CRTSⅡ型板式無砟軌道穩(wěn)定性分析及養(yǎng)修建議

譚社會 方文珊 林超

（1.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；2.中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038；3.鐵路軌道安全服役湖北省重點實驗室，武漢 430063）

CRTSⅡ型板式無砟軌道為連續(xù)型軌道結(jié)構(gòu)，國內(nèi)首次應(yīng)用于京津城際鐵路，隨后在滬杭、京滬、京石武、寧杭、杭甬、杭長、合福等10 余條高速線路中大規(guī)模應(yīng)用。目前我國CRTSⅡ型板式無砟軌道運營里程近9 000 km，鋪設(shè)范圍主要在華北、華東地區(qū)［1］。自投入運營以來，CRTS Ⅱ型板式無砟軌道總體使用情況良好，但在夏季極端氣候和持續(xù)高溫條件等因素作用下，個別薄弱地段出現(xiàn)過脹板病害［2-3］，已采用注膠、植筋加固等措施進行整治［4-7］?？紤]高鐵高安全性、高穩(wěn)定性的需求，結(jié)合目前運營狀況，開展運營期CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析很有必要。

本文以在線監(jiān)測為技術(shù)手段，以結(jié)構(gòu)薄弱地段為監(jiān)測對象，以監(jiān)測數(shù)據(jù)為參照基礎(chǔ)，分析軌道結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，以指導養(yǎng)護維修。

1 監(jiān)測方案

1.1 工點概況

合福高速鐵路設(shè)計時速300 km，其中，蚌福聯(lián)絡(luò)線金寨路特大橋的蚌埠側(cè)橋臺臺尾86 m 摩擦板及臺前480 m 簡支梁處于小半徑曲線上（曲線半徑550 m，為全路CRTSⅡ型板式無砟軌道曲線半徑最小地段），橋臺前方的路橋過渡段為有砟無砟軌道結(jié)合部。在該處建立監(jiān)測點，研究運營期CRTSⅡ型板式無砟軌道的穩(wěn)定性。

1.2 監(jiān)測方法

采用光纖光柵傳感器進行軌道結(jié)構(gòu)溫度、位移和應(yīng)力等參數(shù)的長期監(jiān)測。與傳統(tǒng)的電參數(shù)測試技術(shù)相比，光纖光柵技術(shù)具有測量精度高、抗電磁干擾、無零漂、防水防潮性能好、長期使用性能穩(wěn)定等優(yōu)點，滿足高速鐵路長期監(jiān)測的需要［8］。

1.3 監(jiān)測內(nèi)容及測點布置

現(xiàn)場共設(shè)置36 個測點（表1），其中溫度測點11個，監(jiān)測氣溫、軌溫、軌道板溫度、底座板溫度、橋梁溫度；位移測點13個，監(jiān)測鋼軌與軌道板相對位移、底座板與橋面相對位移；應(yīng)力測點12 個，監(jiān)測鋼軌伸縮附加力、側(cè)向擋塊混凝土應(yīng)力。

表1 現(xiàn)場測點布設(shè)

2 溫度場分析

2.1 大氣溫度與軌道板溫度

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，2015 年和2016 年軌道板溫度（簡稱板溫）與大氣溫度變化見圖1?？芍?015年的年最高氣溫、板溫分別為38.4，48.3 ℃；2016年的年最高氣溫、板溫分別為40.4，50.7 ℃；最高板溫（板中）比最高氣溫高約10 ℃。

圖1 2015年和2016年軌道板溫度與大氣溫度變化

2.2 軌道板垂向溫度梯度

2016年8—12月軌道板不同深度處溫度的變化見圖2。可知，軌道板不同深度存在溫度差。白天軌道板表面溫度高于軌道板底面，為正溫度梯度；夜間軌道板表面溫度低于軌道板底面，為負溫度梯度。

圖2 軌道板不同深度處溫度的變化

2016年8—12月軌道板垂向溫度梯度變化曲線見圖3?？芍瑥? 月到12 月，軌道板的溫度梯度呈減小趨勢。其中，2016 年8 月4 日，軌道板的正溫度梯度日最大值達到了89.4 ℃∕m，與規(guī)范設(shè)計值（90 ℃∕m）很接近［9-10］。

圖3 軌道板溫度梯度變化曲線

2.3 持續(xù)高溫對軌道板溫度的影響

持續(xù)高溫是指日最高氣溫≥35 ℃且持續(xù)時間不少于3 d［11-12］。2015 年的持續(xù)高溫期為7 月27 日—8 月5日，2016 年為7 月21 日—8 月19 日。這2 年的持續(xù)高溫期及其前后各3 d的板溫與氣溫見圖4。

