高速鐵路無砟軌道底座板整體抬升方案設計及試驗研究

董　明

(北京中鐵瑞威基礎工程有限公司,北京　100055)

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高速鐵路無砟軌道底座板整體抬升方案設計及試驗研究

董明

(北京中鐵瑞威基礎工程有限公司,北京100055)

摘要：針對高速鐵路部分線路路基沉降造成無砟軌道結(jié)構(gòu)整體下沉這一現(xiàn)狀,提出通過整體抬升板式無砟軌道底座板而后實施板底注漿的整治方法。通過數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)力學計算確定抬升方案,并分別采用等比例模型和短尺寸模型進行現(xiàn)場試驗,試驗結(jié)果驗證了方案的合理性和可行性,從而為下一步的上道施工提供理論和實踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：無砟軌道；底座板；抬升；注漿；試驗

1概述

國內(nèi)高速鐵路線路開通運營至今，部分線路的路基出現(xiàn)了不同程度的沉降，致使上部無砟軌道結(jié)構(gòu)隨之下沉，為了保持軌面高程，工務部門目前大多采取調(diào)整扣件系統(tǒng)進行順坡(更換軌墊，嵌入調(diào)整墊、軌墊和鋼制調(diào)節(jié)板等)。當沉降量產(chǎn)生的軌道不平順在扣件調(diào)整能力范圍內(nèi)時，該方法不失為一種簡捷、有效的措施；一旦沉降量超出扣件的調(diào)整范圍，則無法通過此方法加以解決[1-2]。對于運營線路的沉降整治，除通過調(diào)整扣件系統(tǒng)進行順坡這一臨時措施外，還有穩(wěn)固地基(基床)和抬升軌道兩種方法[3]。前者是采用鋼花管或袖閥管從沉降路段的路基兩側(cè)進行注漿加固，使路基沉降在短時間內(nèi)達到穩(wěn)定，但由于高鐵線路的基礎往往采用樁板結(jié)構(gòu)或樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方法進行處理，發(fā)生沉降的壓縮層一般較深，施工難度大，存在地基擾動后沉降加速的技術(shù)風險，目前尚沒有成功的案例可供借鑒。后者主要是針對沉降引起的軌道不平順超出扣件調(diào)整能力這一情況，通過該措施將軌道板抬升后，扣件調(diào)整能力得到恢復，如沉降繼續(xù)發(fā)展，可通過扣件調(diào)整在相當長一段時間內(nèi)滿足行車要求，符合國內(nèi)無砟軌道線路的實際情況，是一種現(xiàn)實可行的工程應用措施。目前，抬升板式無砟軌道可以選擇在軌道板與底座板之間的砂漿調(diào)整層進行，也可選擇在底座板與路基基床表層之間進行。在軌道板與底座板之間進行注漿抬升，最大的問題在于無法保證抬升后的軌面平順性，同時適用范圍也存在較大的局限性。因此，選擇在底座板與路基基床表層之間抬升軌道是目前較為現(xiàn)實可行的沉降整治措施，在底座板與路基基床表層之間直接注入聚氨脂高強發(fā)泡樹脂，通過注膠壓力和材料反應后產(chǎn)生的膨脹壓力共同實現(xiàn)軌道板結(jié)構(gòu)的抬升，且大部分工作可在線路外進行，對天窗點的要求不高。京通線和京滬線的兩次試驗結(jié)果表明，軌道板整體結(jié)構(gòu)的最大抬升量可達5.8 cm，加固處理后的路基動變形和板底脫空均得到一定改善。然而，這種方法最大的問題在于注入材料的膨脹壓力不可控，難以實現(xiàn)軌道的精確抬升，而高鐵恰恰對軌面高程有著嚴格的要求，需要對抬升量進行精確控制。采用專業(yè)頂升設備實現(xiàn)軌道抬升是目前較為合理可行的抬升方式，具體來說，就是先借助機械外力將發(fā)生沉降的軌道板結(jié)構(gòu)(包括底座板)整體抬升至下沉前的軌面高程，然后在底座板與路基基床表層之間注入填充材料，待材料固結(jié)后落下軌道板結(jié)構(gòu)，抬板和落板過程中，利用頂升設備附帶的位移量測裝置對軌道板結(jié)構(gòu)的抬升量進行精確控制。

