有軌電車平交路口過渡段路面病害機理與對策

高鉑舜 肖鑫 姚青 江禮高

摘要：現代有軌電車平交路口段市政路面承受社會車輛和有軌電車兩種荷載作用，介于道路與鋼軌之間過渡區域的路面受力特征復雜，病害頻發，成為市政道路上的薄弱部位。為探究平交路口過渡段路面的病害機理，在現場病害調研的基礎上，對病害類型進行了統計與分類，同時建立了路-軌過渡區三維有限元模型，考慮社會汽車和有軌電車雙重荷載，分析了軌側路面結構的力學響應。現場調研結果表明，過渡區病害主要分布在軌側30 cm范圍，軌道附近路面沉降值大多分布在0～10 mm范圍，裂縫和軌道周邊材料剝落是主要的病害類型。力學分析結果表明，路面結構的承載力和強度不足、路面結構變形不協調、路面沉降下車輛荷載的沖擊作用，是造成路-軌過渡區發生破壞的重要內在機理。針對病害產生機理，提出在路面結構下方鋪設高模量混凝土以及在道路與軌道之間增設過渡區材料的處治對策。

關鍵詞：有軌電車;平交路口;力學機理;有限元分析

中圖分類號：U418 文獻標志碼：A

本文引用格式：高鉑舜，肖鑫，姚青，等. 有軌電車平交路口過渡段路面病害機理與對策[J]. 華東交通大學學報，2023，40（1）：117-126.

Mechanism and Countermeasure of Pavement Distresses

Occurring at Tramway Grade Crossings

Gao Boshun1， Xiao Xin1， Yao Qing2， Jiang Ligao2

（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education， Tongji University， Shanghai 201804， China;

2. Shanghai Urban Construction Municipal Engineering （Group） Co.， Ltd.， Shanghai 200065， China）

Abstract：The road surface at tram grade crossings has borne combined loads of passing vehicles and trams. The load conditions and distresses of this area are complicated and varied， which becomes relatively weak spots on municipal roads. In order to clarify the distress mechanism of this transition pavement at grade crossings， on the basis of field investigation， the statistics and classification of the distresses were carried out， and a 3D finite element model was established to analyze the mechanical response of the road-rail pavement structure， in which combined vehicle and tram loads were conducted. The field investigation results show that the distresses in this transition area are mainly distributed within 30 cm of the track side， and the settlement of pavement near the track is mostly distributed within 0～10 mm. The numerical results show that the poor bearing capacity and strength and the disharmony deformation of pavement structure are the main reasons for the failure of the road-rail transition pavement. Focusing on the mechanism of the distress， the countermeasures of laying high modulus concrete under the pavement structure and adding transitional pavement materials between the road and the track are put forward.

由于有軌電車和市政道路通常共享路權，因而在平交路口段，有軌電車軌道不可避免地與城市道路銜接，成為市政道路上的薄弱部位[1]。在車輛荷載反復作用下，在道路與鋼軌過渡段的路面區域（簡稱路-軌過渡區），由于模量差異、振動荷載、水分侵入等原因，極易產生開裂、沉陷、脫落等早期病害。此外，由于路-軌過渡段結構和位置的特殊性，導致其承受反復荷載，且養護困難，因而耐久性差，病害頻發（圖1（a））。同時，由于市政道路路基和有軌電車路基對沉降控制的要求不同，路-軌過渡段兩側經常發生不均勻沉降[2]，導致錯臺等病害，車輛通過時將產生較大的沖擊荷載，加速路面結構的破壞，形成惡性循環。

