雙塊式無砟軌道軌枕成段開裂整治技術研究

徐凌雁

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

目前，我國高速鐵路和客運專線主要采用無砟軌道結構。無砟軌道結構可分為預制板式無砟軌道和現(xiàn)澆混凝土道床式無砟軌道2大類。當前，國內應用比較普遍的預制板式無砟軌道為CRTSⅢ型板式無砟軌道，而現(xiàn)澆混凝土道床式無砟軌道則為雙塊式無砟軌道。雙塊式無砟軌道自上而下主要由鋼軌、扣件、雙塊式軌枕、道床板、隔離層、底座、凹槽周圍彈性墊層等部件組成[1]。與板式軌道相比，預制軌枕布置靈活，制造簡便；采用框架法施工，施工工藝簡單，效率高；省去了軌道板預制、運輸成本，工程造價低[2]。因此，雙塊式無砟軌道在工程中被廣泛采用。但是在實際運營過程中，由于受一些因素影響，軌枕出現(xiàn)了成段開裂現(xiàn)象[3]。本文主要針對雙塊式無砟軌道軌枕開裂原因及整治技術進行研究。

1 現(xiàn)場軌枕開裂情況

我國一高速鐵路全線采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，經(jīng)實地復查發(fā)現(xiàn)在K233+300—K233+600段共有670根軌枕出現(xiàn)裂縫。裂縫出現(xiàn)的位置比較集中，主要為從套管處開裂，沿軌枕方向發(fā)展，裂縫與軌枕擋肩呈45°角，軌枕擋肩處出現(xiàn)橫向裂縫。具體開裂方式如圖1—圖3所示。

圖1 承軌槽凹槽底部裂縫

圖2 軌枕擋肩裂縫

圖3 沿預埋套管沿伸的承軌臺裂縫

此地段出現(xiàn)裂縫的軌枕在預制時間上無規(guī)律性，年份分別為2011,2012,2013年。線路的內外股均有軌枕出現(xiàn)裂縫，曲線外股裂縫偏多。其中線路上行段有370根，下行段有300根，裂縫寬度大于0.20 mm 的有4根，最大裂縫寬度為0.28 mm，其余均小于0.20 mm。

2 雙塊式軌枕受力檢算

2.1 計算荷載

2.1.1 軌枕設計荷載

根據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》[4]，作用于鋼軌的列車豎向、橫向設計荷載取值如下：

作用于鋼軌的列車豎向設計荷載為

P1d=α1P1j

(1)

式中：P1d為作用于鋼軌的列車豎向設計荷載；α1為動載系數(shù)，設計速度300 km/h及以上線路取3.0，設計速度250 km/h線路取2.5；P1j為靜輪載。

作用于鋼軌的列車橫向設計荷載為

Q1=0.8P1j

(2)

式中：Q1為作用于鋼軌的列車橫向設計荷載。

按TB 2034—1988《鐵路軌道強度檢算方法》[5]，軌枕設計荷載與列車設計荷載滿足如下關系：

軌枕豎向設計荷載為

R1V=ηP1d

(3)

式中：R1V為軌枕豎向設計荷載；η為輪載分配系數(shù)。

軌枕橫向設計荷載為

R1H=ηQ1

(4)

式中：R1H為軌枕橫向設計荷載。

根據(jù)TB 2034—1988，輪載分配系數(shù)η取0.5，列車軸重按170 kN考慮，代入式(1)—式(4)中得到軌枕設計荷載取值，見表1。

表1 軌枕設計荷載取值

2.1.2 實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載

根據(jù)TB 10015—2012《鐵路無縫線路設計規(guī)范》[6]，列車豎向、橫向最不利荷載取值如下：

1)考慮列車通過曲線時的偏載效應時，作用于鋼軌的列車豎向設計荷載可表示為

P2d=(1+α2+β)P2j

(5)

式中：P2d為列車通過曲線時作用于鋼軌的列車豎向設計荷載；α2為速度系數(shù)；β為偏載系數(shù)；P2j為列車通過曲線時的靜輪載。

2)列車通過曲線時作用于鋼軌的列車橫向設計荷載，按未平衡離心力全部作用于外軌上進行計算。

(6)

式中：Q2為列車通過曲線時作用于鋼軌的列車橫向設計荷載；Δh為未被平衡的最大超高；S為內外股鋼軌中心距。

3)縱向力

根據(jù)TB 10015—2012，安裝WJ-8A型常阻力扣件時軌枕每個承軌臺可能出現(xiàn)的最大縱向力RL為15.6 kN。

4)實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載

實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕豎向荷載R2V為

R2V=ηP2d

(7)