2底座板整體抬升的技術(shù)難點

目前，國內(nèi)的高鐵軌道板分為CRTS-Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型，本文僅介紹Ⅰ型板式無砟軌道直線段的抬升。Ⅰ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)從上至下依次為鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、CA砂漿層和底座板[4]，如圖1所示。底座板采用C40鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，每20 m一段，尺寸為20 m×3 m×0.3 m，板之間設有凸型擋臺和伸縮縫；軌道板為C60預制混凝土板，尺寸為5 m×2.4 m ×0.2 m，即每塊底座板上方有4塊軌道板。抬升技術(shù)難點主要體現(xiàn)在以下幾個方面。(1)頂升點的選取和布置。底座板四周沒有任何承力支點，要想實現(xiàn)抬升，必須人為設置頂升點并加以合理布置。底座板在結(jié)構(gòu)上屬于彈性薄板，抗彎拉強度(尤其是縱向上)較低。如果頂升點的選取和布置不當，極有可能造成抬板過程中頂升點的荷載過大或彎矩超限，導致底座板發(fā)生破壞。(2)抬升工裝的設計。抬升工裝可視為抬板時人為設置的頂升點，其作用是通過一定方式實現(xiàn)與底座板的連接，并以此作為千斤頂?shù)某辛c，將千斤頂輸出的頂升力傳遞給底座板。其設計難點在于保證實現(xiàn)抬升的前提下，應盡可能滿足不同路段和各類板型，同時還要考慮工裝的搬運和安裝能夠適應高鐵線路的作業(yè)條件。(3)板底灌注材料及灌注設備的選擇。目前常用的板底灌注材料主要有兩類，一類是高聚物化學漿，這種材料固結(jié)后具有一定的柔性，可以較好地緩沖和吸收列車帶來的動載沖擊，但其成本較高，存在遇水發(fā)泡的問題；另一類是無機類漿材(如T漿)，其價格相對較低，但柔性不足，固結(jié)后呈脆性，在動載沖擊作用下易破碎，從而導致病害再次發(fā)生。選擇灌注設備關(guān)鍵是要考慮其能否滿足材料的可灌性要求以及灌注能力，同時還要盡可能使機具小巧、輕便，方便現(xiàn)場搬運和轉(zhuǎn)場。

圖1　CRTS-Ⅰ型板式軌道結(jié)構(gòu)示意

3抬升方案設計

本文采用的抬升原理是在底座板兩側(cè)按照一定的間距布置抬升工裝作為承力點，而后借助千斤頂提供的機械外力實現(xiàn)底座板的整體抬升，其示意如圖2所示。

圖2　底座板抬升原理示意

首先需要確定頂升點的數(shù)量并加以合理布置，這是實現(xiàn)抬升的關(guān)鍵。此外，還需要對抬升過程中可能產(chǎn)生的幾類破壞情況進行力學驗算，以確保各部位的結(jié)構(gòu)安全。

3.1頂升點數(shù)量的確定及布置

確定頂升點的數(shù)量并加以布置是一個較為復雜的計算過程，需要多次變換頂升點的間距和位置進行試算，同時還要考慮工裝與底座板間的相互作用以及工裝、軌道板結(jié)構(gòu)受力后自身的應力變化。計算采用有限元軟件PLAXIS[5]，工裝和軌道板結(jié)構(gòu)均按彈性體考慮，錨固螺栓植入底座板中，螺栓外側(cè)施加固定邊界，即將整個底座板及支座考慮為懸空，在自重作用下進行受力分析。整體計算模型如圖3所示，計算參數(shù)如表1所示。

圖3　軌道結(jié)構(gòu)計算模型

材料名稱彈性模量/MPa重度/(kN/m3)泊松比本構(gòu)模型C60混凝土3.6×10424.50.3彈性C40混凝土3.25×104240.3彈性CA砂漿200130.2彈性錨固螺栓2.1×10578.50.3彈性

計算時分別考慮了頂升點間距為2、3 m和4 m三種情況，結(jié)果表明：3 m和4 m兩種情況因間距過大而導致結(jié)構(gòu)應力超出混凝土抗拉強度，會造成底座板破壞。當頂升點間距為2 m時，支撐層底面中心線最大拉應力為0.28 MPa，小于底層鋼筋抗拉強度0.34 MPa；錨固螺栓處產(chǎn)生的最大壓應力為1.43 MPa，亦小于混凝土抗壓強度，說明間距為2 m的設計方案可行。圖4、圖5分別為該方案的板式軌道結(jié)構(gòu)應力分布圖和螺栓豎向內(nèi)力圖。