圖1（b）表示了路-軌過渡區的示意圖，在路-軌過渡區存在幾種不同形式的荷載，在結構上又存在模量和高差方面的差異。特別是在共有路權的平交路口位置，為了使鋼軌頂面與路面盡量平齊，在曲線地段易導致外軌超高設置不合理[3]。黃大維等[4]認為軌道兩側瀝青混凝土路面反復開裂、脫落的重要原因是，由于軌道兩側的彈性橡膠材料不能給軌道兩側瀝青混凝土路面提供牢固、穩定的約束邊界，瀝青混凝路面受溫度、振動、雨水和潮濕影響而產生開裂、脫落的可能性大大增加。由于平交路口等共有路權段鋼軌與道路結合處受力情況過于復雜，其病害原因尚無統一定論。

為了闡明有軌電車路-軌過渡段路面的破壞機理，提高路面結構耐久性，國內外學者主要從力學計算、數值模擬、材料設計3個方面進行研究。有學者[5-6]采用力學解析表達式，計算了在車輛、振動等荷載影響下，有軌電車軌道周邊包括軌腰護墊、軌側填充材料、空腔率等結構參數的取值范圍。一些學者[7-9]采用車輛—軌道動力學耦合模型，通過有限元建模方法，得到了有軌電車嵌入式軌道的動力學響應，包括輪軌力、振動幅值、軌道損傷等參數。還有一些學者[10-11]從材料設計的角度入手，發明了鋼纖維混凝土、聚氨酯復合材料等以提高軌道周邊路面耐久性，延緩病害的發展。雖然這些研究取得了成果，但仍有一些問題亟待解決，如：缺乏較多的現場調研數據以反映軌道周邊的實際病害特征;關于路-軌過渡區范圍還沒有明確的幾何定義;軌道周邊發生病害的力學機理仍需進一步研究。因此，本文在有軌電車軌道周邊路面現場調研的基礎上，對病害類型進行了總結和分類，結合平交路口段的結構和荷載特征，建立了路-軌過渡區三維有限元模型，研究車輛荷載作用下過渡區的力學響應，以揭示破壞發生的力學機理。

1 道路與鋼軌過渡區常見病害調研

為了研究有軌電車鋼軌周邊的病害特征，首先必須明確路-軌過渡區的定義，即車輛荷載影響下有軌電車鋼軌周邊易損路面的寬度范圍。為此，重點選取了松江有軌電車2號線4個平交路口作為調研對象，分別為松衛北路—榮樂東路口、谷陽北路—榮樂中路口、滬松北路—廣富林路口和嘉松南路—廣富林路口，調研內容包括病害范圍、病害類型、路面沉降情況3個方面。

1.1 病害范圍調研

為了探究車輛荷載對路-軌過渡區造成破壞的范圍，選取松—榮、谷—榮、滬—廣、嘉—廣4個路口作為調研對象，分別測量20、20、20、40處過渡區病害的面積范圍。由于不同病害類型的形狀和大小是不同的，為了統一表征過渡區病害范圍參數，采用等效病害寬度d定義過渡區病害沿路幅方向的寬度。首先測量病害的面積S，將其等效為矩形后，用病害面積S除以病害沿軌道方向的長度l，即可計算等效病害寬度。

由表1可知，對于病害寬度分布區間，松—榮路口90%分布于0～20 cm，谷—榮路口90%分布于0～25 cm，滬—廣路口100%分布于0～25 cm，嘉—廣路口95%分布于0～25 cm。經調研，嘉—廣路口路面使用年限長，松—榮路口路面使用年限最短，在新建路面過渡區病害的寬度范圍主要集中于0～25 cm;隨著路面使用年限的增加，剛軌周邊病害逐漸外延，過渡區病害寬度可達30 cm及以上。認為鋼軌周邊路面受車輛荷載影響的最大寬度值為30 cm，定義為道路與鋼軌過渡區鋪面。