實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕橫向荷載R2H為

R2H=ηQ2

(8)

根據(jù)該線路設計情況，按靜軸重170 kN，曲線半徑 7 000 m，未被平衡最大超高取110 mm，速度系數(shù)α2取1.0，偏載系數(shù)β取0.225，輪載分配系數(shù)同樣取0.5，代入到式(5)—式(8),可得實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載取值，見表2。

表2 實際線路條件最不利情況下軌枕荷載取值

2.1.3 軌枕設計復核檢算荷載取值

對比軌枕設計荷載、實際線路條件最不利情況下可能出現(xiàn)的軌枕荷載，可見軌枕豎向、橫向設計荷載均大于實際線路條件時的豎向、橫向荷載，進行設計復核檢算時，軌枕豎向、橫向荷載按兩者中較大的取值，縱向荷載按實際線路條件可能出現(xiàn)的最大縱向荷載取值，見表3。

表3 軌枕設計復核檢算荷載取值

2.2 受力檢算

利用以上得到的軌枕設計復核檢算荷載，對雙塊式軌枕的各項受力指標進行復核檢算[6-10]。

2.2.1 軌枕混凝土抗壓強度復核檢算

雙塊式軌枕承軌臺上扣件鐵墊板支承面積約為290 mm×158 mm，在豎向荷載128 kN作用下，軌枕承軌臺上的壓應力σc為

軌枕采用的混凝土強度等級為C60，容許壓應力為16.0 MPa。軌枕承軌臺壓應力小于容許壓應力，滿足設計要求。

2.2.2 雙塊式軌枕擋肩混凝土抗剪能力復核檢算

雙塊式軌枕擋肩橫向力的作用面積約為195 mm×155 mm，在橫向荷載34 kN作用下，擋肩承受剪應力τ為

軌枕采用的混凝土強度等級為C60，容許剪應力為1.75 MPa。擋肩承受剪應力小于容許剪應力，滿足設計要求。

2.2.3 雙塊式軌枕承軌臺縱向抗剪能力復核檢算

雙塊式軌枕承軌臺縱向力的作用面積約為290 mm×158 mm，在縱向荷載15.6 kN作用下，承軌臺承受縱向剪應力τt為

軌枕采用的混凝土強度等級為C60，容許剪應力為1.75 MPa。承軌臺承受縱向剪應力小于容許剪應力，滿足設計要求。

3 軌枕開裂原因分析

雙塊式無砟軌道采用的軌枕為預制軌枕，在預制過程的澆筑、養(yǎng)護、脫模、搬運等環(huán)節(jié)中，可能會產(chǎn)生內部細小裂縫。雖然在靜態(tài)無荷載條件下狀態(tài)完好，但在運營過程中，經(jīng)列車動荷載、環(huán)境溫度荷載作用，潛在裂縫會逐漸擴展，嚴重時擋肩混凝土便會失效。

造成擋肩混凝土開裂的另一重要因素是在鋼軌運輸、鎖定過程中操作不當。鋪設無縫線路時，鋼軌以500 m為單位長度由長軌條運輸車拖卸至道床板承軌臺兩側，以及在鎖定過程中撞擊鋼軌，均易造成擋肩混凝土開裂。此外，長軌條焊接、無縫線路應力放散過程中，大型施工機械操作不當也容易對軌枕的擋肩造成撞傷。

4 整治方案

TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中規(guī)定，雙塊式無砟軌道道床傷損等級分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ級。對Ⅰ級傷損應做好記錄，對Ⅱ級傷損應列入維修計劃并適時進行修補，對Ⅲ級傷損應及時修補[11]。

針對雙塊式軌枕的裂縫可按照以上不同評定等級進行修補，當修補不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm 時，須進行雙塊式軌枕的更換。更換分為單根更換和連續(xù)更換，連續(xù)更換通過更換道床板實現(xiàn)。

