雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱整治技術(shù)研究

蔡培堯，姜子清，劉 浩，張文達，馬穎偉

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東廣州 510088；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路濟南局集團有限公司工務(wù)部，山東濟南 250001）

雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)以其高穩(wěn)定性、高平順性、少維修的特點在我國高速鐵路建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。截至目前，已投入運營的武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路等都采用或者部分采用雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)［3］，部分在建或擬建的線路，如貴南、漢十、鄭萬等29條線路鋪設(shè)8 529 km的雙塊式無砟軌道。

雙塊式無砟軌道采用橋上單元、路基上連續(xù)的總體鋪設(shè)方案。根據(jù)雙塊式無砟軌道通用參考圖，在路橋過渡段，為加強道床板端部的穩(wěn)定性，對道床板端部錨固結(jié)構(gòu)進行了加強，在軌枕正下方設(shè)置2 個間距為5 m 端梁。同時，為了約束溫度荷載下路橋過渡段范圍內(nèi)道床板的伸縮變形，在橋梁側(cè)道床板起點至第2 個端梁向路基側(cè)20 m 范圍內(nèi)，在道床板下設(shè)置鋼筋混凝土底座，并在2 個端梁之間及第2 個端梁向路基側(cè)20 m 范圍內(nèi)布置門形聯(lián)結(jié)鋼筋［3］。然而，在較早開通運營的高速鐵路線路如武廣高速鐵路，在路橋過渡段處，根據(jù)臺后路基處理情況在距橋臺5～10 m范圍內(nèi)設(shè)置端梁結(jié)構(gòu)，道床板直接澆筑在支承層上［4-6］。由于軌道結(jié)構(gòu)斷開，在溫度荷載作用下連續(xù)道床板將存在較大的溫度縱向力，若道床板與支承層間連接狀態(tài)不良，容易形成由端梁發(fā)生變形引起的道床板上拱現(xiàn)象，嚴重時影響線路的平順性，影響列車安全運行［7-11］。

基于此，本文通過雙塊式無砟軌道使用狀態(tài)現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)特點及傳力特性，對路橋過渡段道床板上拱成因進行了分析；應(yīng)用有限單元法，對路橋過渡段范圍內(nèi)道床板上拱變形規(guī)律開展了研究，分析層間摩擦因數(shù)、溫度荷載、端梁錨固鋼筋等對道床板上拱變形的影響；在此基礎(chǔ)上提出雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱整治對策和工藝流程，介紹了現(xiàn)場實際應(yīng)用的實施效果，以期為我國高速鐵路雙塊式無砟軌道類似病害的養(yǎng)護維修提供借鑒及參考。

1 路橋過渡段道床板上拱原因及影響因素分析

路基地段雙塊式無砟軌道為縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，夏季持續(xù)高溫導(dǎo)致道床板內(nèi)溫度升高，使得路基端部端梁附近易出現(xiàn)連續(xù)道床板與支承層分離上拱現(xiàn)象［12］，見圖1。根據(jù)運營實踐可知：某雙塊式無砟軌道路基地段端梁附近道床板相對支承層發(fā)生上拱變形，在靠近端梁2 m范圍內(nèi)的道床板最大上拱值約6.5 mm，2～3 m范圍內(nèi)最大上拱值約2.5 mm，在3～5 m 道床板與支承層間離縫現(xiàn)象逐漸消失［13］。

對于路橋過渡段位置處雙塊式無砟軌道，當(dāng)?shù)来舶迨┕囟纫欢〞r，隨著板內(nèi)溫度的升高，道床板內(nèi)的縱向溫度力將逐漸增大。若道床板與支承層間的接觸狀態(tài)不良，道床板內(nèi)部分縱向溫度力將傳遞給端梁結(jié)構(gòu)，從而引起道床板上拱變形。

圖1 路橋過渡段道床板上拱

1.1 道床板上拱原因分析

通過現(xiàn)場調(diào)研獲得路橋過渡段雙塊式無砟軌道道床板上拱變形情況，并結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)縱連特征，對可能引起道床板上拱的原因進行分析，主要得到以下4個方面：

