高寒地區(qū)混凝土基床結(jié)構(gòu)對無砟軌道平順性的影響

胡海波 閻 亮 金 洲

(中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽 100013)

1 概述

高速鐵路的顯著特征之一是軌道具有高平順性，故要求軌下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有很好的穩(wěn)定性。在高寒地區(qū)，為了有效避免季節(jié)性凍土的凍脹循環(huán)對工程結(jié)構(gòu)的影響，以橋代路[1]是切實(shí)可行的措施；對于不可避免的路基段，除了滿足一般性路基設(shè)計(jì)原則[2]及現(xiàn)行規(guī)范[3]外，還需要采用防凍脹設(shè)計(jì)，主要包括防凍脹路基結(jié)構(gòu)、填料和綜合防排水技術(shù)三個(gè)方面[4]。文獻(xiàn)[5]提出一種極寒條件下“瀝青混凝土+級(jí)配碎石+底層”的基床結(jié)構(gòu)并從理論上進(jìn)行了分析，但該種結(jié)構(gòu)并未在我國實(shí)施，缺少相應(yīng)的實(shí)際檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。完全的混凝土基床結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用較多，可通過對混凝土基床的長度、厚度、寬度、混凝土標(biāo)號(hào)等參數(shù)的設(shè)計(jì)，使基床結(jié)構(gòu)因溫度變化所產(chǎn)生的形變受到控制，形變量可通過理論計(jì)算或路基沉降監(jiān)測來獲取[6-8]。對于已建成軌道而言，更有效的做法是通過長期的軌道測量來評估混凝土基床溫度形變所造成的影響。

目前，混凝土基床結(jié)構(gòu)溫度形變對軌道平順性影響的研究在國內(nèi)外少見文獻(xiàn)報(bào)道，對于精調(diào)工作時(shí)機(jī)的確定也缺乏數(shù)據(jù)支撐。以下結(jié)合東北某新建高鐵軌道精調(diào)工作，選取一處混凝土基床結(jié)構(gòu)地段作為試驗(yàn)段，進(jìn)行軌道精調(diào)并使線路達(dá)標(biāo)，然后采用相對軌檢小車按照每月至少一次的頻率對軌道進(jìn)行復(fù)查，持續(xù)時(shí)間為一年，以此查明混凝土基床受溫度變化影響產(chǎn)生形變的規(guī)律，提前研判軌道幾何尺寸超限風(fēng)險(xiǎn)，為日后養(yǎng)護(hù)維修提供數(shù)據(jù)支撐。

2 混凝土基床的結(jié)構(gòu)特征

基床混凝土分為路堤段基床混凝土和路塹段基床混凝土兩種形式。

路堤段混凝土基床頂寬8.9 m；厚1.48 m，從上至下依次為C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚0.98 m。

路塹段混凝土基床頂寬8.9 m；厚1.9 m，從上至下依次為C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚1.4 m。

對于路塹段，根據(jù)地層巖性的不同，采用如下的換填措施。

(1)硬質(zhì)巖地段：鑿除路基面以下0.2 m范圍內(nèi)原地層，用高壓水沖洗后，澆筑C35素混凝土封層。

(2)軟質(zhì)巖，土質(zhì)，黃土及膨脹土、巖地段：換填0.5 m厚C35混凝土，其下為C20混凝土。

混凝土基床兩側(cè)路基面鋪筑C30混凝土預(yù)制塊，其下設(shè)置0.1 m厚砂礫反濾層，墊層底面設(shè)置一層兩布一膜不透水土工布(600 g/m2)，土工布以下設(shè)置0.1 m厚三七灰土墊層。

線間每隔30 m設(shè)置集水井集中排水，并在混凝土基床之間設(shè)置伸縮縫[9]。

3 混凝土基床路基形變的發(fā)現(xiàn)過程

某新建高速鐵路下行599+830 m～600+241 m范圍為混凝土基床路基段，長度約為410 m。該段路基于2017年1月11日完成軌道精調(diào)工作，并在-15～3 ℃環(huán)境溫度下，采用相對軌檢小車進(jìn)行了軌道檢測，通過數(shù)據(jù)處理分析，得到軌距、超高、平順性等軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)[10-12]，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范[13，14]要求。2017年4月25日，在5～20 ℃環(huán)境溫度下再次對該區(qū)段進(jìn)行復(fù)測，兩次軌道檢測獲取的30 m弦短波軌向及高低數(shù)據(jù)如圖1、圖2所示。

