CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道砂漿層傷損修復(fù)研究

姜子清，江 成，王繼軍，易忠來(lái)

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

高速鐵路要求軌道結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性、穩(wěn)定性、平順性和耐久性，在保證列車(chē)安全、高速運(yùn)行的前提下，提高旅客乘坐舒適性，減少軌道結(jié)構(gòu)的維修工作量，保證其在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道以其高可靠性、高穩(wěn)定性和高平順性，較好地適應(yīng)了高速鐵路的要求。路基和隧道地段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層和支承層等組成，曲線超高在路基基床或隧道仰拱(底板)表層上設(shè)置，如圖1所示。橋梁地段由鋼軌、扣件、軌道板、砂漿層、底座板、滑動(dòng)層、高強(qiáng)度擠塑板、側(cè)向擋塊及彈性限位板等部分組成，橋臺(tái)后路基設(shè)置錨固結(jié)構(gòu)(摩擦板、土工布及端刺)及過(guò)渡板，曲線超高在底座板上設(shè)置，長(zhǎng)大橋區(qū)段底座板設(shè)有鋼板連接器后澆帶，如圖2所示。

圖1 路基地段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道示意

砂漿層是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的重要組成部分，通過(guò)30 mm厚的砂漿充填層實(shí)現(xiàn)軌道板的均勻支

圖2 橋梁地段CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道示意

承及其與底座板(支承層)的連接，因此砂漿層應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度和彈性雙重要求，其性能的優(yōu)劣直接影響無(wú)砟軌道的耐久性和維修工作量。在列車(chē)荷載和環(huán)境因素的共同作用下，無(wú)砟軌道部件可能出現(xiàn)不同的傷損形式，給線路的安全高速運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利影響。砂漿層既是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的關(guān)鍵部件，也是較為薄弱的充填層，對(duì)其傷損產(chǎn)生的原因、分類(lèi)、判定標(biāo)準(zhǔn)以及快速修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究分析，可以為CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、維修技術(shù)的完善提供技術(shù)支撐，從而保證線路的安全可靠。

1 砂漿層傷損分類(lèi)及原因分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)多條高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的跟蹤調(diào)研，發(fā)現(xiàn)砂漿層傷損形式主要有砂漿層與軌道板或底座板(支承層)離縫、豎向裂縫、缺損掉塊及泛漿等，不同的傷損形式產(chǎn)生的原因各有不同，且往往是多因素綜合作用的結(jié)果。

1.1 離縫

砂漿層與軌道板或底座板(支承層)之間出現(xiàn)離縫傷損是高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)中較為常見(jiàn)的傷損形式之一，如圖3和圖4所示。具有影響范圍較大、產(chǎn)生原因較復(fù)雜以及初期難以被發(fā)現(xiàn)等特點(diǎn)。砂漿層離縫傷損將會(huì)使砂漿層與軌道板或底座板(支承層)粘結(jié)失效，削弱無(wú)砟道床的整體性，影響軌道靜態(tài)幾何形位和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。如果傷損未及時(shí)進(jìn)行修復(fù)，在列車(chē)荷載和環(huán)境因素共同作用下還會(huì)對(duì)無(wú)砟道床耐久性產(chǎn)生影響。因此，高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道線路中需加強(qiáng)對(duì)砂漿層離縫傷損的檢查力度，在查明原因的基礎(chǔ)上，采取有針對(duì)性的預(yù)防或修復(fù)措施。

砂漿層離縫傷損產(chǎn)生的原因主要有軌道板溫度梯度引起的板端翹曲、軸向溫度荷載引起的軌道板或底座板(支承層)伸縮、砂漿層灌注不飽滿(mǎn)、列車(chē)動(dòng)力荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降等［1］。由于砂漿層離縫產(chǎn)生的主要原因各有不同，其離縫寬度、深度等表現(xiàn)形式均有所不同，現(xiàn)場(chǎng)往往是多種因素共同作用致使砂漿層出現(xiàn)離縫傷損。

圖3 砂漿層與軌道板間離縫

圖4 砂漿層與底座板間離縫

1)板端翹曲

溫度荷載是CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)中考慮的主要荷載之一，包括軸向溫度荷載和溫度梯度荷載，其中，軸向溫度荷載主要引起軌道結(jié)構(gòu)縱向伸縮，而溫度梯度荷載則會(huì)引起軌道板翹曲變形［2］。

