高溫條件下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道變形整治措施研究

譚社會(huì)

（上海鐵路局，上?！?00071）

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高溫條件下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道變形整治措施研究

譚社會(huì)

（上海鐵路局，上海200071）

摘要針對(duì)高溫條件下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板離縫上拱、寬接縫破損等結(jié)構(gòu)病害，在病害類型調(diào)研及成因分析的基礎(chǔ)上，對(duì)既有CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道離縫上拱的病害整治方案進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)合CRTSⅡ型軌道板修復(fù)試驗(yàn)，利用有限元方法分析了植筋錨固和注膠對(duì)軌道板離縫上拱的整治效果，在此基礎(chǔ)上提出了CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道離縫上拱病害整治的優(yōu)化及預(yù)防措施，為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害的養(yǎng)護(hù)維修提供參考。

關(guān)鍵詞高溫；CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道；變形整治；軌道板上拱

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)吸收了軌枕埋入式無(wú)砟軌道整體性好和板式軌道制造及施工便利的優(yōu)點(diǎn)，先后在京津城際鐵路、滬杭高鐵、京滬高鐵等線成功應(yīng)用。我國(guó)目前CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道正線總運(yùn)營(yíng)里程約5 000 km，主要集中在華東和華北地區(qū)，分布情況如圖1所示［1］。

圖1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道線路分布示意

目前CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道在我國(guó)的總體使用情況良好，但由于其縱向連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，極端高溫條件下個(gè)別薄弱區(qū)段會(huì)出現(xiàn)軌道板上拱離縫、寬接縫破損等病害［2］，影響線路的平順性和耐久性，對(duì)行車安全造成巨大隱患。

上海鐵路局地處華東地區(qū)，高溫天氣多，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，管內(nèi)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道鋪設(shè)數(shù)量大，若以此為樣本對(duì)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道溫度變形引起的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害及其整治進(jìn)行剖析，或許具有一定的代表性。本文在脹板病害發(fā)生、整治措施調(diào)研的基礎(chǔ)上［3-7］，通過(guò)理論分析和實(shí)踐檢驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了既有方案并進(jìn)行了局部?jī)?yōu)化，提出了后續(xù)預(yù)防性措施，為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害的養(yǎng)護(hù)維修提供參考和借鑒。

1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道病害概述

1. 1病害特征統(tǒng)計(jì)

上海鐵路局管內(nèi)共有滬杭、京滬、合蚌、寧杭、杭甬、杭長(zhǎng)、合福共7條CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)類型高鐵，總運(yùn)營(yíng)里程1 670. 8 km。開(kāi)通以來(lái)，各條線在高溫條件下產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)病害統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

從表1可知，CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后高溫變形引起的結(jié)構(gòu)病害較為普遍，主要表現(xiàn)為軌道板破損（圖2）、寬接縫破損（圖3）、軌道板與CA砂漿間離縫（圖4）3種主要病害。

1. 2病害整治統(tǒng)計(jì)

2013年夏季全國(guó)大范圍高溫，華東地區(qū)極端氣溫達(dá)40℃，上海鐵路局管內(nèi)累計(jì)發(fā)現(xiàn)CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板破損、寬接縫破損、CA砂漿離縫達(dá)到4 ～5 mm及以上突出問(wèn)題116處。針對(duì)病害情況，原則上依據(jù)第1 d植筋，第2 d處理寬接縫，第3 d注膠、修補(bǔ)、精調(diào)，第4 d提速的思路進(jìn)行病害整治。另外，排查發(fā)現(xiàn)軌道板與CA砂漿離縫處所2 705處，對(duì)其中的1 153處進(jìn)行了注膠處理。

2014年，排查發(fā)現(xiàn)軌道板與CA砂漿離縫處所1 248處，對(duì)其中的984處進(jìn)行了注膠處理，注膠處理中的24處進(jìn)行了植筋。

表1　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)歷年高溫條件下結(jié)構(gòu)病害統(tǒng)計(jì)