圖1 兩期軌道30 m弦短波軌向數(shù)據(jù)對比

由圖1可知，在環(huán)境溫度變化約為20 ℃的情況下，兩期軌道30 m弦短波軌向吻合較好，均處于±1 mm以內(nèi)，軌向變化量處于-0.3～0.4 mm之間，且90%以上處于±0.2 mm以內(nèi)。30 m弦短波高低數(shù)據(jù)(如圖2)：2017年1月11日顯示處于±1 mm以內(nèi)(波形正常)，2017年4月25日的數(shù)據(jù)則呈現(xiàn)出正弦波狀的周期性變化，幅值也較上一期數(shù)據(jù)有了明顯的增大，兩期數(shù)據(jù)軌道高低變化量處于±1.9 mm之間，且變化量絕對值大于0.5 mm的比例為60.5%。由此可見，隨著溫度的變化，混凝土基床形變對軌道平順性造成了不利影響，且主要影響了軌道高低平順性，軌向平順性則變化不大。因此，以下主要從高低的角度來分析混凝土基床形變對軌道平順性的影響。

圖2 兩期軌道30 m弦短波高低數(shù)據(jù)對比

4 混凝土基床形變對無砟軌道高低平順性的影響分析

為進(jìn)一步分析混凝土基床形變對軌道高低平順性的影響，將599+830 m～600+241 m確定為試驗(yàn)段，試驗(yàn)時(shí)間暫定為一年，在試驗(yàn)期間該段線路不進(jìn)行任何養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)，以排除其他可能因素對軌道平順性的影響。試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，每個(gè)月均采用相對軌檢小車對該段軌道進(jìn)行一次檢測，以獲取軌道的各項(xiàng)內(nèi)外部幾何狀態(tài)指標(biāo)，計(jì)算靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)并同時(shí)記錄環(huán)境溫度。從2017年1月11日至2017年12月22日，共進(jìn)行了10次軌道數(shù)據(jù)采集。

4.1 軌道高低平順性的時(shí)間變化

在10期軌道檢測數(shù)據(jù)中，環(huán)境最低溫度為-15 ℃，檢測時(shí)間為2017年1月11日，高低最大值為0.8 mm，最小值為-1.0 mm，幅值為1.8 mm；環(huán)境最高溫度為36 ℃，檢測時(shí)間為2017年8月21日，高低形變最大值為2.06 mm，最小值為-2.11 mm，幅值為4.17 mm；當(dāng)溫度逐漸回落到-11 ℃時(shí)，檢測時(shí)間為12月22日，高低形變最大值為0.67 mm，最小值為-1.16 mm，幅值為1.83 mm，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 溫度影響下軌道高低幅值變化

由表1可知，隨著四季的變化，環(huán)境溫度呈現(xiàn)周期性變化，軌道高低幅值也呈現(xiàn)時(shí)間上的周期性變化，當(dāng)溫度變化一個(gè)周期時(shí)，軌道高低也變化一個(gè)周期。為進(jìn)一步觀察這種周期變化趨勢，選取里程為600+160.3 m的波谷及里程為600+165.3 m的波峰，此兩處位置在一個(gè)溫度周期內(nèi)的高低變化如圖3所示。

圖3 波峰及波谷在一個(gè)溫度周期內(nèi)的高低周期性變化

4.2 軌道高低平順性的空間變化

試驗(yàn)段路基的混凝土基床按照11.3 m的固定長度逐段施工，其兩端設(shè)置伸縮縫。為了查明這種混凝土基床結(jié)構(gòu)在溫度變化下的形變對軌道高低平順性的影響，在采用相對軌檢小車進(jìn)行軌道檢測前，對試驗(yàn)段的每一根軌枕進(jìn)行編號(hào)，軌道測量時(shí)從起點(diǎn)的軌枕開始，到終點(diǎn)的軌枕結(jié)束，中間的軌枕采用軌檢小車的軌枕識(shí)別器進(jìn)行識(shí)別，則能夠得到每一根軌枕的里程。采用上述方法，連續(xù)測量試驗(yàn)段的400 m軌道，計(jì)算每根軌枕的30 m弦短波高低平順性，2017年8月21日的測試數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 軌道短波高低在線路里程方向的周期性變化

由圖4可知，在線路里程方向，軌道的短波高低呈現(xiàn)明顯的正弦波狀周期變化，波峰值基本保持一致(均值為1.33 mm)，波峰之間距離的平均值為11.4 m；波谷值也基本保持一致，均值為-1.53 mm，波谷之間距離的平均值為11.5 m。由此可見，正是由于設(shè)計(jì)長度為11.3 m的混凝土基床的形變，導(dǎo)致了軌道短波高低的周期性變化，且波長也與混凝土基床的長度基本一致。