軌道板在日照條件下，其上表面溫度高，下表面溫度低，由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能較差導(dǎo)致軌道板在厚度方向上存在溫度梯度，在不均勻溫度作用下的熱脹冷縮致使軌道板中部上拱變形;在冬季較冷或夏季突然降溫時(shí)軌道板板面溫度低于板底溫度，則會(huì)出現(xiàn)板端上翹變形。溫度梯度引起的軌道板翹曲變形會(huì)對(duì)砂漿與軌道板底的粘結(jié)產(chǎn)生不利影響。對(duì)于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道，在砂漿層灌注后、張拉鎖定前的時(shí)間段內(nèi)，溫度梯度對(duì)軌道板產(chǎn)生翹曲影響;軌道板縱向連接鎖定后［3］，板間采用混凝土材料進(jìn)行填充，雖然在一定程度上可減小溫度梯度影響，但張拉鎖定前板端翹曲已經(jīng)出現(xiàn)，且軌道板縱向張拉對(duì)板端軌道板與砂漿層的粘結(jié)也有所削弱。因此，軌道板溫度梯度引起的板端翹曲是造成砂漿層與軌道板間離縫的原因之一。

2)軌道板與底座板(支承層)軸向溫度伸縮

在CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道中，軌道板和底座板(支承層)通過(guò)砂漿層粘結(jié)，在軸向溫度荷載作用下，軌道板和底座板(支承層)之間由于溫差荷載的作用，二者之間存在伸縮變形差，從而對(duì)砂漿層與軌道板或底座板(支承層)的粘結(jié)產(chǎn)生不利影響。一般條件下，砂漿層的粘彈性可以滿(mǎn)足軌道板的變形要求，但如果由于軌道板施工過(guò)程中張拉鎖定溫度不合適或運(yùn)營(yíng)維修過(guò)程中采用彈性較差的材料對(duì)軌道板裂縫或離縫進(jìn)行填補(bǔ)從而降低軌道板鎖定溫度，則在高溫條件下有可能出現(xiàn)軌道板溫度伸縮變形較大，從而導(dǎo)致軌道板與砂漿層粘結(jié)失效，并出現(xiàn)離縫的現(xiàn)象，如圖5所示。軸向溫度伸縮引起的砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間的離縫具有橫向貫通、離縫值較大且隨溫度發(fā)生變化等特點(diǎn)。

圖5 軸向溫度伸縮引起的軌道板與砂漿層離縫

3)砂漿層灌注不飽滿(mǎn)

砂漿層灌注不飽滿(mǎn)是軌道板與砂漿層產(chǎn)生離縫的另一原因，尤其在曲線超高地段。曲線超高地段橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道底座板兩側(cè)厚度不一，底座板表面具有一定的坡度，在這種條件下，為保證砂漿層灌注飽滿(mǎn)，水泥乳化瀝青砂漿灌注過(guò)程中需要一定的壓力，如果施工過(guò)程中灌漿口的導(dǎo)管過(guò)早卸下，則會(huì)使未達(dá)到初凝的水泥瀝青砂漿失去壓力，而向曲線內(nèi)側(cè)回落，造成砂漿灌注不飽滿(mǎn)的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致砂漿層與底座板間離縫，如圖6所示。砂漿層灌注不飽滿(mǎn)引起的離縫傷損一般不具有普遍性，且隨溫度變化和列車(chē)動(dòng)荷載的影響無(wú)明顯變化規(guī)律。

圖6 曲線超高引起的軌道板與砂漿層離縫

4)列車(chē)動(dòng)荷載

相關(guān)研究表明［4］，在列車(chē)動(dòng)荷載作用下，橋上CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)中橋梁、底座板和軌道板的基頻不同，橋梁和軌道結(jié)構(gòu)的反相位振動(dòng)將會(huì)引起橋梁—軌道相互拍打的現(xiàn)象，這種拍打作用會(huì)對(duì)無(wú)砟軌道系統(tǒng)的整體性產(chǎn)生不利影響，尤其是對(duì)軌道系統(tǒng)中較為薄弱的砂漿充填層，會(huì)加劇其與軌道板或底座板的離縫。

5)基礎(chǔ)不均勻沉降

高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道對(duì)下部基礎(chǔ)變形要求較為嚴(yán)格，包括路基沉降、梁端轉(zhuǎn)角等，并提出“工后零沉降”的理念［5］，但在諸多因素影響下，基礎(chǔ)不均勻沉降仍不可避免，多發(fā)生在地質(zhì)條件較差或路橋過(guò)渡段等區(qū)段。對(duì)于軌道板縱向連續(xù)的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)，基礎(chǔ)不均勻沉降可能導(dǎo)致軌道板與砂漿層間出現(xiàn)離縫現(xiàn)象，且離縫值較大，影響軌道結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性，如圖7所示。

圖7 基礎(chǔ)不均勻沉降引起的軌道板與砂漿層離縫

1.2 豎向裂縫

豎向裂縫是砂漿層傷損的另一主要形式。砂漿層豎向裂縫間距一般在20～50 cm不等，裂縫寬度多在0.1 mm左右，如圖8所示。砂漿層豎向裂縫將會(huì)影響其使用耐久性，如果傷損未及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)，在列車(chē)動(dòng)荷載作用下將會(huì)出現(xiàn)缺損掉塊現(xiàn)象。

