板植筋方案（單位：mm）

對于特殊區段，如端刺區路橋結合部、大跨度連續梁梁縫位置處、小曲線半徑大超高地段、路隧過渡段、軌道病害較突出區段等，植筋數量略有提高。端刺區以建設期既有的每塊板16根銷釘為基礎，以漸變遞減的方式分別向線路兩端進行植筋加固；大跨度連續梁梁縫位置處以建設期8 根銷釘為基礎，以漸變遞減的方式分別向線路兩端進行植筋加固。植筋分布以軌道板兩端均勻分布為原則。

2 有限元仿真分析

2.1 確定溫度荷載

為掌握軌道結構溫度的特性和規律，在華東典型高溫區域內對多個路基及橋梁地段分別進行布點測試。以滬杭（上海—杭州）高速鐵路海寧西站測試結果為例，路基地段的軌道結構溫度曲線見圖2。統計各線路測試結果表明，在華東典型高溫地區，軌道板的整體升溫幅值及溫度梯度幅值在夏季都將達到明顯峰值。整體升溫幅值在全年周期內接近60 ℃，正溫度梯度最大可達到甚至超過100 ℃/m。

圖2 路基地段軌道結構溫度曲線（海寧西站）

根據現場測試數據，溫度荷載選取為軌道板整體升溫55 ℃+底座升溫30 ℃+鋼軌升溫50 ℃。

2.2 建立有限元模型

為了驗證植筋錨固的力學性能，建立有限元模型，對連續80 m 長的軌道板及植筋受力進行分析。建模時，采用標準60 kg/m 鋼軌，扣件為WJ-8 型；軌道板長6.45 m，寬2.55 m，厚0.20 m；CA 砂漿層厚30 mm；支承層寬2.95 m，厚0.30 m；軌道板和支承層密度為2500 kg/m3；銷 釘 長350 mm，直 徑27 mm，采 用HRB500鋼筋。軌道結構部分主要性能參數見表1。

表1 軌道結構部分主要性能參數

模型中，鋼軌采用梁單元模擬；扣件系統采用彈簧單元模擬；軌道板采用梁單元模擬（考慮彎壓）；砂漿層僅考慮其支承效應，采用彈簧單元模擬；支承層采用梁單元模擬。各計算參數按照設計值輸入。根據現場情況，模型中同時考慮下列因素：每道窄接縫存在20%的傷損初始缺陷，即高度方向20%的混凝土失效；軌道板與CA 砂漿層間存在不小于4 mm 的離縫；4根銷釘的錨固效應。有限元模型如圖3所示。

圖3 軌道結構有限元模型

2.3 計算結果及分析

輸入溫度荷載，計算軌道結構及銷釘的受力情況。軌道結構豎向截面及銷釘的應力云圖見圖4。

圖4 溫度荷載作用下軌道結構及銷釘應力云圖（單位：MPa）

由圖4可知：①在溫度荷載作用下，銷釘周圍的軌道結構混凝土存在一定的應力集中，但影響范圍很小且應力集中所帶來的應力增加幅度不大，總應力處于材料強度安全范圍內。植入銷釘對軌道結構整體受力影響十分有限。②在溫度荷載作用下，銷釘的受力主要表現為上下兩端受拉、中部受剪。由于軌道板與底座板/支承層存在空間相對位移，銷釘受力本質上是拉、剪、彎的三向應力狀態，分別對應銷釘錨固體系的抗拔性能、限制軌道板與底座板/支承層之間的縱向相對位移的能力、軌道結構空間變形下銷釘的協調變形能力。由于銷釘自身的受力安全系數較高，在溫度荷載條件下起控制作用的是銷釘周圍混凝土的破壞。

溫度荷載作用下，計算預防性加固后軌道板豎向位移，并與未加固時進行對比，結果見圖5。其中節點號為分析模型節點編號，表征軌道板節點位置。

圖5 溫度荷載作用下軌道板豎向位移

由圖5可知，預防性加固后，軌道板板端及板中變形均顯著下降，植筋錨固有效限制了軌道板豎向位移，軌道板更加穩固。這是因為植入銷釘后，軌道板與底座板/支承層在縱向、橫向、豎向上的耦合受力均得以增強。

3 加固方案的應用

將加固方案應用于華東地區京滬、滬杭等多條高速鐵路。在進行預防性加固工程時，在端刺區路橋過渡段等特殊區段埋設傳感器，實時監測表征預防性加固效果的關鍵參數，包括軌道結構溫度、軌道板與底座板縱向相對位移、軌道板板端與底座板豎向相對位移、寬接縫寬度變化量、銷釘受力等，并與未加固地段進行對比。端刺區典型測試結果見圖6。

圖6 端刺區典型測試結果

由圖6（a）可知：預防性加固后的端刺區軌道板與底座板的縱向相對位移顯著減小，這表明預防性植筋錨固可以有效抑制軌道板由于CA 砂漿黏結失效導致的縱向竄動，緩解軌道板接縫處由于高溫導致的縱向相對擠壓；加固后的軌道板與底座板縱向相對位移日變化量低于未加固地段，這表明加固后軌道板與底座板的縱向相對位置關系更加穩定，二者的縱向同步性得以增強。

由圖6（b）可知：預防性加固后的端刺區軌道板板端與底座板豎向相對位移顯著減小，軌道板上拱趨勢得到有效削減；板端豎向相對位移日變化量明顯低于未加固地段，這表明預防性加固可以有效增強軌道板的豎向穩定性，降低脹板上拱風險。

由圖6（c）可知：預防性加固后的端刺區寬接縫寬度變化峰值低于未加固地段，寬接縫的幾何狀態更加穩定；加固后寬接縫寬度日變化量明顯低于未加固地段，這表明預防性加固可以有效緩解寬接縫的受力，明顯降低寬接縫擠潰風險。

由圖6（d）可知：預防性加固后，端刺區銷釘受力絕對值及變化值均較小，遠小于設計受力，銷釘處于安全穩定狀態。這也證明加固后軌道結構狀態更加穩定，尤其是豎向穩定性得以加強。

4 結語

為降低CRTSⅡ型板式無砟軌道在持續高溫條件下軌道板高溫上拱的風險及危害，本文提出了軌道板防脹植筋預防性加固方案。通過建立有限元仿真模型，計算了溫度荷載作用下軌道結構及銷釘的受力情況和軌道板的豎向位移。結果顯示，該方案可有效限制軌道板豎向位移，滿足抑制脹板的技術需求。

將該方案應用于實際線路，并測試了表征軌道結構總體穩定性的關鍵參數。結果顯示，采用軌道板植筋錨固可有效限制軌道板與底座板/支承層的縱向相對位移，軌道板縱向竄動趨勢顯著下降，相鄰軌道板之間的相互擠壓得以有效緩解；可顯著降低軌道板與底座板/支承層的豎向相對位移，加強二者耦合受力，提高軌道穩定性，降低高溫脹板風險；可削減寬接縫寬度的變化幅度，改善寬接縫受力，降低其擠潰風險。

對2018年完成預防性加固的CRTSⅡ型無砟軌道進行跟蹤調查，結果顯示，高溫期間運營狀態良好，整體達到了覆蓋性全面補強軌道結構穩定性的預期目標。