圖4　板式軌道結(jié)構(gòu)應力分布

圖5　螺栓豎向內(nèi)力

3.2結(jié)構(gòu)破壞情況的力學驗算

抬升過程中有可能出現(xiàn)3類破壞情況：(1)混凝土底座板產(chǎn)生拉裂破壞；(2)工裝自身破壞；(3)錨固螺栓部位的混凝土受壓破壞。針對這3類破壞情況進行力學驗算如下。

(1)第一類破壞

根據(jù)以上確定的設計方案，可將整個底座板按2 m間距簡化成一系列簡支梁(圖6)，若底座板能夠承受自身重力、上部軌道板和CA砂漿層的均布荷載以及鋼軌的線荷載，且不產(chǎn)生裂縫，則可認為安全。

圖6　底座板受力簡圖

很顯然，該簡支梁的最大彎矩出現(xiàn)在跨中，其計算公式為

(1)

式中，G鋼為鋼軌自重；G軌為軌道板自重；G砂為CA砂漿層自重；G底 為底座板自重；L為兩頂升點之間的距離。

為保證底座板不發(fā)生開裂，板下部的混凝土與鋼筋要共同承受彎矩產(chǎn)生的拉力(見圖7)[6]，公式(1)中求得的M值需滿足下面的正截面受彎驗算公式

(2)

式中，fy為鋼筋抗拉強度；As為受拉鋼筋截面面積；h0為板的有效高度；xn為適筋梁破壞時的受壓區(qū)高度。

經(jīng)計算，抬升時的實際彎矩值小于正截面受彎驗算公式中的設計彎矩值，表明不會產(chǎn)生第一類破壞。

圖7　正截面受彎力學示意

(2)第二類破壞

工裝發(fā)生破壞的情況主要表現(xiàn)為焊縫開裂，計算時以鋼支撐三角連接件和上部頂板為研究對象。計算簡圖如圖8所示，焊縫驗算公式如下

(3)

式中，τf為焊縫最大剪應力；N為焊縫承受的外力；he為焊角有效高度；lw為焊縫計算長度。

計算結(jié)果顯示鋼支撐安全。

(3)第三類破壞

此類破壞情況包括錨固螺栓自身破壞和螺栓周邊混凝土破壞，計算時考慮最不利的情況，即所有力均由螺栓承受，計算簡圖如圖9所示。由此得出的每個頂升點受力和力矩均小于混凝土的抗壓強度，表明錨固螺栓安全。

圖8　焊縫受力計算簡圖

圖9　錨固螺栓受力計算簡圖

通過上述數(shù)值計算和力學驗算結(jié)果可知，頂升點間距為2 m的設計方案可以滿足抬升過程中結(jié)構(gòu)的應力要求，同時不會造成工裝自身、錨固螺栓及其周邊混凝土的破壞，理論上是一種切實可行的抬升方案。由此確定的頂升點布置如圖10所示。

圖10　經(jīng)方案設計確定的頂升點平面布置示意(單位：m)

4現(xiàn)場試驗

為了驗證抬升設計方案的可行性及實用性，分別采用等比例模型和短尺寸模型對抬升過程控制、灌注材料性能和灌注方式以及板底灌注效果等進行了現(xiàn)場試驗。

4.1等比例模型試驗

試驗時共澆筑了兩塊底座板，板之間設置了凸型擋臺和伸縮縫，上部軌道板、CA砂漿層、鋼軌和扣件則用砂袋替代，如圖11所示。

圖11　底座板模型和工裝安裝后的情況

按照設計方案，在底座板兩側(cè)對應的每個頂升點共架設液壓千斤頂22支，同時按圖12所示的位置安設位移傳感器6套，分別監(jiān)測底座板兩端和中部在抬升過程中的位移變化情況。

圖12　千斤頂及位移傳感器安設示意

抬升采用多點同步頂升系統(tǒng)，液壓泵站分3次加壓，每次輸出的壓力分別為設計頂升力的50%、70%和100%，同時借助位移傳感器監(jiān)控力和位移兩項指標，確保各千斤頂?shù)奶渴冀K保持一致。當輸出壓力達到設計頂升力的50%時，底座板與地面脫開；達到70%時，底座板抬離地面約1 cm；達到100%時，底座板抬離地面約3 cm，同時接近千斤頂?shù)念~定行程，如圖13所示。因現(xiàn)場條件所限，等比例模型試驗未能實現(xiàn)板底灌注。

