高速鐵路無(wú)砟軌道擋肩及承軌槽傷損維修技術(shù)

姜子清，杜香剛，劉偉斌，易忠來(lái)，王繼軍，江 成

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 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)

擋肩和承軌槽是軌道結(jié)構(gòu)支撐鋼軌和限位的關(guān)鍵部位，也是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和維修的重點(diǎn)部位，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響列車(chē)運(yùn)行安全性和平穩(wěn)性[1]。高速鐵路正線無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)分有擋肩和無(wú)擋肩2類(lèi)。CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的軌道板采用無(wú)擋肩的形式，如圖1所示；CRTSⅡ型板式和CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道(如圖2所示)的軌道板及雙塊式無(wú)砟軌道的軌枕采用有擋肩的形式。

圖1 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道(無(wú)擋肩)

圖2 CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道(有擋肩)

無(wú)砟軌道建造和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于軌道板或雙塊式軌枕制造、存放、運(yùn)輸、鋪設(shè)、養(yǎng)護(hù)維修等原因，引起擋肩或承軌槽不同程度的傷損，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，嚴(yán)重時(shí)甚至影響結(jié)構(gòu)安全[2-6]。但現(xiàn)行的鐵運(yùn)函[2012]83號(hào)《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[7]并未對(duì)擋肩和承軌槽的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，也未給出擋肩和承軌槽維修技術(shù)方法，而鐵運(yùn)函[2006]146號(hào)《鐵路線路維修規(guī)則》[8]和鐵運(yùn)函[2013]29號(hào)《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[9]中有砟軌道軌枕的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)和更換維修技術(shù)方法并不完全適用于無(wú)砟軌道。因此，有必要對(duì)不同類(lèi)型無(wú)砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕?yè)跫缂俺熊壊蹅麚p進(jìn)行分析，研究傷損判定標(biāo)準(zhǔn)和維修方法，為運(yùn)營(yíng)線路擋肩及承軌槽傷損維修提供支撐。

1 傷損類(lèi)型及原因分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)多條CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和CRTS Ⅲ型板式和雙塊式無(wú)砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，擋肩和承軌槽傷損形式主要有承軌部位整體破損、擋肩缺損掉塊、擋肩和承軌槽裂縫等。傷損的原因各有不同，分述如下。

圖3 承軌部位整體破損

1)承軌部位整體破損

承軌部位整體破損表現(xiàn)為承軌槽混凝土表面沿套管四周出現(xiàn)多條裂縫、承軌槽部位混凝土與軌道板或軌枕本體剝離、擋肩整體剝離掉塊等，如圖3所示。此類(lèi)傷損多出現(xiàn)在某些特殊工況和個(gè)別區(qū)段，一般由外部氣候環(huán)境條件或外荷載等引起，如嚴(yán)寒地區(qū)扣件套管進(jìn)水引起承軌槽區(qū)域混凝土凍裂、鋼軌鎖定過(guò)程中操作不當(dāng)引起鋼軌溫度力將混凝土拉裂等。承軌部位整體破損引起扣件螺栓與板體連接失效，影響鋼軌支撐和擋肩的橫向限位作用，需及時(shí)維修。

2)擋肩缺損掉塊

軌道板或雙塊式軌枕?yè)跫缛睋p掉塊表現(xiàn)為不同程度的擋肩局部或整體缺損掉塊，如圖4所示。擋肩缺損掉塊多是由于磕碰撞擊引起，對(duì)于CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道板也存在縱向溫度力引起軌道板板端劈裂導(dǎo)致?lián)跫缛睋p失效。擋肩缺損掉塊影響擋肩橫向限位作用，需及時(shí)維修。

圖4 擋肩缺損掉塊

3)擋肩和承軌槽裂縫

軌道板或雙塊式軌枕?yè)跫绾统熊壊鄄课换炷亮芽p(如圖5所示)是相對(duì)較多的一類(lèi)傷損。裂縫有2種形式：①網(wǎng)狀的細(xì)密裂縫，裂縫寬度一般小于0.05 mm；②裂縫自扣件套管周邊向外延伸至擋肩，裂縫寬度一般小于0.1 mm。軌道板或雙塊式軌枕制造過(guò)程中混凝土養(yǎng)護(hù)不到位、鋪設(shè)或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中鋼軌溫度力等都可能引起擋肩和承軌槽開(kāi)裂。擋肩和承軌槽裂縫主要影響結(jié)構(gòu)耐久性，寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)也可能由于進(jìn)水凍脹加速劣化，需列入計(jì)劃適時(shí)維修。

