劉浩 江成 姜子清 黃安寧 張志遠 鄭新國 李培剛
(1.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;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室,北京 100081;3.中國鐵路上海局集團有限公司上海高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段,上海 200439;4.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)軌道交通學(xué)院,上海 201418)
高鐵路橋過渡段縱連式無砟軌道臺后錨固體系由摩擦板、端刺、路基填料等組成,以減小橋梁區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)縱向荷載對路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)的影響,降低不同構(gòu)筑物間的剛度差異,實現(xiàn)了底座板和軌道板跨梁縫連續(xù)鋪設(shè)[1-3],并嚴格控制臺后錨固體系中端刺結(jié)構(gòu)的縱向位移,保證不同結(jié)構(gòu)物間的協(xié)調(diào)變形與縱向剛度的平順性。路橋過渡段范圍的結(jié)構(gòu)受力特征較為復(fù)雜,不僅承受橋梁結(jié)構(gòu)傳來的縱向溫度荷載作用[4-5],還受到由于路基-橋梁剛度差異而引起的列車動力荷載沖擊作用,是軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。隨著運營時間的延長,部分線路端刺錨固區(qū)不可避免地出現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)服役穩(wěn)定性的問題。
端刺錨固結(jié)構(gòu)受力及變形研究多集中于設(shè)計和建設(shè)階段[6-8],針對運營期端刺錨固結(jié)構(gòu)受力變形規(guī)律的研究相對較少。同時,由于錨固限位結(jié)構(gòu)位于軌道結(jié)構(gòu)下方路基中,屬于隱蔽結(jié)構(gòu),在運營條件下難以進行檢查維修。因此,縱連式無砟軌道臺后錨固結(jié)構(gòu)變形特征及其對軌道結(jié)構(gòu)的影響是線路運營維護中應(yīng)重點關(guān)注的問題,對于保證路橋結(jié)合部縱連式無砟軌道的服役穩(wěn)定,以及合理制定專項養(yǎng)護維修措施具有較好的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。
本文對運營期縱連式無砟軌道臺后錨固區(qū)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進行了現(xiàn)場調(diào)研及監(jiān)測,分析運營條件下臺后錨固結(jié)構(gòu)體系受力變形特征,掌握運營條件下無砟軌道臺后端刺區(qū)結(jié)構(gòu)傷損形式,在此基礎(chǔ)上,提出了運營期臺后錨固結(jié)構(gòu)變形控制措施,以期為臺后錨固區(qū)結(jié)構(gòu)養(yǎng)護維修提供指導(dǎo)。
對于縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu),由于橋梁上無砟軌道底座板采用縱向連續(xù)配筋,在溫度力及制動力下縱向荷載可達11 MN,并且要求縱向位移不超過3 mm[4,6],常規(guī)的錨固地梁難以滿足縱連板式結(jié)構(gòu)后臺錨固的需要。為此,原鐵道部工程管理中心組織開展了縱連板式無砟軌道端刺錨固結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用研究,并相繼在京津城際、京滬高鐵、滬杭高鐵等線路中進行了應(yīng)用。
臺后錨固限位體系主要由土工布隔離層、摩擦板、小端刺、主端刺及過渡板組成[9],摩擦板、端刺和過渡板為連續(xù)整體,混凝土設(shè)計強度C30。摩擦板下設(shè)置一定量的小端刺,并在其未尾設(shè)立主端刺。底座板與摩擦板間鋪設(shè)兩層土工布,摩擦因數(shù)控制在0.5 ~0.8。為進一步減小路橋過渡段的差異沉降,實現(xiàn)線路基礎(chǔ)剛度平順過渡,向路基土體中摻入一定量的水泥對土體進行改良,以提高承載力和抗疲勞性能,降低土體的壓縮性。路基填料分為兩類,近橋臺區(qū)域(約20 m)采用級配碎石摻水泥填筑,其余區(qū)段采用AB填料。Ⅱ型端刺區(qū)過渡段平面圖見圖1[9]。
