嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究

滕德巍

(沈陽(yáng)鐵路局工務(wù)處，遼寧 沈陽(yáng) 110001)

隨著交通和運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)高速鐵路技術(shù)迅速發(fā)展，高速鐵路以穩(wěn)定性、可靠性、平順性更好的無(wú)砟軌道為主。目前，高速鐵路無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)分板式無(wú)砟軌道和現(xiàn)澆混凝土式兩種類型，其中，板式無(wú)砟軌道分為CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道。其中CRTSⅠ板式無(wú)砟軌道是首次大范圍應(yīng)用于北方嚴(yán)寒地區(qū)的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。為嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修提供支撐。

1 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)從上至下依次為鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層以及混凝土底座等，如圖1。

圖1 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)示意(單位:mm)

1)鋼軌:正線鋼軌采用60 kg/m定尺長(zhǎng)100 m的U71Mn(k)無(wú)螺栓孔新鋼軌，線路按一次鋪設(shè)跨區(qū)間無(wú)縫線路設(shè)計(jì)。

2)扣件:鋪設(shè)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道地段采用WJ-7B型扣件，其中橋梁需設(shè)置小阻力扣件地段采用X2型彈條并配用復(fù)合墊板，其他地段采用W1型彈條并配用橡膠墊板。嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道采用的是WJ-7B型扣件。結(jié)構(gòu)及剖面如圖2所示。

圖2 WJ-7B型扣件結(jié)構(gòu)及剖面(單位:mm)

無(wú)砟軌道由于上部結(jié)構(gòu)層等均為混凝土結(jié)構(gòu)層，剛度較大，整個(gè)軌道系統(tǒng)的彈性主要由扣件系統(tǒng)提供。在提速后，由于列車動(dòng)荷載作用，鋼軌產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)和軌頭外翻，使扣件的彎矩增大;另外，單層彈性墊層在列車重復(fù)荷載作用下，產(chǎn)生疲勞松弛，使彈性下降，甚至?xí)l(fā)生墊板破損，嚴(yán)重影響行車安全。因此，我國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道扣件應(yīng)采用雙層彈性墊層，彈性主要由彈性墊板提供，彈性墊板剛度可適當(dāng)加大，使鋼軌在列車高速運(yùn)行中穩(wěn)定性增強(qiáng)。使用中ω型彈條的彈性與彈性墊板的彈性應(yīng)該互相匹配，符合鋼軌扣件的跟隨性。當(dāng)列車通過(guò)時(shí)，墊板被壓縮，彈條應(yīng)有足夠的彈性緊扣鋼軌，列車通過(guò)后墊板恢復(fù)原狀，彈條也緊扣鋼軌回復(fù)原位［1］。

錨固螺栓是彈條扣件的重要部件，主要提供橫向約束力，防止扣件上拔。螺栓設(shè)計(jì)中安全系數(shù)取8.0，一般情況下可滿足高速行車對(duì)加緊力、上拔力、扭矩等的要求，但若使用不當(dāng)，也會(huì)使螺栓傷損。螺栓在使用中由于列車動(dòng)力作用會(huì)逐漸松弛，如果維護(hù)不及時(shí)，螺栓松動(dòng)使加緊摩擦力不足或?yàn)樨?fù)值，列車動(dòng)荷載作用下螺栓可能直接承受橫向作用力并處于受彎狀態(tài)，容易拉壞螺栓使其失效。

嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道采用的WJ-7B型扣件使用預(yù)埋套管式，使鋼軌與軌下基礎(chǔ)絕緣增強(qiáng)，增大道床泄漏電阻，延長(zhǎng)軌道電路傳輸長(zhǎng)度。套管在使用中必須保持清潔，避免水的侵入，防止冬季產(chǎn)生凍脹，造成套管損壞。為了保證降雨時(shí)兩鋼軌間不形成水膜，橡膠墊板要采取割邊處理，把墊板周圍高出的部分切開一角，使墊板內(nèi)的積水順利流走，水膜電阻既而增大，有效提高扣件的絕緣性能。

3)預(yù)制軌道板:采用嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型雙向預(yù)應(yīng)力軌道板，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度4 962 mm，寬度2 400 mm，厚度200 mm，承軌臺(tái)高20 mm，混凝土強(qiáng)度為C60。

4)水泥乳化瀝青砂漿層:軌道板下水泥乳化瀝青砂漿層厚度為50 mm;減振型軌道板下水泥乳化瀝青砂漿厚度為40 mm。

5)混凝土底座:路基上混凝土底座在路基表層分段設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)底座寬3 000 mm，厚度300 mm，通常每2塊板設(shè)置1條20 mm伸縮縫。橋上底座標(biāo)準(zhǔn)寬度2 800 mm，厚度200 mm，每塊底座設(shè)置伸縮縫?；炷翉?qiáng)度為C40。