1.2 病害類型調研

過渡區病害類型和病害嚴重程度的統計結果如圖2所示。為統計過渡區病害類型，以1 m為間隔取樣，通過病害外觀狀況（圖3），將病害類型分為4類，分別為裂縫類、沉降類、剝落類和相對完好。過渡區路面病害造成的最直接影響是使車輛產生動荷載（顛簸），路面不平整是路面性能劣化的最直接反映。因此，為了區分不同類型病害的嚴重程度，采用路面平整度進行定義，用三米直尺法測量過渡區路面的平整度，測量時，取軌側左右各0.5 m范圍作為測量區域，每隔10 cm用塞尺測量高程差。按照《公路工程質量檢驗評定標準》，對路面平整度的評價主要包括3個指標：平整度標準差σ、國際平整度指數 （按式σ=0.6IRI進行計算）、最大間隙值Δh，平整度測試結果見表2。將平整度測試結果按照從小到大排列，參考標準中的要求，結合軌側路面的實測結果，以三米直尺測得的最大間隙值Δh的范圍為參考，Δh<10 mm時視為相對完好，并將病害嚴重程度分為3類：輕微（10 mm<Δh<20 mm）、中等（20 mm<Δh<30 mm）和嚴重（Δh>30 mm）。

在現場勘測中發現，在全部調研路段中，有57%的過渡區路面一些路段軌道周邊路面出現了不同程度的病害，但不足以造成結構上的破壞和失穩。由圖2可知，鋼軌周邊路面裂縫、鋼軌周邊集料松散和剝落是主要的病害類型，分別占取樣段總數的21%，其破壞程度較為輕微;較少一部分路面出現了路面明顯沉降，但其破壞程度往往較為嚴重，沉降類病害的路面平整度指標往往偏大，路面平整度差。因此，軌周路面沉降對路面平整性和行車平穩性具有較大的不利影響。

1.3 沉降情況調研

鋼軌周邊路面的不均勻沉降是造成車輛沖擊和振動荷載，引起路面破壞的重要原因。為調研實際路面的沉降情況，選取4個路口各50個取樣點作為調研對象，統計其路面較鋼軌的沉降值，如圖4所示。由圖4可知，大多數發生沉降的路面沉降值分布于0～10 mm范圍內，而大于10 mm的沉降值相對較少。滬—廣、嘉—廣兩路口的路面沉降值較大，而松—榮、谷—榮兩路口沉降值較小。經調研發現，雖然榮樂路的運營年限較廣富林路更長，但是其路口沉降量反而較小，其主要是因為較多路面錯臺等病害已被處治（榮樂路經多次養護）。

2 鋼軌與道路過渡區結構和荷載特征

如圖5所示，在結構特征方面，現代有軌電車多采用嵌入式無砟軌道結構，這種軌道結構最大的優勢是可以與其他路面交通工具共享路權，有利于社會車輛順利通過。但是其軌道斷面形式、軌道固定方式等都與常規的軌道交通有所區別，且常采用的槽型軌與路面往往不平齊，在軌道結構強度、耐久性、易維修性等方面都提出了更高的要求[3]。不同于常規市政路面，有軌電車鋼軌與道路過渡區的結構特征可以概況為以下幾方面。

1） 模量變化：在過渡區范圍內，路面結構物存在一個由剛性鋼軌（210 000 MPa）到柔性路面（800～1 600 MPa）的模量突變。

2） 高差變化：由于槽型軌軌頭略高于路面，車輛通過時存在高差不一致而產生沖擊。

3） 鋼軌與路面存在接縫：由于粘結性能不足以及施工面不平整等原因，鋼軌與路面結構易存在接縫而發生水損害和破壞。

在荷載特征方面，軌道周圍的路基與路面同時承受有軌電車與汽車兩種形式完全不同的荷載， 其中有軌電車荷載為集中荷載作用在軌面上， 而汽車荷載為均布荷載作用在路面或路面與軌面上。社會車輛荷載作用在鋼軌與道路過渡區會造成過渡區鋪面強度破壞。此外，在電車荷載和社會車輛荷載的共同作用下，軌道和周圍地面發生沖擊和振動，導致過渡區材料與鋼軌及瀝青鋪面粘結性及密封性受損，并進一步在水和沖擊荷載的作用下發生破碎和剝落，從而降低服役壽命。作用于鋼軌與道路過渡區的不同荷載類型可歸結為表3。

