高原大風地區(qū)雙塊式無砟軌道傷損現狀及主要特征

靳 昊，張保衛(wèi)，易忠來，戚志剛，李化建，黃法禮

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路蘭州局集團有限公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭新高速鐵路為CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構，全長 1 776 km，設計最高時速250 km，是世界上第一條修建在高原地區(qū)的高速鐵路。蘭新高速鐵路穿過著名的四大風區(qū)——煙墩風區(qū)、百里風區(qū)、三十里風區(qū)和達坂城風區(qū)，其中百里風區(qū)、三十里風區(qū)部分區(qū)段年均大于8級大風的天氣達到208 d，最大風速60 m/s，相當于17級風。蘭新高速鐵路沿線的晝夜溫差非常大，極端情況下可以達到80 ℃，尤其是蘭新高速鐵路甘肅省瓜州縣管段，夏季酷熱干燥，冬季異常寒冷，晝夜和全年溫差非常大。

雙塊式無砟軌道源于德國，在我國武廣、貴廣、合福、長昆等多條高速鐵路鋪設使用，總體運營情況良好。蘭新高速鐵路正線主要鋪設CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，部分地段鋪設有砟軌道，采用Ⅲ型預應力混凝土軌枕，同時在路基段創(chuàng)新性地采用了類單元化雙塊式無砟軌道的結構形式。蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構多為長連續(xù)現澆注混凝土結構，混凝土的澆注、養(yǎng)護及后期運營受環(huán)境影響較大。同時，蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道結構較為特殊，大量聚氨酯嵌縫材料的應用也對混凝土結構耐久性產生影響[1]。蘭新高速鐵路作為典型的高原大風地區(qū)雙塊式無砟軌道，通過研究其傷損類型及傷損特點，分析傷損原因，總結傷損變化規(guī)律，有助于掌握高原大風地區(qū)雙塊式無砟軌道傷損現狀及主要特征，并有針對性地提出養(yǎng)護維修方法及建議。

1 典型傷損類型及傷損特點

1.1 道床板裂縫

無砟軌道道床板裂縫是高原大風地區(qū)雙塊式無砟軌道最典型的病害之一，也是病害數量最多的一類病害。道床板裂縫類型主要包括軌枕擋肩倒角處道床板的八字形裂縫、道床板與支承層混凝土直角處裂縫、相鄰或相對兩軌枕擋肩倒角處的連通裂縫和無砟道床橫向的貫通裂縫。其中橋梁段與路基段道床板裂縫主要以八字形裂縫和直角處裂縫為主，少量連通裂縫，而且裂縫病害情況較輕微，裂縫數量較少，深度較淺，多為表面裂縫，見圖1。隧道段道床板裂縫病害較為嚴重，連通裂縫與貫通裂縫數量多，裂縫長度較長，最大裂縫深度超過10 cm，見圖2。

圖1 路基段道床板裂縫

圖2 隧道段道床板裂縫

1.2 軌枕離縫

軌枕離縫病害主要集中在隧道段，軌枕離縫會與道床板裂縫連通，病害嚴重區(qū)域會形成無砟道床貫通裂縫，見圖3。

圖3 軌枕離縫

1.3 道床板上拱

道床板上拱病害通常發(fā)生在路橋、路隧過渡段或后繞帶，部分區(qū)域道床板上拱情況較為嚴重，最大上拱量可達10 mm，且伴隨道床板與支承層離縫病害，見圖4。

圖4 道床板上拱離縫

1.4 支承層混凝土粉化

局部地區(qū)無砟軌道支承層混凝土粉化情況較為嚴重，出現大面積掉塊、缺損、露石，見圖5。

圖5 支承層混凝土粉化

圖6 聚氨酯嵌縫材料開裂與離縫

1.5 聚氨酯嵌縫材料傷損

蘭新高速鐵路無砟軌道伸縮縫和路間及線間封閉層使用的聚氨酯嵌縫材料的傷損情況較為嚴重，特別是道床板真縫部位的聚氨酯嵌縫材料傷損率在90%以上。聚氨酯嵌縫材料傷損類型主要為聚氨酯嵌縫膠開裂、聚氨酯嵌縫材料與道床板混凝土離縫，見圖6。其中，聚氨酯嵌縫材料與道床板混凝土離縫較為普遍，離縫長度較長，且與混凝土完全脫離。

2 傷損形成原因

2.1 道床板裂縫及軌枕離縫

雙塊式無砟軌道道床板為現澆混凝土結構，其裂縫的產生受現場混凝土養(yǎng)護條件和養(yǎng)護制度影響較大。高原大風地區(qū)水分流失速度快，混凝土表面易失水開裂，加劇了道床板裂縫的產生[2]。雖然道床板混凝土采用了較多防開裂措施，如使用內外養(yǎng)護劑等，大幅降低了混凝土裂縫產生幾率，但是在建設期大規(guī)模施工的情況下，仍無法將其完全消除[3]。同時，雙塊式無砟軌道軌枕為預制軌枕，其收縮與道床板混凝土收縮不同步，當溫度變化時，預制軌枕與道床板結合處會出現應力集中，特別是在預制軌枕擋肩倒角處應力集中更加顯著，道床板易出現八字形裂縫。八字形裂縫延伸發(fā)展，最終形成連通裂縫、貫通裂縫和軌枕離縫[4]。高原大風地區(qū)晝夜溫差和全年溫差大，加速了裂縫病害的產生和發(fā)展[5]。此外，橋梁段與路基段無砟道床具有類單元化結構，單元之間預留真縫，混凝土的溫度力得到有效釋放，其裂縫病害程度較為輕微；而隧道段無砟道床無預留伸縮縫，混凝土受溫度力影響大，易出現道床板連通裂縫、貫通裂縫和軌枕離縫。同時，高原大風地區(qū)的晝夜溫差和全年溫差大，會進一步加劇道床板裂縫與軌枕離縫。