圖13　底座板整體抬升的情況

4.2短尺寸模型試驗

由于等比例模型試驗未能實現(xiàn)板底灌注，為彌補這一缺憾，又采用短尺寸模型進行了補充試驗。所謂短尺寸模型，就是縮短等比例模型底座板的長度而保持寬度和厚度不變，其尺寸為4 m ×3 m ×0.3 m，如圖14所示。

圖14　短尺寸底座板模型

(1)灌注材料性能測定

灌注材料性能和灌注設備直接關(guān)系到板底灌注效果，與底座板抬升具有同等重要的地位。根據(jù)上文所述，純剛性或純?nèi)嵝圆牧隙茧y以滿足板底灌注的實際需要，適用的材料必須兼有剛性和柔性的特點，經(jīng)過廣泛篩選和反復室內(nèi)試驗，確定將改性環(huán)氧砂漿作為試驗材料。試驗時著重測定了材料的初凝時間、終凝時間和1、2 h抗壓強度(表2)。灌注設備則采用自行改造的小型砂漿泵。

表2　改性環(huán)氧砂漿的抗壓強度

注：①試驗當日的水溫、料溫和氣溫分別為19、20 ℃和21 ℃；②按照列車一對車輪的最大荷載390 kN計算，4 m短板支撐可產(chǎn)生的荷載為(390+130)/12=0.043 MPa，未考慮動荷載作用。

試驗結(jié)果表明，材料保證材料的各項性能能夠滿足天窗點作業(yè)時間和線路開通后的荷載要求。

(2)灌注方式及效果對比

灌注方式的選擇直接關(guān)系到作業(yè)準備時間、灌注效率及灌注效果等多個方面，試驗時分別對在底座板上方鉆設垂直注漿孔和從板底兩側(cè)插入注漿管并封邊這兩種灌注方式(圖15)進行了對比。前者在灌注前需要鉆孔，但灌注效率較高，并有利于漿液在板底的擴散；后者無需鉆孔，可直接將注漿管插入底座板與地面之間的空隙實施灌注，但漿液的擴散效果稍差。

圖15　兩種灌注方式的布孔情況

為了檢驗灌注效果，試驗結(jié)束后用吊車將底座板移開，通過現(xiàn)場觀察，兩種灌注方式均可保證板底充填密實(圖16)，二者的灌注效果接近。

圖16　板底灌注效果檢驗

5結(jié)論

(1)通過對目前軌道抬升方法的分析和總結(jié)認為，依靠材料自身膨脹壓力抬升的方法存在因壓力不可控而難以實現(xiàn)精確抬升的弊端，采用專業(yè)頂升設備進行軌道抬升才是最為合理可行的方式。

(2)數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)力學簡算結(jié)果表明，底座板兩側(cè)的頂升點應按2 m間距設置，該設計方案在保證底座板整體抬升的同時，可以防止底座板、工裝自身和錨固螺栓部位的混凝土不出現(xiàn)破壞。

(3)按照設計方案實施的等比例模型試驗成功實現(xiàn)了底座板的整體抬升，混凝土結(jié)構(gòu)、工裝及錨固螺栓自身全程未出現(xiàn)破壞，證明方案合理可行。

(4)短尺寸模型試驗彌補了板底灌注環(huán)節(jié)，改性環(huán)氧砂漿的初凝、終凝時間及抗壓強度等性能指標可以滿足板底灌注的實際需要；對不同灌注方式的試驗結(jié)果顯示，兩種方式的灌注效果接近，但在作業(yè)準備時間和灌注效率上存在差異。

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Design and Experimental Study on Uplifting Base Plate of High Speed Railway Ballastless TrackDONG Ming

(Beijing Zhongtie Railway Soil Engineering Co., Ltd., Beijing 100055, China)

Abstract：In the face of the integral sinking of ballastless track structure due to settlement of subgrade on some high speed railway lines, a remediation method is proposed to uplift the base plate of ballastless track and grout under the plate. The uplifting scheme is determined with numerical simulation and structural mechanics computation. Full scale model test and short size model test are conducted respectively, and the rationality and feasibility of the scheme are verified by the test results, which provide theoretical and practical references for later on-track construction.

Key words：Ballastless track; Base plate; Uplift; Grout; Test

中圖分類號：U213.2+44

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2015.05.013

文章編號：1004-2954(2015)05-0060-05

作者簡介：董明 (1976—)，男，工程師，2001年畢業(yè)于華東交通大學土木工程專業(yè)，工學學士，E-mail：1020572768@qq.com。

收稿日期：2014-07-16； 修回日期：2014-08-22