針對(duì)北方嚴(yán)寒地區(qū)特殊的地理環(huán)境，主要在以下方面進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化:預(yù)制軌道板采用雙向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，厚度由190 mm變?yōu)?00 mm，增強(qiáng)了軌道板的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減少軌道板變形量。預(yù)制軌道板設(shè)置20 mm高的承軌臺(tái)，以便于雨雪能夠在板間及時(shí)排出。

2 軌道結(jié)構(gòu)主要傷損形式及維修方法

2.1 鋼軌的傷損及維修

2.1.1 鋼軌的傷損

無(wú)砟軌道由于行車速度高、密度大，鋼軌作為直接承受荷載的結(jié)構(gòu)傷損最為明顯，主要有垂直的焊縫傷損和水平的表面?zhèn)麚p，而東北地區(qū)溫差大，鋼軌接頭拉開也是目前出現(xiàn)較多的主要病害。

1)焊縫傷損。為提高線路平順性，減少車輪沖擊鋼軌作用，我國(guó)高速鐵路均采用焊接無(wú)縫線路。由于焊接質(zhì)量不良，個(gè)別鋼軌接頭處會(huì)出現(xiàn)原始不平順;焊接設(shè)備差異，焊縫處存在軌頂面的硬度與母材硬度不匹配而形成的低塌現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)焊接接頭處斷裂等影響列車平順運(yùn)行，因此，改進(jìn)現(xiàn)有鋁熱焊、閃光焊，發(fā)展新型焊接設(shè)備，提高焊接及打磨工藝是高速鐵路焊接技術(shù)勢(shì)在必行的選擇。

2)表面?zhèn)麚p。高速鐵路軸重輕、線路曲線半徑大、軌下基礎(chǔ)穩(wěn)固，鋼軌傷損以波浪型磨耗為主要形式。

3)接頭拉開。東北地區(qū)冬季晝夜溫差將達(dá)到15℃左右，鋼軌膠結(jié)絕緣接頭因膠結(jié)工藝及環(huán)境溫度等現(xiàn)場(chǎng)多種因素影響，導(dǎo)致岔區(qū)鋼軌膠結(jié)絕緣接頭拉開，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致軌道電路產(chǎn)生紅光帶，影響列車運(yùn)行。

2.1.2 鋼軌的維修

高速鐵路鋼軌傷損的最主要維修方法是對(duì)鋼軌進(jìn)行預(yù)防性和維修性打磨，使輪軌接觸關(guān)系發(fā)生變化，從而使鋼軌的受力、變形分布在不同的地點(diǎn)，減少鋼軌應(yīng)力集中，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的，同時(shí)加強(qiáng)鋼軌接頭的日常結(jié)構(gòu)性檢查。

1)預(yù)防性打磨。新鋪設(shè)軌打磨也稱為“預(yù)防性打磨”，主要是對(duì)鋼軌在運(yùn)行中由輪軌接觸引起的鋼軌變形提前進(jìn)行打磨，從而提高鋼軌耐久性。

正常運(yùn)行中輪軌接觸為一點(diǎn)接觸，接觸斑大約為拇指面大小，由于線路平順性和曲線等特殊地段，車輪會(huì)不時(shí)地發(fā)生蛇形運(yùn)動(dòng)或靠貼鋼軌運(yùn)行，使輪軌接觸變?yōu)閮牲c(diǎn)接觸，輪緣處靠貼鋼軌從而摩擦鋼軌軌頭邊緣處，使其出現(xiàn)插傷。輪軌接觸時(shí)車輪仍然會(huì)擠壓鋼軌表面，使其發(fā)生鋼軌軌頂材料塑性流動(dòng)，形成軌角和輪緣共形接觸，破壞了基準(zhǔn)鋼軌要求的理想斷面，改變線路平順性，不利于行車平穩(wěn)和安全。

針對(duì)我國(guó)采用的60 kg/m鋼軌，軌頭頂面弧線均為R13 mm-R80 mm-R300 mm-R80 mm-R13 mm 5段式，5段長(zhǎng)度分別為 11.15 mm，15.35 mm，20.00 mm，15.35 mm，11.15 mm。打磨區(qū)主要集中在鋼軌斷面的R13和少許R80處。通過(guò)打磨使接觸新鋼軌使用時(shí)保留軌角處有一定的間隙，保證兩點(diǎn)接觸時(shí)不再插傷鋼軌，塑性流動(dòng)時(shí)有一定的流動(dòng)空間不發(fā)生共形接觸。新軌打磨前后示意圖如圖3所示。