圖2　軌道板破損

圖3　寬接縫破損

圖4　軌道板與CA砂漿離縫

2015年，排查發(fā)現(xiàn)軌道板與CA砂漿離縫915處，全部進(jìn)行了注膠處理，其中16處進(jìn)行了植筋處理。

2　CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道病害成因分析及整治

2. 1成因分析

1）設(shè)計(jì)方面

氣溫過(guò)高。從上述情況來(lái)看，寬接縫及軌道板破損全部集中在2013年，而當(dāng)年7月下旬至9月初，長(zhǎng)江三角洲地區(qū)氣溫均在38℃以上，最高已突破40℃。在該氣溫條件下，根據(jù)測(cè)點(diǎn)測(cè)量，軌道板白天正溫度梯度（板面溫度高于板底溫度）達(dá)到100℃/m，凌晨負(fù)溫度梯度（板面溫度低于板底溫度）達(dá)到- 50℃/m，均高于設(shè)計(jì)推薦的正溫度梯度90℃/m和負(fù)溫度梯度- 45℃/m［8］，是造成CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道病害的主要原因。

2）施工方面

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道縱向連續(xù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)施工時(shí)的溫度控制提出了更加嚴(yán)格的要求。鋪板施工時(shí)若縱連合龍溫度低于設(shè)計(jì)溫度，將使軌道板在夏季持續(xù)高溫時(shí)集聚壓應(yīng)力，當(dāng)壓應(yīng)力過(guò)大時(shí)造成接縫或軌道板破損。另外部分線路軌道板縱連不及時(shí)、個(gè)別處所張拉鎖件缺失或安裝不到位、板間接縫混凝土質(zhì)量不好等也是造成CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道病害的重要原因。

3）結(jié)構(gòu)方面

溫度荷載是無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)的主要荷載之一，溫度荷載包括軸向溫度荷載和溫度梯度荷載兩種。其中，軸向溫度荷載引起軌道結(jié)構(gòu)縱向伸縮變形，溫度梯度荷載引起軌道板翹曲變形。由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能較差，軌道板在日照條件下上表面溫度高于下表面溫度，在厚度方向上形成正溫度梯度，由此產(chǎn)生變形差異使軌道板上拱變形。在冬季較冷或夏季氣溫驟降時(shí)軌道板上表面溫度低于下表面溫度，在厚度方向上形成負(fù)溫度梯度使軌道板板端上翹變形。上述周期性翹曲變形是造成CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道病害的次要原因。

2. 2整治方法

目前CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道軌道板破損或?qū)捊涌p破損整治主要采用植筋和注膠的方法。以解開(kāi)一條傷損寬接縫為例，整治處理前后各7塊板（見(jiàn)圖5）。具體實(shí)施步驟為：錨固區(qū)板底注膠、軌道板植筋錨固→軌道板解鎖→板縫壓膠及軌道板修復(fù)→軌道板張拉、板間接縫澆筑→板底注膠→寬接縫相鄰軌道板植筋→鋼軌精調(diào)［9-10］。

圖5　軌道板處理示意

1）軌道板植筋錨固

植筋錨固：1～3號(hào)和12～14號(hào)軌道板植筋8 根/塊，4～5號(hào)和10～11號(hào)軌道板植筋10根/塊，6號(hào)和9號(hào)軌道板植筋16根/塊，7號(hào)和8號(hào)軌道板植筋8 根/塊，共計(jì)136根。

2）軌道板解鎖

錨固區(qū)軌道板植筋完成并達(dá)到強(qiáng)度后，鑿除已傷損的寬、窄接縫混凝土（板縫下砂漿不鑿除），解開(kāi)張拉鎖件（如張拉鎖件完好，則可利用原張拉鎖件，不需取出）。

3）板縫壓膠及軌道板修復(fù)

軌道板解鎖后，如軌道板有劈裂或承軌臺(tái)失效，對(duì)軌道板的板端縫隙進(jìn)行壓膠處理。對(duì)軌道板上表面剝落、掉角等采用聚合物水泥砂漿進(jìn)行修復(fù)。

4）軌道板張拉、板間接縫澆筑

降溫后從中間至兩邊對(duì)稱張拉軌道板（張拉力50 kN/根，扭矩450 N·m），采用聚合物混凝土澆注軌道板窄接縫、寬接縫。

5）寬接縫相鄰軌道板植筋

寬接縫相鄰7號(hào)和8號(hào)軌道板植筋8根/塊。

6）板底注膠

軌道板植筋后，7號(hào)和8號(hào)軌道板底注膠，修補(bǔ)軌道板與砂漿的離縫。

7）軌道精調(diào)