圖1 Ⅱ形端刺過渡段平面圖(單位:mm)
端刺錨固結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜,主要利用摩擦板與土體、端刺底板與土體的摩擦力抵抗無砟軌道縱向力。溫度、列車荷載作用下縱向水平力經(jīng)摩擦板傳遞至錨固于土體的端刺結(jié)構(gòu),避免了單一主端刺集中受力的問題。設(shè)計檢算主要控制端刺頂部水平位移和結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定性。為加強端刺過渡板與路基支承層結(jié)合部地段的變形協(xié)調(diào)性及受力均衡性,Ⅱ型端刺區(qū)、過渡板及相鄰支承層上的三塊軌道板與基礎(chǔ)間設(shè)置4排16根φ28剪力筋以加強錨固。軌道板剪力筋布置見圖2。
圖2 軌道板剪力筋布置(單位:mm)
對于縱連板式無砟軌道端刺錨固結(jié)構(gòu),由于橋上底座板與臺后錨固體系縱連,溫度交變荷載、列車制動荷載以及下部基礎(chǔ)的不可控變形等均會對錨固體系位移傳遞、應(yīng)力水平產(chǎn)生不利影響,可能會導(dǎo)致錨固結(jié)構(gòu)變形超限,端刺與路基間的作用力不足以平衡溫度變化等荷載作用引起的水平力[10],使得端刺過渡板與路基支承層連接處產(chǎn)生離縫,影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
針對運營期縱連式無砟軌道臺后Ⅱ型端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)的服役穩(wěn)定性,通過現(xiàn)場定期跟蹤測試、監(jiān)測等手段,分析外部荷載長期作用下結(jié)構(gòu)的變形特征。
根據(jù)縱連式無砟軌道臺后端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)及附屬設(shè)施狀態(tài)的周期性檢查結(jié)果,在每年的高溫季節(jié)7—8月份(最高氣溫超過35 ℃),端刺區(qū)軌道板層間離縫、上拱等傷損較為明顯。為進一步明確錨固結(jié)構(gòu)變形特征及其引起的結(jié)構(gòu)傷損形式,2018—2019年對某高鐵線路針對性地開展了專項調(diào)研分析。
1)2018年調(diào)研分析
由前述分析可知,縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)特征明顯,錨固結(jié)構(gòu)的變形特征與季節(jié)性溫度周期的變化相關(guān)。因此,針對低溫至高溫環(huán)境條件下端刺區(qū)結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)展開調(diào)研分析,見表1。
表1 2018年Ⅱ型端刺區(qū)結(jié)構(gòu)變形情況
根據(jù)高速鐵路縱連式無砟軌道臺后錨固區(qū)功能設(shè)計及軌道結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合前期研究成果可知[4,6],溫度、列車荷載作用下端刺過渡板末端的變形量最大(圖3),且當(dāng)溫度升高時端刺最大縱向位移遠離橋臺,降溫時則朝向橋臺。為保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,需嚴格控制溫度荷載作用下的端刺水平位移。然而根據(jù)現(xiàn)場長期檢查結(jié)果可知,隨著運營時間的增加端刺過渡板與路基支承層處容易產(chǎn)生離縫,且高溫季節(jié)時較大,而在溫度降低時離縫逐漸減小,與外部縱向荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形規(guī)律一致。另外,端刺錨固結(jié)構(gòu)變形會影響過渡板與支承層連接部位附近的寬窄接縫狀態(tài),即低溫季節(jié)產(chǎn)生板間離縫,高溫季節(jié)可能存在縱向偏心受壓,增大板端上拱風(fēng)險。