圖3 新軌預(yù)防性打磨示意

2)修理性打磨。新鋼軌雖已進(jìn)行過(guò)“預(yù)防性打磨”，但是在高速度、高密度的車輛運(yùn)行中，會(huì)發(fā)生軌頭龜裂、壓潰、蜂窩狀裂紋，波浪形磨耗等表面接觸性疲勞傷損。這就需要在運(yùn)營(yíng)中進(jìn)行修理性打磨。

根據(jù)傷損的類型和程度，采用不同的打磨要求。傷損越嚴(yán)重打磨量越大，軌面質(zhì)量也就越差。打磨宜遵從3個(gè)原則:①根據(jù)城市環(huán)保要求，控制噪音;②根據(jù)曲線半徑、制動(dòng)區(qū)間、路橋過(guò)渡段、焊接接頭情況，控制傷軌;③根據(jù)列車軸重、速度、列車對(duì)數(shù)，控制輪軌接觸疲勞度，分線路、區(qū)間計(jì)算打磨作業(yè)需求。

對(duì)打磨后的質(zhì)量也有基本的要求如下:①對(duì)龜裂、壓潰等所形成的裂紋要將表面微裂紋消除。②高速鐵路鋼軌僅發(fā)生長(zhǎng)波波磨。波長(zhǎng) ＞250 mm，波深＜1 mm，打磨后殘余波深要 ＜0.3 mm;波深 ＞1 mm，打磨后殘余波深要 ＜0.4 mm;應(yīng)打磨掉0.6～0.7 mm。③軌頂打磨帶較平直，無(wú)明顯寬窄不直，無(wú)明顯棱角。④軌頂表面無(wú)嚴(yán)重發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，形狀符合規(guī)定要求，粗糙度為12.5;另外，大型打磨機(jī)械車通過(guò)未傷損區(qū)鋼軌時(shí)，可對(duì)鋼軌進(jìn)行保養(yǎng)性打磨，每累計(jì)通過(guò)5 000～10 000 t宜打磨0.05 mm，無(wú)傷損區(qū)域打磨車速度可提高，且只要打磨一次，即可有效延長(zhǎng)鋼軌壽命。

3)接頭維護(hù)。對(duì)鋼軌膠結(jié)絕緣接頭加強(qiáng)日常結(jié)構(gòu)性檢查，發(fā)現(xiàn)接頭拉開后及時(shí)進(jìn)行登記，并聯(lián)合電務(wù)部門增加定期電阻檢測(cè)，同時(shí)制定整治方案，提報(bào)作業(yè)計(jì)劃，經(jīng)路局審批后進(jìn)行重新膠結(jié)處理。

2.2 扣件的傷損及維修

扣件是無(wú)砟軌道中的主要聯(lián)結(jié)部件，我國(guó)CRTSⅠ型高速鐵路主要選取WJ-7型扣件，并對(duì)其進(jìn)行完善，使其擁有了通用性強(qiáng)、調(diào)整量大、無(wú)級(jí)調(diào)整、良好的減震性能和絕緣性能等新特殊功能。

2.2.1 傷損形式

嚴(yán)寒地區(qū)WJ-7B型扣件使用中主要傷損形式有預(yù)埋套管失效和鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂等。

1)預(yù)埋套管失效。東北地區(qū)凍融循環(huán)，如在日常維修作業(yè)中有雨雪等雜物進(jìn)入預(yù)埋套管，經(jīng)過(guò)凍融后將導(dǎo)致套管脹裂，螺紋失效，從而失去固定鋼軌的作用。

2)鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂。軌道精調(diào)過(guò)程中，為滿足負(fù)調(diào)整量要求，將10 mm厚度絕緣緩沖墊板更換為6 mm厚度薄墊板。由于厚度減少，經(jīng)過(guò)凍融后橡膠硬化開裂，失去彈性緩沖作用。

2.2.2 維護(hù)方法

針對(duì)套管失效、鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂的問(wèn)題目前只能采取更換措施。

2.3 無(wú)砟道床傷損及維修

2.3.1 傷損形式

1)軌道板傷損及成因

①板面裂紋。嚴(yán)寒地區(qū)由于環(huán)境溫差較大，軌道板傷損主要表現(xiàn)為混凝土開裂問(wèn)題，裂縫一旦形成，尤其是貫穿性裂縫危害最大，它會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性，降低軌道的絕緣性，削弱軌道板承載力，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜靶熊嚢踩?。裂縫產(chǎn)生的原因主要分兩類:一類是結(jié)構(gòu)型裂縫，是由承載外荷載引起的;第二類是材料型裂縫，主要是由溫度應(yīng)力和混凝土收縮徐變引起的，屬非受力變形引起。

②預(yù)應(yīng)力鋼棒錨端碎裂。主要表現(xiàn)為錨端爆炸性碎裂。主要成因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂而形成的巨大應(yīng)力所致。