2.2 道床板上拱

在路橋或路隧過渡段，由于無砟軌道結構斷開，形成連續(xù)道床板自由端，當道床板與支承層黏結強度不足時，縱向限位錨梁不足以抵抗道床板縱向位移，因而在錨梁附近形成上拱；在施工后繞帶處，由于兩側道床板混凝土施工溫度不一致，會造成類似無縫線路鎖定軌溫不均衡現象，進而引起道床板縱向位移，若在過渡段處加了錨固銷釘，則在銷釘附近形成上拱[6-7]。

2.3 支承層混凝土粉化

在高原大風嚴寒環(huán)境下，支承層混凝土如養(yǎng)護不到位或未采用養(yǎng)護劑，易失水開裂或早期受凍，導致混凝土抗凍性能大幅降低。在雨水較充足地區(qū)支承層混凝土易受到凍融破壞作用，混凝土出現掉塊、缺損、露石。

2.4 聚氨酯嵌縫材料傷損

雙塊式無砟道床為長連續(xù)結構，無砟道床伸縮縫寬度變化較大，而大的晝夜溫差和全年溫差更加劇了伸縮縫的變化幅度[8-9]。如果聚氨酯嵌縫材料位移能力較低，無法與伸縮縫同步變形時，聚氨酯嵌縫材料會出現傷損。當聚氨酯嵌縫材料黏結強度高于拉伸強度時，聚氨酯嵌縫材料自身開裂；當聚氨酯嵌縫材料拉伸強度高于黏結強度時，聚氨酯嵌縫材料與混凝土脫開，出現離縫。

3 傷損發(fā)展規(guī)律

道床板裂縫和聚氨酯嵌縫材料傷損是蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道最典型的病害形式，在典型的高原大風嚴寒環(huán)境區(qū)域內觀測其傷損變化情況，對掌握無砟軌道傷損變化規(guī)律及后續(xù)的修復工作具有重要意義。傷損觀測包括單線100 m的橋梁段、路基段和隧道段道床板裂縫，單線500 m的路基段道床板伸縮縫(真縫)處聚氨酯嵌縫材料傷損。裂縫采用比對卡觀測其寬度和深度。觀測結果見表1和表2。其中，第1次觀測溫度為最低觀測溫度，因此，裂縫平均寬度差為觀測范圍內(單線100 mm)所有裂縫的第n次觀測寬度與第1次觀測寬度差值的平均值。聚氨酯嵌縫材料離縫平均數量差、最長離縫平均長度差和最長離縫平均寬度差的計算方法與裂縫平均寬度差相同。

表1 聚氨酯嵌縫材料離縫變化情況

表2 道床板裂縫寬度變化情況

從表1看到，隨著溫度變化(先升高后降低)，雙塊式無砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數量差、最長離縫平均寬度差和最長離縫平均長度差均呈現先減小后增大的趨勢。其中，7月環(huán)境溫度最高時(18 ℃)，觀測得到的雙塊式無砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數量差為-2條、最長離縫平均寬度差為-3.0 mm、最長離縫平均長度差為-62.0 mm。道床板受熱膨脹，伸縮縫寬度變窄，聚氨酯嵌縫材料離縫受壓閉合，出現離縫數量減少、寬度降低、長度變短的現象。從3月和11月(溫度相同)觀測數據可以看到，相比3月，11月時聚氨酯嵌縫材料的離縫數量沒有增加，但是離縫的寬度和長度增大，聚氨酯嵌縫材料離縫病害仍在發(fā)展。

雖然隧道段道床板裂縫病害較為嚴重，遠高于橋梁段、路基段道床板，但是，從表2可以看到，隨溫度變化和運營時間增加，隧道段、橋梁段、路基段道床板裂縫寬度均不發(fā)生改變，橋梁段、路基段、隧道段道床板裂縫測試最大溫差(23，28，19 ℃)下的裂縫平均寬度差幾乎為0，同時，未在觀測范圍內出現新的裂縫。這是因為伸縮縫寬度變化大幅緩解、抑制了橋梁段、路基段道床板裂縫的進一步劣化，而隧道段道床板通裂裂縫的數量較多，混凝土溫變收縮多由它們分擔，因此裂縫未進一步發(fā)展。

4 結論

1)高原大風地區(qū)雙塊式無砟軌道典型病害類型包括無砟軌道道床板裂縫、軌枕離縫、道床板上拱、支承層混凝土粉化和聚氨酯嵌縫材料傷損，其中無砟軌道道床板裂縫和聚氨酯嵌縫材料傷損是最主要的傷損形式。

2)大風嚴寒氣候加劇了雙塊式無砟軌道傷損的產生與發(fā)展，特別是較大的晝夜溫差和全年溫差，對聚氨酯嵌縫材料傷損影響更加顯著。

3)蘭新高速鐵路雙塊式無砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫隨運營時間的增加存在劣化趨勢，而橋梁段、路基段和隧道段無砟軌道道床板裂縫病害基本穩(wěn)定。