2)2019年調(diào)研分析
為繼續(xù)跟蹤分析端刺區(qū)結(jié)構(gòu)服役穩(wěn)定特征,2019年1—6月,對某路橋過渡段范圍內(nèi)端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)變形情況進行了現(xiàn)場調(diào)研分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)同樣存在支承層離縫、寬窄接縫破損開裂等問題。其中,離縫主要位于Ⅱ形端刺尾部過渡板與路基段支承層間連接處,且存在混凝土破損剝落現(xiàn)象。根據(jù)工務(wù)部門長期檢測結(jié)果,連接部位離縫存在季節(jié)性伸縮變化,見圖4。溫度較低時,在路基段支承層與過渡段底座交界處出現(xiàn)支承層離縫現(xiàn)象。當(dāng)溫度較高時離縫閉合,造成支承層擠壓破裂。另外,支承層與過渡板開裂處均伴隨板間接縫離縫現(xiàn)象。
圖3 過渡板與路基支承層間離縫主要位置(單位:mm)
圖4 過渡板與路基段連接位置離縫變化情況
通過在過渡板、軌道板及路基支承層布置變形觀測標識,基于長期觀測和微視頻監(jiān)測相結(jié)合的方案,分析端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)離縫及其變化規(guī)律。監(jiān)測工點為K1022+800—K1023+300 處路橋過渡段范圍內(nèi)端刺過渡板與路基支承層處,端刺過渡板與路基支承層間離縫隨季節(jié)性溫度(2018年11月至2019年9月)變化曲線見圖5。
圖5 過渡板與路基支承層離縫隨季節(jié)性溫度變化曲線
從圖5可知,離縫與溫度荷載關(guān)系明顯,且與現(xiàn)場專項檢查分析所得的變化規(guī)律一致,具體表現(xiàn)為:冬季低溫條件下的離縫較大,隨著溫度升高,過渡板與路基支承層間離縫逐漸減小,當(dāng)溫度達到37.5 ℃以上時離縫閉合。從2018年12月至2019年7月,在端刺過渡板和路基支承層水平間距測試過程中發(fā)現(xiàn),隨著溫度降低端刺水平位移朝向橋臺,間距明顯增大,當(dāng)環(huán)境溫度從8 ℃降至-1 ℃時間距從3.8 mm 增大至7.2 mm;隨著溫度升高,端刺變形遠離橋臺,當(dāng)溫升幅度為38.5 ℃時,離縫已降低為0,溫度繼續(xù)升高則產(chǎn)生閉合擠壓現(xiàn)象。
另外,縱連式無砟軌道受層間黏結(jié)強度下降、縱向剛度不連續(xù)等因素的影響,溫度荷載下的結(jié)構(gòu)變形特征主要表現(xiàn)為低溫條件下板端接縫離縫、高溫季節(jié)板端上拱等。對于端刺錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu),在層間傳力體系的影響下,端刺縱向水平位移會對過渡板與路基支承層附近的寬窄接縫狀態(tài)產(chǎn)生不利影響,不同溫度條件下板端寬窄接縫間離縫變化見表2。
表2 板端寬窄接縫間離縫
由表2 可知,板間接縫離縫總體上呈現(xiàn)出隨季節(jié)性溫度周期性變化的規(guī)律。冬季低溫條件下離縫較大,隨著溫度升高板間接縫離縫逐漸減小,且當(dāng)溫度達到35 ℃以上時離縫閉合。從2018年12月至2019年7月,寬窄接縫在測量期間隨著溫度的降低,離縫明顯增大,當(dāng)環(huán)境溫度從7 ℃降至-2 ℃時離縫已增大至約8.0 mm;當(dāng)溫升至37.5 ℃及以上時寬窄接縫開始出現(xiàn)閉合擠壓現(xiàn)象。另外,現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn),受端刺水平位移的影響,過渡板與軌道板間存在相對位移,且溫度越高相對位移越大。根據(jù)前期設(shè)計資料可知[9],在端刺過渡板范圍內(nèi)已進行植筋預(yù)加固,兩者之間的相對位移不利于植筋限位受力及砂漿層黏結(jié)狀態(tài)。