3 道路與鋼軌過渡區破壞機理分析

3.1 有限元模型的建立

考慮到軌道結構的對稱性，取一半結構進行分析，采用ABAQUS有限元軟件建立三維實體有限元計算模型，模型如圖6所示。模型長度為5 m，寬度為2 m，凹槽寬0.19 m，深度0.18 m。根據調研，取鋼軌軌槽兩側30 cm寬度范圍為路-軌過渡區，對其在車輛荷載下的力學響應進行分析。模型由路面、鋼軌、軌側填充材料和軌頂密封材料4部分結構組成，各部分材料參數如表4所示。由于路面底部設有模量較大的支承層，不考慮結構底部的下沉，邊角條件中采用底部固定。

根據《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011），采用城-A級車輛荷載用于有限元模型中，其最大軸重為200 kN，荷載作用面積為0.6 m×0.25 m，輪距1.8 m。參考文獻[12-13]表明，路面不平整度對動荷載的大小有顯著影響，當路面發生損壞時，動載增大，用動荷載與靜荷載的比值表示動荷載系數Kd，取Kd為1.4，則考慮動載作用下實際計算荷載為140 kN。車輛荷載作用位置如圖7所示，車輛從

-500 mm位置駛入，沿坐標軸方向向前行駛，經過路-軌過渡區后從+500 mm駛出，計算車輛荷載分別作用在11個位置點處的力學響應。

現代有軌電車機車形式通常為三模塊編組的電力牽引模式，行駛速度v通常小于70 km/h，其中靜輪載P0=125 kN。參照TB 10082-2017《鐵路軌道設計規范》，當車輛最大運行速度vmax≤120 km/h時，列車豎向載荷取值為

P=P0（1+α） ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：P為豎向荷載，kN;P0為靜荷載，kN;α為動載系數。

式（1）中，若列車為電力牽引，則

α=0.6 v/100 ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：v為車輛實際運行速度，km/h。

取有軌電車實際運行速度為50 km/h，可得有軌電車豎向荷載P=162.5 kN，由于模型為對稱結構，豎向荷載平均到兩側鋼軌，則有軌電車對每側鋼軌施加81.25 kN的集中荷載（圖7）。

在車輛通過路-軌過渡區的過程中，選取8個點位（圖8）的應力變化情況進行分析。A，B，G，H為軌道外側不同層位的4個點;C，D，E，F為軌道內側不同層位的兩點，對路-軌過渡區路面不同層位的應力響應進行對比分析。

3.2 路-軌過渡區破壞機理分析

為了揭示路-軌過渡區路面的破壞機理，選取圖7所示的11種汽車荷載工況以及1種電車荷載工況對模型進行加載。本文主要針對過渡區在車輛荷載下的壓應力、剪切力以及路面形變3個內在力學響應進行分析。

3.2.1 壓應力的影響

汽車荷載和電車荷載作用下12種荷載工況下路-軌過渡區的最大壓應力σcmax計算結果見表5，最大壓應力云圖見圖9。從云圖可以看出，汽車荷載作用下的最大壓應力達到了2.18 MPa，當汽車荷載中點位于軌道上方時達到最大值，有軌電車荷載作用下的壓應力相對較小，為1.65 MPa，最大壓應力位置出現在路-軌過渡區外側（遠離軌道位置），這表明軌道兩側距軌道一定距離的路面是主要的受壓部位。