圖8 砂漿層裂縫間距和寬度圖示

砂漿層豎向裂縫與砂漿配方、現(xiàn)場(chǎng)施工工藝、運(yùn)營(yíng)條件以及溫度變化等因素密切相關(guān)，產(chǎn)生的原因主要有砂漿自收縮及軌道板或底座板開(kāi)裂引起的延伸裂縫，如圖9、圖10和圖11所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，砂漿層豎向裂縫寬度隨溫度變化有所不同，但裂縫數(shù)量無(wú)明顯增加。

1.3 缺損掉塊

圖9 軌道板開(kāi)裂引起的砂漿層豎向裂縫

圖10 底座板開(kāi)裂引起的砂漿層裂縫

調(diào)研中還發(fā)現(xiàn)，砂漿層存在缺損掉塊或剝離的現(xiàn)象，如圖12所示。尤其是軌道板板間接縫部位和軌道板精調(diào)爪附近的砂漿層缺損掉塊傷損較為突出，如圖13和圖14所示，且隨時(shí)間變化日趨嚴(yán)重。

圖11 砂漿層自收縮引起的豎向裂縫

圖12 砂漿層缺損掉塊

圖13 板間接縫部位砂漿層缺損掉塊

砂漿層缺損掉塊傷損多是由于在列車(chē)荷載作用下砂漿層離縫和豎向裂縫等傷損誘發(fā)產(chǎn)生的。板間接縫和軌道板精調(diào)爪放置點(diǎn)等處，砂漿層更易出現(xiàn)缺損掉塊傷損。砂漿施工完成拆除精調(diào)爪后，如未及時(shí)對(duì)此處進(jìn)行補(bǔ)灌或此處封堵海綿等未清除徹底，導(dǎo)致補(bǔ)灌砂漿與原砂漿層無(wú)法有效粘結(jié)，在列車(chē)動(dòng)荷載作用下，則會(huì)出現(xiàn)砂漿層缺損掉塊傷損。砂漿層缺損掉塊處易導(dǎo)致積水滲入，影響砂漿層耐久性。

1.4 泛漿

通過(guò)對(duì)多條高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道線路調(diào)研發(fā)現(xiàn)，砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間出現(xiàn)泛白漿現(xiàn)象，尤其是砂漿層明顯離縫和軌道板板間接縫及精調(diào)爪位置較為嚴(yán)重，如圖15所示。由于砂漿層離縫使軌道板與底座板(支承層)之間產(chǎn)生縫隙，在列車(chē)動(dòng)載作用下二者之間出現(xiàn)拍打，雨水進(jìn)入后產(chǎn)生的沖蝕作用將縫隙中的微細(xì)顆粒和水與氫氧化鈣反應(yīng)生成的碳酸鈣等物質(zhì)一并帶出，從而形成白色析出物，雖尚未影響行車(chē)安全，但縫隙內(nèi)水的沖刷作用及凍融將導(dǎo)致裂縫擴(kuò)展，進(jìn)而影響砂漿層耐久性和軌道幾何狀態(tài)的保持。

圖14 精調(diào)爪部位砂漿層缺損掉塊

圖15 砂漿層泛漿

2 傷損判定標(biāo)準(zhǔn)及檢查

砂漿層應(yīng)保證與軌道板底部和底座板(支承層)密貼，在對(duì)高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道砂漿層不同類(lèi)型傷損進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其傷損程度的不同將砂漿層離縫和裂縫傷損分成Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)三個(gè)等級(jí)［6］。

砂漿層離縫傷損等級(jí)判定項(xiàng)目為離縫寬度、深度及對(duì)角長(zhǎng)度。在實(shí)際檢查過(guò)程中，首先對(duì)離縫寬度采用裂縫寬度測(cè)量?jī)x或其他精度滿(mǎn)足要求的測(cè)量尺進(jìn)行寬度測(cè)量，然后采用深度尺對(duì)離縫深度進(jìn)行測(cè)量，再結(jié)合砂漿層離縫縱向長(zhǎng)度和橫向深度，確定砂漿層離縫范圍的對(duì)角長(zhǎng)度，最后綜合三個(gè)判定項(xiàng)目，對(duì)砂漿層離縫傷損等級(jí)進(jìn)行判定。