考慮縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)特性及端刺水平位移的影響,臺后端刺錨固區(qū)板端寬窄接縫離縫問題應(yīng)引起足夠的重視。在冬季低溫季節(jié)板端離縫下的雨水浸入會弱化層間黏結(jié)性能,而高溫環(huán)境下寬窄接縫擠壓破損容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縱向剛度不連續(xù),進而影響線路平順性。
綜上可知,縱連式無砟軌道臺后端刺錨固區(qū)結(jié)構(gòu)變形特征主要為支承層與過渡板間、軌道板與軌道板間的縱向相對位移,主要集中在過渡板末端靠近路基側(cè),且呈現(xiàn)出隨季節(jié)性溫度而周期性變化的規(guī)律。
通過現(xiàn)場調(diào)研分析可知,運營期Ⅱ型端刺區(qū)主要為錨固結(jié)構(gòu)變形引起的區(qū)域性傷損。主要表現(xiàn)為:結(jié)合部離縫、寬窄接縫擠壓破碎、軌道板上拱、支承層/底座板裂縫、路基線間封閉層開裂等,集中分布在過渡板末端靠近路基側(cè)。
臺后端刺區(qū)軌道板傷損主要表現(xiàn)為裂縫和掉塊,其中軌道板表面裂紋較為典型,在路基等普通區(qū)段同樣存在。根據(jù)TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》關(guān)于無砟道床傷損形式及傷損等級判定標準的規(guī)定[11]:軌道板除預(yù)裂縫處以外,其他部位不得有裂縫,且當(dāng)裂縫寬度在0.3 mm 及以上時,傷損等級判定為Ⅲ級。軌道板預(yù)裂縫在結(jié)構(gòu)設(shè)計中是允許開裂的,部分情況下有利于溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力釋放,但應(yīng)限制裂縫寬度,避免開裂影響結(jié)構(gòu)耐久性與穩(wěn)定性。
端刺區(qū)軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與錨固體系傳力特征有關(guān),錨固結(jié)構(gòu)水平位移會對軌道板受力產(chǎn)生不利影響,具體表現(xiàn)為應(yīng)力過大或集中導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)開裂?,F(xiàn)場專項檢查發(fā)現(xiàn),端刺錨固區(qū)軌道板傷損形式為板面橫向裂紋,裂紋在靠近板端第三根軌枕處,距端刺過渡板最右側(cè)約5 m,且該處裂紋位于預(yù)加固植筋位置。目前,工務(wù)部門采用了裂紋表面封閉的措施進行維護,建議加強日常檢查,對該類型軌道板傷損的發(fā)展情況進行定期觀測,尤其是在夏季高溫季節(jié)。
端刺錨固區(qū)砂漿病害與普通地段的傷損形式相同,主要表現(xiàn)為裂縫和破損。裂縫病害包括垂直裂縫及斜裂縫,破損主要發(fā)生在寬窄接縫和精調(diào)爪支撐位置。另外,作為縱連式無砟軌道的一種典型傷損形式,在結(jié)構(gòu)整體溫度荷載變形、溫度翹曲以及端刺縱向水平位移的影響下,臺后錨固區(qū)軌道結(jié)構(gòu)存在砂漿與軌道板層間離縫(圖6),且同時伴隨砂漿析出泛漿問題。
針對此類傷損,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[11]:水泥乳化瀝青砂漿充填層應(yīng)與軌道板底部和支承層底座板密貼。臺后端刺錨固區(qū)砂漿層間離縫引起的黏結(jié)強度下降不利于縱連式無砟軌道層間傳力和承載,再加上端刺水平位移的影響,可能會加大板端上拱變形的概率。另外,為準確評判運營期縱連式無砟軌道砂漿層使用性能,基于沖擊回波法的砂漿層狀態(tài)快速檢測儀(已通過上道試用評審),在京滬、京津、滬杭等高鐵線路進行了現(xiàn)場檢測應(yīng)用,實現(xiàn)了天窗時間內(nèi)對砂漿層離縫的快速檢測。
根據(jù)砂漿層黏結(jié)狀態(tài)的檢測結(jié)果,可為進一步開展端刺區(qū)結(jié)構(gòu)變形機理分析及軌道板高溫季節(jié)上拱變形、低溫條件下板端結(jié)合部離縫的影響提供數(shù)據(jù)支撐。
已有研究成果表明,軌道板端接縫材料傷損導(dǎo)致偏心受力是引起軌道板上拱的主要原因之一。臺后端刺錨固區(qū)寬窄接縫傷損主要表現(xiàn)為:窄接縫缺損破碎、寬接縫破碎以及其與軌道板之間界面離縫過大等,且在過渡板與路基支承層附近較為明顯。寬窄接縫開裂、離縫見圖7。
圖7 寬窄接縫開裂、離縫