圖4 持續(xù)高溫期及其前后各3 d的板溫與氣溫

從圖4 可知：①2015 年和2016 年的持續(xù)高溫期內(nèi)軌道板日溫差變化平均值分別為12.9 ℃和13.2 ℃。②2015 年和2016 年，持續(xù)高溫開始前3 d 日最高板溫與日最高氣溫的溫差的平均值分別為5.7 ℃和7.1 ℃；持續(xù)高溫期內(nèi)分別為8.4 ℃和9.7 ℃；持續(xù)高溫結(jié)束后3 d 分別為3.8 ℃和6.4 ℃。③2015 年，持續(xù)高溫第5天板溫達到最高值，為46.7 ℃，當日板溫與氣溫的溫差為9.4 ℃；2016 年持續(xù)高溫第4 天板溫達到最高值，為50.6 ℃，當日板溫與氣溫的溫差為10.4 ℃。

綜上，軌道板的溫度受氣溫影響很大，持續(xù)高溫期越長，板溫越高，與氣溫的差值越大。持續(xù)高溫4～5 d 時板溫達到最高值。因此，持續(xù)高溫超過3 d就須加強對現(xiàn)場的檢查，及時消除安全隱患。

3 位移分析

3.1 鋼軌與軌道板縱向相對位移

簡支梁橋上和端刺區(qū)段的鋼軌與軌道板縱向相對位移見圖5。

圖5 鋼軌與軌道板縱向相對位移

從圖5（a）可知，簡支梁橋上鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為0.9 mm（絕對值），且年變化量小于1.0 mm，說明CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體性好，不易出現(xiàn)脹軌跑道現(xiàn)象。在軌道結(jié)構(gòu)良好的情況下，可適當減少防爬位移觀測樁的數(shù)量，但對特殊結(jié)構(gòu)處（如道岔、鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器）及結(jié)合部仍應(yīng)長期觀測。

從圖5（b）可知，端刺區(qū)段鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為2.4 mm（絕對值），大于簡支梁橋上區(qū)段。這主要是因為端刺區(qū)段位于有砟無砟軌道分界點附近，由于有砟軌道道床縱向阻力比無砟軌道小，夏季鋼軌容易產(chǎn)生向有砟軌道方向移動的趨勢。但是鋼軌與軌道板縱向相對位移變化量在設(shè)計允許變化范圍內(nèi)，說明小半徑曲線段的CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性滿足要求。

3.2 垂向相對位移

圖6 軌道板板端與底座板垂向相對位移

軌道板板端與底座板垂向相對位移（翹曲量）見圖6?？芍?，板端翹曲量最大值為1.08 mm，出現(xiàn)在2016 年8 月4 日，而當天的溫度梯度值是年度最高值且接近規(guī)范設(shè)計值。說明在設(shè)計的溫度梯度范圍內(nèi)，軌道板垂向穩(wěn)定性變形滿足要求。

為進一步分析軌道板板端翹曲量與溫度梯度的關(guān)系，將高溫月份（2016 年8 月）軌道板與底座板垂向相對位移y與軌道板溫度梯度x進行擬合，見圖7?？芍叽嬖诿黠@的線性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.91。

圖7 軌道板板端翹曲量與溫度梯度的關(guān)系

4 鋼軌應(yīng)力分析

簡支梁橋上和路基區(qū)段的鋼軌應(yīng)力見圖8。可知：簡支梁橋上區(qū)段鋼軌全年處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為118 MPa；路基區(qū)段鋼軌冬季受拉，最大拉應(yīng)力為18 MPa，夏季受壓，最大壓應(yīng)力為73 MPa。

圖8 簡支梁橋上和路基區(qū)段的鋼軌應(yīng)力

5 結(jié)論

1）持續(xù)高溫期間最高軌道板溫度與日最高氣溫的差值較鄰近的非高溫期高約3 ℃，持續(xù)高溫第4～5天軌道板溫度達到最高。持續(xù)高溫超過3 d 就須加強對現(xiàn)場的檢查，以消除安全隱患。

2）簡支梁橋上區(qū)段鋼軌與軌道板縱向相對位移最大值為0.9 mm，且年變化量小于1.0 mm。CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)整體性好，可適當減少防爬位移觀測點數(shù)量，但對特殊結(jié)構(gòu)處及結(jié)合部仍應(yīng)長期觀測。

3）端刺區(qū)段的鋼軌與軌道板相對位移的最大值為2.4 mm，大于簡支梁區(qū)段，但在設(shè)計允許范圍內(nèi)。小半徑曲線段的CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)縱向穩(wěn)定性滿足要求。

4）軌道板與底座板的垂向相對位移與軌道板溫度梯度存在明顯的線性相關(guān)性。在設(shè)計溫度梯度范圍內(nèi)，軌道板垂向穩(wěn)定性滿足要求。

5）簡支梁上區(qū)段的鋼軌全年處于受壓狀態(tài)；路基區(qū)段的鋼軌冬季受拉，夏季受壓。