調(diào)整扣件，使軌面滿足平順度要求。

3　軌道板植筋錨固與注膠整治效果分析

3. 1理論分析

為評(píng)價(jià)軌道板植筋錨固和注膠對(duì)軌道板上拱整治的效果，同時(shí)對(duì)兩種整治措施進(jìn)行對(duì)比，建立CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道空間耦合模型，模型中軌道板用實(shí)體單元模擬，砂漿層的縱橫向阻力和垂向剛度用非線性彈簧單元模擬。

1）計(jì)算參數(shù)

為確定原始砂漿界面軌道板與砂漿層間的黏結(jié)力以及植筋和注膠后軌道板與砂漿層之間的黏結(jié)力，根據(jù)設(shè)計(jì)單位軌道板注膠修復(fù)的推板試驗(yàn)和軌道板植筋修復(fù)的推板試驗(yàn)，得到的主要參數(shù)如表2所示［11］。

表2　CRTSⅡ型軌道板修復(fù)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2）整治效果理論計(jì)算分析

為對(duì)軌道板植筋錨固和注膠進(jìn)行對(duì)比，利用建立的有限元模型進(jìn)行了以下3種工況的模擬：①軌道板與砂漿層出現(xiàn)離縫（離縫的長(zhǎng)度取6. 45 m），整體溫度荷載取30℃；②采用本文2. 2的整治方法，但軌道板與砂漿層離縫僅采用注膠修復(fù)，但不植筋，整體溫度荷載取30℃；③采用本文2. 2的整治方法，軌道板與砂漿層離縫僅采用植筋修復(fù)，但不注膠，整體溫度荷載取30℃。圖6～圖8分別為上述3種工況對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。

圖6　整體溫度荷載作用下軌道板離縫導(dǎo)致的上拱位移（單位：m）

圖7　整體溫度荷載作用下軌道板注膠修復(fù)后的位移（單位：m）

圖8　整體溫度荷載作用下軌道板植筋修復(fù)后的位移（單位：m）

從圖6可以看出，當(dāng)軌道板板端出現(xiàn)離縫時(shí)，在整體溫度荷載為30℃時(shí)，軌道板與砂漿層出現(xiàn)的離縫寬度為3. 4 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際出現(xiàn)的離縫值較為接近。圖7和圖8分別為整體溫度荷載為30℃時(shí)采用注膠修復(fù)和植筋修復(fù)后的軌道板變形情況，采用注膠修復(fù)后軌道板的垂向變形量為0. 07 mm，采用植筋修復(fù)后軌道板的垂向變形量為0. 09 mm，因此兩種方法均能有效修復(fù)軌道板上拱，且修復(fù)的效果均較理想。

3. 2實(shí)踐分析

2013年上海鐵路局管內(nèi)出現(xiàn)的多處軌道病害中，軌道板、寬接縫破損通過(guò)“植筋錨固、打開(kāi)寬窄接縫、軌道板裂縫修補(bǔ)、接縫恢復(fù)（張拉和澆筑）、板底注膠、軌道精調(diào)和逐級(jí)提速”的方案整治后，至今已2年有余，整治地段未再發(fā)現(xiàn)相應(yīng)病害；對(duì)于CA砂漿離縫≥2 mm處所在（25±3）℃氣溫進(jìn)行注漿處理后，作業(yè)地段也未再發(fā)生新增離縫。

3. 3優(yōu)化和預(yù)防措施

對(duì)于軌道板或者寬接縫破損病害，為了控制寬接縫破損處兩側(cè)的軌道板縱、橫向位移和垂向上拱，減輕軌道板對(duì)寬接縫的進(jìn)一步擠壓破壞，目前只能采用植筋結(jié)合注膠的方式進(jìn)行綜合處理。對(duì)于軌道板或者寬接縫未破損情況下的軌道板上拱，通過(guò)理論計(jì)算可知，采用植筋和注膠的方法均能有效修復(fù)軌道板上拱。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到植筋對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，在能保證現(xiàn)場(chǎng)注膠質(zhì)量的前提下，可考慮減少植筋的范圍和數(shù)量。注膠若采用黏度和收縮度低、固化速度快、黏結(jié)強(qiáng)度高、柔韌性好的膠，效果更好。

高溫條件下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道變形一旦發(fā)生，會(huì)造成結(jié)構(gòu)傷損、幾何尺寸超限，對(duì)行車安全產(chǎn)生不利影響，因此對(duì)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害的主動(dòng)防控更為重要，為此需注重以下3個(gè)方面的工作。