4.1 單根軌枕更換

單根軌枕修補不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm 時，需對軌枕進行更換。單根雙塊式軌枕更換按以下工藝施作：①松開扣件，抬升鋼軌至一定高度；②受損軌枕切割并取出；③取出軌枕位置的底部開鑿至少25 mm深空間；④切斷縱橫向鋼筋，暴露伸至相鄰軌枕盒的連接鋼筋；⑤混凝土表面鑿毛，同時清除鋼筋表面銹蝕及軌枕盒內雜物；⑥安置更換的軌枕，確保縱向鋼筋間搭接；⑦調整鋼軌就位，安裝扣件；⑧精調并固定軌排；⑨潤濕混凝土裸面，灌注混凝土；⑩混凝土與相鄰道床板找平，清理施工現(xiàn)場。

4.2 道床板更換

1)路基和隧道地段道床板更換

對于路基和隧道地段連續(xù)3根及以上雙塊式軌枕修補不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時，可成段更換道床板。更換時應注意更換溫度與建設施工溫度接近?？砂匆韵鹿に囀┳鳎孩俨捎弥睆?0 mm、長度500 mm的錨固鋼筋錨固受損軌枕兩側道床板；②將受損軌枕道床板扣件松開，并對鋼軌進行切割；③按道床板厚度切割受損部位道床板至更換部分最后一根軌枕；④將受損道床板與下部基礎分離并起吊運走；⑤將相鄰道床板混凝土鑿至露出縱向鋼筋后，對縱向鋼筋進行除銹；⑥對道床板及下部基礎鑿毛，并清理施工現(xiàn)場；⑦根據(jù)原設計技術要求布設縱向鋼筋；⑧將鋼軌調整就位，并安裝扣件，精調軌排后固定；⑨支立模板，潤濕道床板下部基礎混凝土，并將界面劑涂刷在新老混凝土的結合面；⑩根據(jù)要求澆筑C40混凝土；刮平混凝土至與相鄰道床板齊平，并對施工現(xiàn)場進行清理；對混凝土進行養(yǎng)護，并采用同等級無收縮砂漿填充孔洞；對混凝土進行施工養(yǎng)護，至達到設計強度后恢復線路。

2)橋梁地段道床板更換

對于橋梁地段連續(xù)3根及以上雙塊式軌枕修補不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時，可成段更換道床板。道床板更換作業(yè)可按以下工藝施作：①將扣件松開，然后將鋼軌抬升到一定的高度；②分離道床板與對應底座，將道床板起吊運走；③清理施工現(xiàn)場；④按原設計圖紙布設下層鋼筋并擺放新軌枕，安裝工具軌，形成軌排；⑤架設軌排并用螺桿支撐架固定；⑥按原設計架設上層鋼筋；⑦在限位擋臺采用涂層鋼筋進行絕緣；⑧架立模板，并焊連接地端子；⑨潤濕混凝土底座及軌枕，精調軌距，然后進行道床C40混凝土澆筑；⑩拆除螺桿支撐架后，采用同等級無收縮砂漿填充孔洞；對混凝土進行施工養(yǎng)護，至達到設計強度后恢復線路。

5 結論

由于多種因素共同作用，一高速鐵路CRTSⅠ 型雙塊式無砟軌道采用的SK-2型軌枕出現(xiàn)了成段開裂現(xiàn)象，嚴重影響行車安全。本文依據(jù)相關規(guī)范，對SK-2型雙塊式軌枕的混凝土抗壓強度、軌枕擋肩混凝土抗剪能力、軌枕承軌臺縱向抗剪能力進行受力檢算，然后對軌枕開裂原因進行分析，最后結合該高速鐵路線路實際情況提出了病害整治方案。主要結論如下：

1)在承受的最不利荷載作用下，SK-2型雙塊式軌枕的混凝土抗壓強度、軌枕擋肩混凝土抗剪能力、軌枕承軌臺縱向抗剪能力均滿足要求，可見，軌枕的設計滿足本線使用要求，建議整治時更換的新軌枕維持原設計，即軌枕采用SK-2型雙塊式軌枕，廠內預制，圖號為通線[2011]2351-Ⅰ。

2)CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道采用的SK-2型軌枕出現(xiàn)開裂現(xiàn)象與工廠制作、施工操作、運營使用等多種因素有關。

3)結合現(xiàn)場實際情況，針對SK-2型雙塊式軌枕出現(xiàn)裂縫地段提出了整治方案。對裂縫寬度在0.3 mm 以下的裂縫進行修補，當修補不能滿足要求或裂縫寬度超過0.3 mm時，采用軌枕更換的方式進行處理，軌枕更換方式分為單根更換和連續(xù)更換，連續(xù)更換通過更換道床板實現(xiàn)。