砂漿層豎向裂縫傷損等級(jí)判定較為簡(jiǎn)便，采用裂縫寬度測(cè)量?jī)x或其他精度滿(mǎn)足要求的測(cè)量尺進(jìn)行裂縫寬度測(cè)量。砂漿層傷損形式及傷損等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。對(duì)Ⅰ級(jí)傷損應(yīng)做好記錄，對(duì)Ⅱ級(jí)傷損應(yīng)列入維修計(jì)劃，對(duì)Ⅲ級(jí)傷損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。砂漿層缺損、掉塊和泛漿應(yīng)根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)條件適時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。對(duì)于砂漿層結(jié)構(gòu)狀態(tài)應(yīng)每半年檢查1遍。對(duì)未處理的Ⅱ級(jí)傷損處應(yīng)每季度檢查1遍。

表1 砂漿層傷損形式及傷損等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn) mm

3 傷損修復(fù)

砂漿層傷損修復(fù)應(yīng)根據(jù)具體傷損類(lèi)型按照相關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行實(shí)施。對(duì)于砂漿層離縫傷損，首先應(yīng)對(duì)傷損產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行分析，從根本上避免修復(fù)后再次出現(xiàn)傷損的現(xiàn)象，同時(shí)離縫傷損修復(fù)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)不同原因采取針對(duì)性措施。對(duì)由于溫度荷載引起的砂漿層與軌道板或底座板(支承層)間的離縫，應(yīng)在軌道板設(shè)計(jì)縱連鎖定溫度范圍內(nèi)對(duì)軌道板進(jìn)行應(yīng)力放散、重新鎖定，并采用低黏度樹(shù)脂材料按規(guī)范要求［5］對(duì)離縫傷損進(jìn)行注漿修補(bǔ);對(duì)于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的砂漿層離縫傷損宜在解決基礎(chǔ)沉降問(wèn)題的基礎(chǔ)上對(duì)離縫進(jìn)行修補(bǔ)，并應(yīng)考慮與扣件系統(tǒng)的高低調(diào)整配合作業(yè)。

對(duì)于Ⅰ級(jí)傷損的砂漿層離縫和裂縫，應(yīng)進(jìn)行觀測(cè)記錄，并定期觀察其發(fā)展變化;對(duì)Ⅱ級(jí)傷損應(yīng)列入維修計(jì)劃，適時(shí)維修，宜采用低壓注漿法進(jìn)行處理;對(duì)Ⅲ級(jí)傷損應(yīng)及時(shí)維修，宜采用封閉注漿法進(jìn)行處理。對(duì)于砂漿層缺損掉塊傷損，可根據(jù)缺損面積大小，選擇采用直接修補(bǔ)或立模修補(bǔ)方法進(jìn)行處理。具體修補(bǔ)工藝應(yīng)按照相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求實(shí)施。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速鐵路CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道砂漿層傷損分類(lèi)、原因分析、傷損等級(jí)判定及修復(fù)技術(shù)等的研究，得到如下主要結(jié)論:

1)砂漿層傷損類(lèi)型主要有砂漿層與軌道板或底座板(支承層)離縫、豎向裂縫、缺損掉塊及泛漿等，傷損原因各有不同，且往往是多因素綜合作用的結(jié)果。

2)砂漿層離縫傷損產(chǎn)生的原因主要有軌道板溫度梯度引起的板端翹曲，軸向溫度荷載引起的軌道板或底座板(支承層)溫度伸縮，砂漿層灌注不飽滿(mǎn)、列車(chē)動(dòng)力荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降等，原因不同，其離縫寬度、深度等表現(xiàn)形式均有所不同。

3)砂漿層離縫和裂縫傷損采用裂縫寬度測(cè)量?jī)x或其他精度滿(mǎn)足要求的測(cè)量尺進(jìn)行測(cè)量，按傷損等級(jí)進(jìn)行分類(lèi)處理。對(duì)Ⅰ級(jí)傷損應(yīng)做好記錄，對(duì)Ⅱ級(jí)傷損應(yīng)列入維修計(jì)劃，對(duì)Ⅲ級(jí)傷損應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。

4)砂漿層傷損修復(fù)應(yīng)在對(duì)其進(jìn)行原因分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)傷損等級(jí)，對(duì)于溫度荷載或基礎(chǔ)沉降等不同原因引起的傷損采取針對(duì)性修復(fù)措施，并考慮與扣件系統(tǒng)的高低調(diào)整配合作業(yè)。

［1］吳紹利，吳智強(qiáng)，王鑫，等.板式無(wú)砟軌道軌道板與砂漿層離縫快速維修技術(shù)研究［J］.鐵道建筑，2012(3):115-117.

［2］王繼軍，尤瑞林，王夢(mèng)，等.單元板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)軌道板溫度翹曲變形研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2010，31(3):9-14.

［3］鐵道部工程管理中心.京津城際軌道交通工程CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道技術(shù)總結(jié)報(bào)告［R］.鐵道部工程管理中心，2008.

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