1）道床板與支承層黏結(jié)強度較低

在路橋過渡段處支承層施工完成后和道床板澆筑之前這段時間內(nèi)，由于施工車輛、行人等原因?qū)е吕茡p、泥土殘留，致使一定長度范圍內(nèi)道床板和支承層的層間黏結(jié)強度減小，二者可以在縱向上相對滑動。

2）道床板整體升溫較大且端部伸長

道床板整體升溫后，道床板端部一定長度范圍內(nèi)發(fā)生伸長，若道床板縱向伸長完全受阻，則道床板將受到整體壓應(yīng)力。

3）道床板施工溫度低，高溫時道床板內(nèi)溫度力過大。

4）臺后施工縫未按要求施工，縫內(nèi)存在混凝土硬塊；支承層頂面作為無砟軌道施工運輸通道，表面粗糙度降低；端梁施工存在缺陷，與道床板連接不牢固。

1.2 道床板上拱影響因素分析

采用有限單元法，結(jié)合路橋過渡段雙塊式無砟軌道道床板、端梁、支承層及路基土層之間的力學(xué)相互作用關(guān)系，建立了道床板上拱變形計算模型，如圖2所示［6，8］。

圖2 路橋過渡段道床板上拱變形計算模型

模型中端梁橋梁側(cè)道床板為自由端，端梁路基側(cè)道床板為固定端［9-10］。支承層、級配碎石層及A，B 填料層對道床板的垂向支撐作用采用非線性彈簧模擬；道床板與支承層間采用縱垂向受壓不受拉的非線性彈簧模擬，并考慮結(jié)構(gòu)自重的影響；支承層、級配碎石層及A，B 填料層對端梁的縱向阻力作用均采用非線性彈簧模擬；A，B 填料層對端梁底面的垂向阻力作用亦采用非線性彈簧模擬；錨固銷釘對道床板的縱向、垂向阻力作用均采用線性彈簧模擬。模型長度取為100 m。路橋過渡段道床板上拱計算中，線路軌道采用CHN60 鋼軌，扣件縱向阻力15 kN/m/軌，垂向剛度50 kN/mm，其他參數(shù)見表1。

表1 路橋過渡段道床板上拱計算參數(shù)

模型中荷載為溫度荷載且只考慮升溫工況?；炷寥肽囟瓤刂圃?～30 ℃，且不應(yīng)高于當(dāng)?shù)?0年內(nèi)統(tǒng)計的最低氣溫加40 ℃。路基支承面剛度取76 MPa/m，路基對端梁的橫向支承剛度和道床板的垂向支承剛度根據(jù)路基支承面剛度及單元劃分大小確定。當(dāng)端梁發(fā)生垂向位移時，認為路基土體對端梁有一定的摩擦阻力，土體與端梁的摩擦因數(shù)取0.2。

1）層間摩擦因數(shù)影響分析

取不同的道床板與支承層間摩擦因數(shù)，對溫度荷載下道床板上拱變形進行分析。道床板與支承層間摩擦因數(shù)分別取0.2，0.5，0.8，1.0，5.0，道床板整體升溫30 ℃時的計算結(jié)果見圖3。

圖3 不同摩擦因數(shù)下道床板上拱變形曲線

根據(jù)圖2中的計算結(jié)果，提取不同摩擦因數(shù)下道床板上拱范圍及位移最大值，匯總結(jié)果見表2。其中，為保證道床板與支承層間的可靠黏結(jié)，道床板相對支承層的最大伸縮量應(yīng)小于層間黏結(jié)失效時的極限位移0.5 mm。因此，道床板伸縮區(qū)長度按照板滑移量為0.5 mm時的位置進行取值。