圖10反映了車輛荷載從駛入到駛出過渡區的過程中，路面結構不同位置（A，B，G，H點）的壓應力變化情況。由圖10可見，車輛通過過程中，不同位置點的壓應力先增大到一個最大值，然后逐漸減小，當荷載作用于位置點正上方時，壓應力達到峰值。軌側路面的壓應力值與汽車荷載距離軌道的遠近有關，汽車荷載距離軌道越近，路面的壓應力值越大。為探究路-軌過渡區最大壓應力σc與車輛荷載距離軌道的距離x的關系，采用SPSS Statistics數據統計軟件對圖9的數據點進行曲線擬合，擬合結果表明σc與x近似符合二次函數關系，擬合優度R2>0.9，如式（3）所示。由圖10變化趨勢和式（3）可以看出，當車輛駛入路-軌過渡區時，最大的壓應力出現在軌道外側（A點），大小為2.18 MPa;而當車輛駛出路-軌過渡區時，各點的壓應力較小，均小于2.18 MPa。

σc=2.1-11.1x+14.4x2（R2=0.982），當駛入時

1.5-13.7x+30.6x2（R2=0.956），當駛出時 （3）

式中：σc為路面上面層底部最大壓應力，MPa;x為車輛荷載距離軌道中面的距離，m。

雖然常規瀝青混凝土面層的抗壓強度尚可，能夠承受抵抗一部分車輛荷載產生的變形，但是由于軌側的柔性包裹材料的抗壓強度通常為1～2 MPa，抗壓承載力較低。在車輛荷載的反復作用下，軌側的柔性材料容易發生因抗壓強度不足導致的破碎，產生沉陷、坑槽等病害，在過渡區造成路面不平整和高差，導致車輛通過時容易產生振動和沖擊。在沖擊荷載的進一步作用下，路面性能繼續發生劣化，造成局部的網裂和強度破壞。

3.2.2 剪應力的影響

汽車荷載和電車荷載下12種荷載工況下路-軌過渡區的最大剪切應力τmax計算結果見表6，最大壓應力云圖見圖11。從表中的數據可以看出，不同荷載工況下的剪應力存在正值和負值，即存在兩個方向相反的剪應力。從云圖可以看出，汽車荷載作用下的最大剪應力為0.31 MPa，而有軌電車荷載作用下的剪應力值則大得多，為1.73 MPa，說明有軌電車車輪荷載會對路面結構造成較大的剪切應力。最大剪應力位置均出現在路-軌過渡區內側（靠近軌道位置），這表明靠近軌道的路面結構容易發生剪切破壞。

圖12反映了車輛荷載從駛入到駛出過渡區的過程中，路面結構不同位置（C，D，E，F點）的剪應力變化情況。由圖12可見，在車輛通過過程中，路-軌過渡區經歷了兩次剪切作用，第一次為車輛駛入時，第二次為車輛駛出時。兩次剪切力的方向相反，且車輛駛出狀態下的剪應力幅值較大，當車輛駛出路-軌過渡區時，最大的剪應力出現在軌道內側（E點）。

由于軌側柔性材料的抗剪強度和粘結強度不足，在反復剪切力的作用下，路面與軌道結構之間容易發生脫粘或錯臺。此時，路面處于懸臂梁狀態，導致路面面層頂部出現較大的彎拉應力;此外，由于路-軌模量和沉降差異導致應力集中，使得靠近軌道結構附近的瀝青路面應力變化顯著，導致路-軌結合處容易產生橫向裂縫。

3.2.3 路面形變的影響

如前所述，路-軌過渡區處于一個模量突變的范圍，瀝青路面的模量值較小，為一定程度上的“柔性”，而鋼軌結構的模量值較大，這是路面形變造成影響的內因。表7和表8分別為汽車荷載和電車荷載作用下不同位置應變值計算結果。由表7中數據可以看出，汽車荷載作用下遠離軌道處（A，B，G，H點）路面結構中橫向拉應變較大，而靠近軌道處（C，D，E，F點）的橫向拉應變較小，遠離軌道處路面的拉應變值約為軌道附近的3倍;遠離軌道處路面的豎向壓應力，約為軌道附近的2倍。由表8的數據可以看出，在電車荷載作用下，靠近軌道處路面的拉應變值約為遠離軌道處的3倍。這表明，在路-軌過渡段，受距離軌道遠近的影響，路面的橫向變形量具有較大差異。同時可以證明，遠離軌道的路面基層相對于軌側路面具有更大的豎向應變值，傾向于發生較大的沉降。