1）做好動(dòng)靜態(tài)檢查，極端高溫（比歷史最高氣溫低2℃）或連續(xù)5 d以上氣溫超過(guò)37℃時(shí)，安排專項(xiàng)檢查，同時(shí)加密添乘。高溫天氣加強(qiáng)薄弱地段的檢查或利用巡檢系統(tǒng)檢查無(wú)砟軌道外觀。

2）加強(qiáng)軌道板基礎(chǔ)管理，根據(jù)檢查情況，完善CRTSⅡ型軌道板離縫和板間接縫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為重點(diǎn)監(jiān)控和深入分析提供依據(jù)。建立軌道板整治地段專項(xiàng)臺(tái)帳，動(dòng)態(tài)更新完善。

3）做好結(jié)構(gòu)整修，加強(qiáng)對(duì)軌道板CA砂漿流漿、離縫地段的檢查和統(tǒng)計(jì)，納入軌道板整治項(xiàng)目。對(duì)＞230 mm，＜190 mm（寬接縫設(shè)計(jì)寬度210 mm，根據(jù)張拉鎖件縱連數(shù)據(jù)，＜190 mm時(shí)常規(guī)張拉鎖件安裝不上，＞230 mm時(shí)常規(guī)張拉鎖件不夠長(zhǎng)）的寬接縫重點(diǎn)檢查，加強(qiáng)監(jiān)控；有條件時(shí)在適宜溫度重新澆筑。

4　結(jié)論

本文在調(diào)研高溫條件下CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害的基礎(chǔ)上，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的手段對(duì)離縫上拱病害原因及整治措施進(jìn)行了分析，得到以下結(jié)論：

1）溫度荷載是夏季引起CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道離縫上拱病害的主要原因。

2）對(duì)于發(fā)生軌道板或?qū)捊涌p結(jié)構(gòu)破損的病害，目前主要采用植筋和注膠的方法整治。一般情況可按本文提出的步驟實(shí)施，同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)破損、幾何尺寸超限、影響范圍等實(shí)際情況，按照“一處一方案”的原則進(jìn)行細(xì)化處置。

3）對(duì)于未發(fā)生軌道板或?qū)捊涌p破損，僅僅產(chǎn)生軌道板上拱的病害，軌道板植筋錨固和注膠2種方法均能有效修復(fù)軌道板上拱，效果較理想。但考慮到植筋對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞，在能保證現(xiàn)場(chǎng)注膠質(zhì)量的前提下，可考慮減少植筋的范圍和數(shù)量。

4）增強(qiáng)主動(dòng)防控，做好結(jié)構(gòu)整修。即加強(qiáng)對(duì)軌道板與CA砂漿離縫地段、CA砂漿流漿地段的檢查整修，加強(qiáng)對(duì)封閉層狀態(tài)檢查；對(duì)未設(shè)伸縮縫的封閉層和上拱封閉層及時(shí)切割設(shè)置伸縮縫。對(duì)＞230 mm，＜190 mm的寬接縫根據(jù)條件適時(shí)重新澆筑處理。

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（責(zé)任審編孟慶伶）

Study on Deformation Treatment Measures for CRTSⅡSlab-type Ballastless Track in High Temperature Condition

TAN Shehui
（Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China）

AbstractAccording to the CRT SⅡslab-type ballastless track structure diseases such as track slab splitting and arching，and wide joint damage in high temperature condition，this paper summarized the existing disease treatment measures for track slab splitting and arching of CRT SⅡslab-type ballastless track by disease type investigation and cause analysis. Combing with the repair test of CRT SⅡtrack slab，the FEM method was used to analyze the treatment effect of anchorage and plastic injection on track slab splitting and arching，and the disease treatment optimization and precaution measures of CRT SⅡslab-type ballastless track splitting and arching were put forward，which will provide a reference for the maintenance of ballastless track structure diseases.

Key wordsHigh temperature；CRT SⅡslab-type ballastless track；Deformation treatment；T rack slab arching

中圖分類號(hào)U216. 4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 06

文章編號(hào)：1003-1995（2016）05-0023-05

收稿日期：2016-03-05；修回日期：2016-03-25

基金項(xiàng)目：中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃（Z2013-G001；2014G001-A）

作者簡(jiǎn)介：譚社會(huì)（1973—），男，高級(jí)工程師。