表2 不同摩擦因數(shù)下道床板上拱范圍及最大位移

由表2可知，隨著摩擦因數(shù)的增大，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱位移、道床板伸縮區(qū)長度及發(fā)生上拱的范圍均減小。層間摩擦因數(shù)為0.5 時，道床板上拱最大值為8.28 mm；摩擦因數(shù)為1.0 時，上拱最大值為7.36 mm。隨著摩擦因數(shù)的繼續(xù)增加，道床板上拱變形最大值逐漸降低，層間摩擦因數(shù)為5.0 時上拱最大值減小為1.54 mm。

2）溫度荷載影響分析

道床板與支承層間為摩擦接觸狀態(tài)且摩擦因數(shù)取0.5，考慮道床板整體升溫，升溫幅度分別為20，30，40，45 ℃時道床板上拱變形曲線見圖4。

圖4 不同溫度作用下道床板上拱變形曲線

由圖4可知，升溫幅度對道床板上拱位移量影響較大，而對道床板上拱范圍的影響較小。

不同升溫幅度下道床板縱向、垂向位移曲線見圖5。

圖5 不同升溫幅度下道床板縱、垂向位移曲線

由圖5可知，在縱向溫度力的作用下，道床板上拱最大值發(fā)生在端梁路基側(cè)距端梁一定范圍內(nèi)，隨著升溫幅度的增加，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱量均明顯增大。當(dāng)?shù)来舶逭w升溫20 ℃時上拱最大值為2.73 mm，整體升溫45 ℃時上拱最大值已達到23.60 mm。

3）錨固銷釘影響分析

錨固銷釘具有抵抗道床板與支承層間相對位移產(chǎn)生的剪切力和上拔力的能力，有利于保持道床板的整體性和穩(wěn)定性［4，12］。考慮道床板整體升溫45 ℃、層間摩擦因數(shù)取0.5，在道床板端梁后布置錨固鋼筋，銷釘縱向間距為0.65 m，從道床板自由端起布置范圍分別取5，10，20，30 m。不同錨固方案下道床板上拱變形曲線見圖6。

圖6 不同錨固方案下道床板上拱變形曲線

由圖6可知，錨固銷釘可有效減小溫度荷載作用下的道床板上拱位移量。當(dāng)在道床板20 m 范圍內(nèi)錨固銷釘時，上拱變形最大值約為0.93 mm，較未布置銷釘時上拱變形量大幅降低，上拱范圍減小到4 m 左右；當(dāng)銷釘錨固范圍大于20 m 時，道床板上拱變形的差異較小。因此，當(dāng)采用錨固銷釘進行道床板上拱整治時，可結(jié)合軌道結(jié)構(gòu)特點、氣溫條件，并參考本文計算結(jié)果，合理選擇銷釘錨固數(shù)量及布置方案。

2 道床板上拱整治技術(shù)

針對路橋過渡段道床板上拱病害，結(jié)合前文理論分析得到的道床板上拱變形規(guī)律，對道床板上拱整治技術(shù)進行研究，提出了銷釘錨固加強的整治方案，并介紹了該方案在一特大橋臺后過渡段道床板上拱整治中的成功應(yīng)用情況［12］。

2.1 道床板上拱預(yù)加固技術(shù)方案

由前文分析結(jié)果可知，錨固銷釘可以加強道床板與支承層間的整體性，緩解較大溫度力作用下端梁變形引起的道床上拱變形。因此，可以將錨固銷釘作為道床板上拱的預(yù)加固措施。具體技術(shù)方案如下：

1）徹底清理臺后道床板伸縮縫，移除縫內(nèi)一切雜物，必要時應(yīng)對道床板混凝土進行切割，使伸縮縫寬度滿足要求。清理后在伸縮縫內(nèi)重新填充泡沫板，并用嵌縫材料將伸縮縫從頂面和側(cè)面進行密封，且嵌縫材料厚度不小于20 mm。