然而，瀝青混凝土面層在常溫和低溫下的變形和延展能力較差，在較大橫向拉應變的作用下容易產生疲勞開裂，由于內側和外側橫向應變的差異，在路面結構中會產生更大的橫向拉應力;另外，過渡區路面外側和內側基層較大的豎向位移（沉降），會導致路面結構錯位，在車輛通過時產生更大的沖擊荷載。因此，過渡區外側和內側的形變不協調，是造成路-軌過渡區路面開裂的重要原因。

值得注意的是，影響過渡區路面破壞的幾種力學機理，以及不同的破壞形式不是單獨發生的，而往往是相互伴隨、互相促進的。多數情況下，過渡區的損壞多是由于早期的沉陷和錯臺，在車輛沖擊荷載的作用下，進一步劣化而演變成后期病害的表現形式。與此同時，當路面結構發生裂縫后，水分容易滲入路面結構中造成水損害和路面承載力的降低，在各種環境因素的耦合作用下，進一步加劇路面結構的損壞。

4 病害處治對策

根據有限元模擬分析，路-軌過渡區病害主要是由路面材料強度不足導致的沉陷、坑槽，以及軌道周邊路面材料變形不協調兩方面原因導致的。針對病害產生機理，可采用如下措施進行治理。

1） 針對路面整體強度不足而造成的沉陷，需要在施工過程中保證路面壓實質量，提高壓實度;在路面結構層下方采用模量較大的高性能混凝土（UHPC），可以起到承載作用，抵抗車輛荷載作用下的變形。

2） 針對軌道周邊路面材料變形不協調的問題，采取在路-軌過渡區增設過渡材料的措施。所采用的過渡區材料模量應介于瀝青混凝土和鋼軌模量之間，以緩沖過渡區模量的突變，此外應兼具良好的“柔性”，具有一定的彈性和形變能力以減少裂縫的產生，同時緩沖車輛的沖擊荷載。可以采用黑色的聚氨酯彈性混凝土、環氧樹脂混凝土等材料，不僅具有優異的力學特性，而且與原有路面之間美觀協調。

圖13為路-軌過渡區病害處治方法的示意圖。首先要對軌道周邊瀝青層進行切割與鑿除，應保證施工面的平整、整潔;之后按施工圖所示在下方填充雙快混凝土，再按照規定的尺寸填充UHPC層或半柔性過渡層，澆筑過程中應保證澆筑范圍內無灰塵、無雜質、無殘留水;最后進行施工面的整平，并振搗密實。

5 結論

1） 病害調研結果表明，大部分病害發生于軌側30 cm寬度范圍內，路面較鋼軌的沉降值大多分布在0～10 mm之間，路面裂縫和鋼軌周邊材料的剝落是主要的病害類型。

2） 數值模擬結果表明，汽車荷載作用下，在汽車通過路-軌過渡區的動態過程中，壓應力出現一次峰值，而剪應力出現了兩次方向相反的峰值。綜合考慮汽車和有軌電車兩種荷載，出現在過渡區的最大壓應力和最大剪應力分別達到2.18 MPa和1.73 MPa，遠離鋼軌處的路面橫向和豎向應變值與靠近鋼軌處具有較大差異。

3） 路-軌過渡區發生病害和破壞的力學機理主要有3方面：路面材料強度和承載力不足，路面材料橫向范圍變形不協調，以及路面沉降下車輛的沖擊作用。在這3方面因素影響下，路面首先發生早期病害，此后由于壓實度不足、循環沖擊荷載、環境荷載等因素綜合作用造成路面結構進一步劣化和破壞。

4） 針對病害產生的機理，提出在路面底層采用高模量的混凝土，或在鋼軌與路面之間增設“半柔性過渡材料”的處治方案，為平交路口過渡段路面耐久性鋪裝提供參考。

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