4.3 靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)的影響分析

每期數(shù)據(jù)采集完成后，以200 m為一個(gè)單元，計(jì)算每個(gè)單元內(nèi)的軌距、水平、三角坑、左軌向、右軌向、左高低、右高低等7項(xiàng)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，以計(jì)算靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)TQI(Track Quality Index)值。有

(1)

式(1)中，σi為各項(xiàng)軌道幾何偏差的標(biāo)準(zhǔn)差，有

(2)

根據(jù)式(1)及式(2)，計(jì)算2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)軌道幾何狀態(tài)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值，如表2所示。

表2 四期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值 mm

表2數(shù)據(jù)表明，隨著溫度的變化，軌道的軌距、水平、三角坑、左軌向、右軌向等5項(xiàng)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差變化不大，基本保持穩(wěn)定；左高低及右高低的標(biāo)準(zhǔn)差則隨著溫度的升高而變大，隨著溫度的降低而減??；由于左右軌高低的這種變化，導(dǎo)致TQI值也隨之起伏變化。2017年1月11日的TQI值小于2，表明軌道整體幾何狀態(tài)質(zhì)量很好，中間兩期數(shù)據(jù)的TQI值大于3，表明軌道幾何狀態(tài)質(zhì)量下降較大，隨著溫度回落，最后一期數(shù)據(jù)的TQI值則又回到2以下。10期數(shù)據(jù)的各單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值的變化情況如圖5所示，可以明顯地看出，由于左右軌高低的變化，使得TQI值也發(fā)生了相同趨勢的變化。

圖5 10期數(shù)據(jù)軌道各單項(xiàng)幾何參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差及TQI值分布

5 混凝土基床形變對軌道平順性影響的規(guī)律及對策建議

綜上所述，在高寒地區(qū)建設(shè)高速鐵路，所采用的混凝土基床雖然維持了軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，但對軌道平順性的不利影響并未完全消除。隨著一年四季環(huán)境溫度的周期性變化，以及混凝土基床在線路方向長度為11.3 m的結(jié)構(gòu)分布，使軌道高低平順性在時(shí)間及空間上都呈現(xiàn)出一種顯著的周期性變化，并最終導(dǎo)致軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)也呈現(xiàn)相同的變化趨勢。當(dāng)溫度回到軌道精調(diào)時(shí)的溫度區(qū)間時(shí)，軌道的各項(xiàng)幾何參數(shù)指標(biāo)及TQI值也基本回到精調(diào)時(shí)的狀態(tài)。2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期的軌道高低數(shù)據(jù)如圖6所示，可很直觀地反映這種周期變化。

圖6 四期數(shù)據(jù)軌道高低變化分布

綜合對比軌道高低平順性、高低峰值、靜態(tài)軌道質(zhì)量指數(shù)等指標(biāo)，結(jié)合軌道監(jiān)測時(shí)的環(huán)境溫度，發(fā)現(xiàn)在溫度處于2～10 ℃時(shí)，軌道高低平順性指標(biāo)變化幅度較小，各項(xiàng)軌道幾何參數(shù)較為均衡，與精調(diào)完成時(shí)的軌道狀態(tài)較為接近。因此，建議2～10 ℃作為高寒地區(qū)高速鐵路混凝土基床段線路的軌道精調(diào)作業(yè)窗口，從而使軌道平順性的全年變化趨于平衡。

6 結(jié)束語

高寒地區(qū)高速鐵路路基段可采用混凝土基床來預(yù)防凍害，以達(dá)到維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及軌道平順性的目的。通過對某新建高鐵路基段混凝土基床為期一年的軌道監(jiān)測，在不同環(huán)境溫度情況下，混凝土基床結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生不同程度的形變，進(jìn)而對軌道的軌向及高低平順性產(chǎn)生影響，其中軌向受影響的幅度較小，高低受影響的幅度較大。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析表明，由混凝土基床形變導(dǎo)致的軌道高低平順性變化呈現(xiàn)出明顯的周期性特征：當(dāng)溫度升高時(shí)，高低變化的幅值增大，溫度降低時(shí)，高低變化的幅值回落；在線路里程方向則以混凝土基床11.3 m的設(shè)計(jì)長度為周期呈正弦變化。建議在環(huán)境溫度為2～10 ℃時(shí)開展軌道精調(diào)工作，使軌道全年的高低平順性變化趨于均衡，便于軌道平順性管理。