2）在道床板內(nèi)植入鋼筋，其布置方式如圖7所示。

圖7 道床板上拱預(yù)加固銷釘布置方式

3）在橋臺后第2，6號及端梁后第10，11，13，16，20號軌枕盒內(nèi)植入鋼筋，每軌枕盒植入1 排，每排4 個。錨固銷釘鉆孔前應(yīng)先采用鋼筋探測儀對道床板內(nèi)鋼筋位置進行探測，并根據(jù)探測結(jié)果對鉆孔位置進行適當(dāng)調(diào)整，鉆孔須貫穿道床板并深入支承層一定深度。

2.2 路基端部道床板上拱整治措施

針對路橋過渡段道床板上拱的原因分析及理論計算結(jié)果，研究并提出了道床板上拱整治技術(shù)方案，具體如下：

1）徹底清理臺后道床板伸縮縫，移除縫內(nèi)一切雜物。清理后按設(shè)計重新填充泡沫板，并用密封膠進行密封。

2）在道床板內(nèi)植入銷釘，銷釘布置方式如圖8所示。

圖8 橫斷面銷釘布置（單位：mm）

①路橋分界點至端梁范圍內(nèi)：除第1，4 個軌枕盒及端梁范圍內(nèi)不植入銷釘外，其他軌枕盒內(nèi)按“3+2+3+2+…”（軌枕盒內(nèi)植入銷釘數(shù)量按3 根和2 根間隔植入）的方式植入銷釘。

②端梁往后20 m 范圍內(nèi)：除端梁范圍內(nèi)部植入銷釘外，其他軌枕盒內(nèi)按“3+2+3+2+…”（軌枕盒內(nèi)植入銷釘數(shù)量按3根和2根間隔植入）的方式植入銷釘。

③端梁往后20～40 m 范圍內(nèi)：軌枕盒內(nèi)按“3+2+0+3+2+0+…”（軌枕盒內(nèi)植入銷釘數(shù)量按3根、2根和0根間隔植入）的方式植入銷釘。

3）對于道床板與支承層離縫可采用注漿，注漿要求可參考鐵運〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》［14］；待達到一定強度后再在該段植入銷釘，每軌枕盒植入1排。

4）對軌道重新進行調(diào)整，使其平順度滿足要求。

3 結(jié)論

通過對雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱問題及整治技術(shù)的研究，主要得到以下結(jié)論：

1）由道床板上拱成因分析及參數(shù)影響分析可知，降低道床板溫度、增大道床與支承層間黏結(jié)強度或摩擦因數(shù)能有效減小道床板的上拱位移量；布置錨固銷釘能有效控制溫度荷載下的道床板上拱變形。

2）隨著道床板與支承層間摩擦因數(shù)的增大，溫度荷載下的道床板縱向伸縮位移、垂向上拱位移、伸縮區(qū)長度及上拱范圍均明顯減小。當(dāng)層間摩擦因數(shù)為1.0 時，道床板上拱位移最大值為7.36 mm；摩擦因數(shù)增大至5.0時，上拱變形最大值減小為1.54 mm。

3）升溫幅度對道床板上拱變形的影響較大，當(dāng)?shù)来舶逭w升溫30 ℃時，上拱位移最大值已達到8.82 mm；隨著升溫幅度的增加，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱量隨之增大。

4）錨固銷釘具有抵抗道床板與支承層間相對位移產(chǎn)生的剪切力和上拔力的能力，合理的銷釘布置能夠有效解決因道床板上拱引起的軌道結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)定性問題。當(dāng)在道床板20 m 范圍內(nèi)錨固銷釘時，上拱變形最大值約為0.93 mm，較未布置銷釘時上拱變形量大幅降低，上拱范圍減小至4 m左右。

5）雙塊式無砟軌道端梁位置處結(jié)構(gòu)差異造成溫度力不平衡，容易引起軌道結(jié)構(gòu)上拱。當(dāng)設(shè)置錨固銷釘后，特殊情況下道床板可能會與下部混凝土底座同時變形。建議在錨固區(qū)段考慮擋塊、栓釘?shù)蓉Q向約束，并結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件合理設(shè)計端梁結(jié)構(gòu)，以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。