圖5 擋肩和承軌槽裂縫

2 傷損判定標(biāo)準(zhǔn)研究

目前，高速鐵路無(wú)砟軌道擋肩和承軌槽傷損維修主要參考《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中有砟軌道混凝土軌枕的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)，但其僅給出擋肩和承軌槽失效和嚴(yán)重傷損2種條件的判定標(biāo)準(zhǔn)。與有砟軌道混凝土枕相比，無(wú)砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕更換較為困難，擋肩和承軌槽傷損判定標(biāo)準(zhǔn)及其維修方法與有砟軌道有所不同。無(wú)砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕承軌部位整體破損通過(guò)傷損特征即可較容易判定；擋肩和承軌槽裂縫傷損判定可參照《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中雙塊式軌枕的裂縫傷損判定；而對(duì)于擋肩缺損掉塊傷損的判定，則缺少相應(yīng)的規(guī)定。針對(duì)混凝土擋肩缺損掉塊傷損，通過(guò)模擬不同程度的傷損，測(cè)試損傷后擋肩的承載能力研究確定混凝土擋肩的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)擋肩缺損掉塊傷損情況，對(duì)4種工況的擋肩缺損掉塊進(jìn)行測(cè)試，并與無(wú)缺損工況的擋肩進(jìn)行對(duì)比。4種擋肩缺損掉塊工況分別為缺損面積30%,40%,50%,60%。

測(cè)試采用千斤頂進(jìn)行加載，用測(cè)力傳感器確定擋肩破壞時(shí)的荷載，并用油壓表讀數(shù)進(jìn)行校核，如圖6所示。

圖6 混凝土擋肩承載能力測(cè)試

擋肩無(wú)缺損和缺損面積30%,40%,50%和60%時(shí)剪切破壞測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)混凝土擋肩無(wú)缺損時(shí)，抗剪承載能力為84～105 kN?；炷翐跫缛睋p面積30%時(shí)，抗剪承載能力約為68～74 kN；缺損面積40%時(shí)，抗剪承載能力約為62～78 kN；缺損面積50%時(shí)，抗剪承載能力約為59～77 kN；缺損面積60%時(shí)，抗剪承載能力約為49～56 kN。

2)按抗剪承載能力下限考慮，與擋肩無(wú)缺損相比，缺損面積30%時(shí)擋肩承載能力下降約20%，缺損面積40%,50%,60%時(shí)，分別下降約26%,30%,42%。

3)擋肩破壞為脆性破壞，剪切破壞界面基本出現(xiàn)在擋肩底部與承軌面相交處。剪切破壞界面出現(xiàn)裂縫至擋肩完全破壞過(guò)程極短，即擋肩出現(xiàn)水平裂縫后其承載能力急劇下降。

根據(jù)我國(guó)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]等相關(guān)規(guī)定，作用于鋼軌上的列車(chē)橫向荷載為0.8Pj,Pj為靜輪載，取85 kN?？紤]荷載分配系數(shù)，計(jì)算得單個(gè)擋肩可能承受的橫向荷載

Q=0.8Pj×0.5=34 kN

在擋肩橫向荷載檢算中，常常還會(huì)在此基礎(chǔ)上考慮1.5的增加系數(shù)，以保證在可能出現(xiàn)的附加動(dòng)荷載效應(yīng)及其他不利條件下的安全冗余，在此條件下?lián)跫鐧M向荷載為34×1.5=51 kN。

通過(guò)對(duì)擋肩無(wú)缺損、缺損面積30%，40%，50%，60%時(shí)抗剪承載能力測(cè)試值及擋肩檢算橫向荷載值的綜合分析，當(dāng)擋肩缺損面積不超過(guò)50%時(shí)，可以滿(mǎn)足承載能力要求。因此建議：當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到50%及以上時(shí)，判定擋肩整體失效，需對(duì)擋肩進(jìn)行整體更換修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到30%時(shí)，擋肩具有部分的承載能力，但需及時(shí)修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積不超過(guò)30%時(shí)，擋肩具有一定的承載能力，但需列入計(jì)劃適時(shí)修復(fù)。

3 傷損修復(fù)

無(wú)砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕承軌部位整體破損可通過(guò)采用在失效扣件節(jié)點(diǎn)兩側(cè)安裝代用承軌臺(tái)或在原扣件節(jié)點(diǎn)處重新立模板維修；擋肩和承軌槽裂縫可參照《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中雙塊式軌枕的裂縫傷損修補(bǔ)進(jìn)行維修；擋肩缺損掉塊傷損可參照《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中混凝土缺損修補(bǔ)規(guī)定進(jìn)行維修。

3.1 承軌部位整體失效維修

以CRTS I型板式無(wú)砟軌道預(yù)制軌道板承軌部位整體失效為例，根據(jù)承軌臺(tái)位置可分為板端承軌臺(tái)和板中承軌臺(tái)2種情況。