③承軌臺(tái)裂紋。主要表現(xiàn)為以預(yù)埋套管為中心的擴(kuò)散性裂紋。主要成因?yàn)榫{(diào)過(guò)程中錨固螺栓扭力過(guò)大，造成套管拔錨而引起的環(huán)狀裂紋。

2)砂漿層傷損及成因。主要表現(xiàn)為裂縫、剝離和碎裂3種傷損類型。大多是起因于水從四周侵入砂漿層表面而形成凍融循環(huán)，在列車反復(fù)荷載作用下疲勞所致。又因受到軌道位移、梁體撓曲和氣候變化等影響，促使板下砂漿層的進(jìn)一步傷損、劣化。

3)混凝土底座傷損及成因。主要表現(xiàn)為裂紋、剝落。一般情況下混凝土底座不容易產(chǎn)生裂縫，由于是現(xiàn)場(chǎng)澆注，因含水量過(guò)大和施工質(zhì)量問(wèn)題也都可能產(chǎn)生裂紋，所以裂紋寬度限制為≤0.5 mm(上表面)，這些裂紋部位進(jìn)水后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期凍融，將會(huì)造成封閉層的進(jìn)一步快速破壞，其他多起因于安設(shè)軌道板精調(diào)模具時(shí)在底座上預(yù)埋固定裝置所致。

2.3.2 維修方法

1)軌道板傷損修復(fù)

①板面裂紋。軌道板上出現(xiàn)細(xì)小裂紋，在不影響列車運(yùn)行的情況下只需進(jìn)行修補(bǔ)裂縫，防止裂縫擴(kuò)展;如果軌道板只是出現(xiàn)局部的混凝土剝落，對(duì)整體使用影響不大，仍然能提供鋼軌扣件完整的承載面，那么可以采用混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)砂漿對(duì)剝落處進(jìn)行修復(fù);如果軌道板的受損面較大，有嚴(yán)重網(wǎng)狀龜裂和掉塊，承軌槽壓潰等嚴(yán)重傷損時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行大修。

②預(yù)應(yīng)力鋼棒錨端碎裂。目前針對(duì)軌道板橫向鋼棒斷裂需直接更換鋼棒，現(xiàn)場(chǎng)張拉，對(duì)錨端重新修補(bǔ)封堵;縱向預(yù)應(yīng)力鋼棒斷裂需將鋼軌抬起，將軌道板抬升露出錨端，進(jìn)行更換鋼棒及修補(bǔ)錨端作業(yè)。

③承軌臺(tái)裂紋。裂紋較小時(shí)同軌道板裂紋處理;裂紋較大，扣件已失去固定作用時(shí)，應(yīng)更換軌道板。

2)砂漿調(diào)整層傷損修復(fù)

水泥乳化瀝青砂漿因在軌道板下，裂紋無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，但有縱橫向通裂或環(huán)狀裂紋、嚴(yán)重掉塊等失效現(xiàn)象而不能繼續(xù)保證鋼軌扣件的正確位置時(shí)，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行整體更換。

3)混凝土底座傷損修復(fù)

在裂紋產(chǎn)生初期一般采用聚合物水泥基材料進(jìn)行封縫處理，后期造成的剝落則采用對(duì)剝落面鑿毛并使用專用混凝土修補(bǔ)材料進(jìn)行修復(fù)。

嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道雖然在設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中可以通過(guò)優(yōu)選材料、優(yōu)化混凝土配合比、改進(jìn)施工工藝等大大減少初期裂縫，但運(yùn)營(yíng)時(shí)間一長(zhǎng)，加上惡劣地理環(huán)境影響，不可避免地會(huì)出現(xiàn)各類裂縫及其他傷損，裂縫過(guò)大或繼續(xù)擴(kuò)展貫通就會(huì)影響軌道穩(wěn)定性，這就要求在維修保養(yǎng)中加強(qiáng)對(duì)裂縫的初期整治，確保線路的正常運(yùn)營(yíng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)嚴(yán)寒地區(qū)CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道各結(jié)構(gòu)部件傷損形式進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的維修方法，其中鋼軌和扣件的傷損在雙塊式無(wú)砟軌道等其他類型無(wú)砟軌道中也有所表現(xiàn)，維修方法也有相似之處，而軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層等無(wú)砟道床的裂縫維修是板式無(wú)砟軌道主要傷損形式，也是無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究的重點(diǎn)。目前，我國(guó)高速鐵路大量采用板式無(wú)砟軌道，對(duì)于各種類型無(wú)砟軌道維修方法還缺乏經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，因此，應(yīng)進(jìn)行深入的研究、探索和創(chuàng)新，為我國(guó)無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修制定出一套安全、可行的方法。

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