1)板端承軌臺(tái)失效維修

CRTS I型板式無(wú)砟軌道預(yù)制軌道板板端承軌臺(tái)傷損可采取聚氨酯材料修補(bǔ)后安裝鋼墊板方案進(jìn)行維修。維修方法如下：①在軌道板上打孔，然后用錨固膠埋設(shè)預(yù)埋套管。鉆孔前應(yīng)對(duì)鉆孔區(qū)域采用鋼筋探測(cè)儀進(jìn)行鋼筋探測(cè)并結(jié)合軌道板鋼筋布置圖，嚴(yán)禁鉆孔碰觸預(yù)應(yīng)力鋼筋，并盡量避免碰觸普通鋼筋。②將軌道板上破損承軌臺(tái)及周邊混凝土清除干凈，然后用承軌臺(tái)修補(bǔ)材料將軌道板上清除混凝土部位填滿(mǎn)，并與軌道板上表面(非承軌臺(tái)面)保持齊平。③清除軌道板上修補(bǔ)遺留的污物，保持軌道板上表面平整。④向每個(gè)預(yù)埋套管中注入防護(hù)油脂。⑤安裝扣件系統(tǒng)，扣件安裝前套管錨固強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足抗拔力要求。⑥調(diào)整軌道幾何尺寸。板端增設(shè)承軌臺(tái)后維修效果如圖7所示。

圖7 板端增設(shè)承軌臺(tái)后維修效果

2)板中承軌臺(tái)失效維修

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道預(yù)制軌道板板中承軌臺(tái)傷損采取聚氨酯材料修補(bǔ)后增設(shè)扣件方案進(jìn)行維修。維修方法如下：①在軌道板上鉆孔，用于埋設(shè)預(yù)埋套管。嚴(yán)禁鉆孔碰觸預(yù)應(yīng)力鋼筋，并盡量避免碰觸普通鋼筋。②采用錨固膠埋設(shè)預(yù)埋套管，錨固膠的黏結(jié)強(qiáng)度、固結(jié)時(shí)間等滿(mǎn)足抗拔力要求和天窗時(shí)間要求。③清除軌道板上高強(qiáng)度快速黏結(jié)劑遺留的污物，保持軌道板上表面平整。④向每個(gè)預(yù)埋套管中注入防護(hù)油脂。⑤安裝扣件系統(tǒng)，扣件安裝前套管錨固強(qiáng)度應(yīng)滿(mǎn)足抗拔力要求。⑥調(diào)整軌道幾何尺寸。板中增設(shè)承軌臺(tái)后維修效果如圖8所示。

圖8 板中增設(shè)承軌臺(tái)后維修效果

3.2 擋肩和承軌槽裂縫修補(bǔ)

對(duì)擋肩和承軌槽寬度小于0.1 mm的裂縫，建議參照《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》采用表面封閉法進(jìn)行修補(bǔ)處理；對(duì)0.1 mm以上的裂縫采用低壓注漿法或無(wú)壓注漿法進(jìn)行修補(bǔ)。

3.3 擋肩缺損掉塊維修

軌道板擋肩缺損一般采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿修補(bǔ)。具體修補(bǔ)步驟：①堵塞扣件螺栓孔。拆開(kāi)損壞軌枕處的扣件，用棉紗堵塞扣件螺栓孔，防止雜物進(jìn)入。②對(duì)擋肩破損處邊腳進(jìn)行整齊放線，采用切割機(jī)按放線位置進(jìn)行切割。清理?yè)跫缙茡p處松動(dòng)混凝土，并鑿除邊腳線內(nèi)側(cè)混凝土至切割底線為止。③植筋準(zhǔn)備，確定植筋位置，布置成梅花形。④準(zhǔn)備環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，確定擋肩破損處體積，準(zhǔn)備樹(shù)脂砂漿修補(bǔ)材料。⑤在植筋孔內(nèi)灌入環(huán)氧樹(shù)脂砂漿，插入鋼筋。⑥安裝扣件系統(tǒng)。⑦調(diào)整軌道幾何尺寸。

4 結(jié)論

1)擋肩和承軌槽傷損形式主要有承軌部位整體破損、擋肩缺損掉塊、擋肩和承軌槽裂縫等。

2)擋肩和承軌槽傷損影響因素較多，包括低溫、水等環(huán)境條件影響，制造時(shí)的初始缺陷，鋪設(shè)和運(yùn)輸中的磕碰撞擊等。

3)擋肩缺損面積達(dá)到50%及以上時(shí)，判定擋肩整體失效，建議對(duì)擋肩進(jìn)行整體修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到30%時(shí)，擋肩具有部分的承載能力，建議及時(shí)修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積不超過(guò)30%時(shí)，擋肩具有一定的承載能力，建議列入計(jì)劃適時(shí)修復(fù)。

4)承軌部位整體破損可通過(guò)采用在失效扣件節(jié)點(diǎn)兩側(cè)安裝代用承軌臺(tái)或在原扣件節(jié)點(diǎn)位置重新立模板維修。