板端接縫狀態(tài)改變會影響結(jié)構(gòu)軸向傳力機制,接縫處混凝土鋼筋截面削弱、界面黏結(jié)破壞及接縫離縫等引起結(jié)構(gòu)縱連剛度、受力及約束條件發(fā)生變化。TG/GW 115—2012 規(guī)定[11]:軌道板間接縫處混凝土裂縫不得大于0.2 mm,接縫現(xiàn)澆混凝土與軌道板間離縫不得大于0.3 mm。綜合現(xiàn)場檢查及監(jiān)測結(jié)果,板端接縫狀態(tài)隨溫度變化呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律,具有典型的區(qū)域性傷損特征。低溫條件下接縫離縫接近10 mm,高溫季節(jié)則為擠壓破損。工務(wù)維護部門現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)季節(jié)性變化特征較為穩(wěn)定,未出現(xiàn)較大的波動。未采取離縫填充、防水封閉等整治技術(shù)措施的原因是考慮到高溫條件下端刺區(qū)錨固結(jié)構(gòu)水平位移的影響,避免處理措施不當(dāng)引起結(jié)構(gòu)破損、線路高低變化超限等。
通過2019年對某路橋過渡段端刺錨固區(qū)結(jié)構(gòu)狀態(tài)專項檢查結(jié)果可知,支承層/底座板主要為裂紋類傷損,且裂縫位置存在混凝土破損脫落現(xiàn)象(圖8)。從裂縫形式和發(fā)生位置初步判斷是由于低溫拉應(yīng)力引起的斷裂。縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計中允許底座板和支承層開裂,但要求限制裂紋寬度及裂縫形式,按TG/GW 115—2012:橋梁地段連續(xù)底座板混凝土裂縫寬度不得大于0.3 mm;路基地段支承層不得有豎向貫通裂縫。然而臺后端刺錨固區(qū)部分支承層裂紋寬度及貫穿斷裂形式已超出該標準限值,高速列車經(jīng)過時會加速其疲勞破壞,且雨水的浸入會導(dǎo)致基礎(chǔ)不穩(wěn)定。
圖8 路橋過渡段支承層開裂
此外,臺后端刺過渡板與路基上支承層離縫處伴隨著線間防水封閉層出現(xiàn)貫穿裂縫(圖9),初步分析其原因同樣為溫度荷載作用下拉應(yīng)力過大。
圖9 線間封閉層貫穿裂縫
隨著運營時間的增加,外部荷載作用下錨固結(jié)構(gòu)變形以及結(jié)構(gòu)區(qū)域性傷損會成為路橋過渡段無砟軌道運營過程中面臨的主要問題。一旦快速發(fā)展會影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,增大軌道幾何形位變化,降低高速列車運行的安全性、舒適性等。針對臺后端刺錨固結(jié)構(gòu)變形特征及傷損表現(xiàn)形式,提出了運營維護技術(shù)措施的建議。具體如下:
1)針對無砟道床裂縫、離縫等多發(fā)共性傷損,建議按照TG/GW 115—2012 關(guān)于表觀病害整治技術(shù)的規(guī)定,采用合適的材料進行修復(fù),如軌道板開裂、擋肩裂縫可采用表面封閉法或低壓注漿法,砂漿層離縫采用低黏度樹脂注漿材料填充。
2)對于季節(jié)性溫度荷載作用引起的端刺過渡板與路基支承層間、軌道板間接縫離縫等典型區(qū)域性傷損,可采用高彈韌性材料進行離縫填充,在確保位移變形協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上進行應(yīng)力釋放,避免接縫剛度不匹配引起的結(jié)構(gòu)破損及線路高低變化超限等。
3)為進一步分析臺后端刺錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)傳遞及變形協(xié)調(diào)機制,建議對錨固區(qū)結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)進行系統(tǒng)監(jiān)測,重點關(guān)注循環(huán)溫度荷載下端刺縱向變形及土體錨固力變化,為針對性地制定養(yǎng)護維修措施提供支撐。
4)針對端刺錨固結(jié)構(gòu)季節(jié)性變形問題,建議開展路基錨固力增強材料及工藝工裝的專項研究,提出加強錨固體系自身變形控制方案。
通過運營期臺后端刺錨固結(jié)構(gòu)變形特征的專項檢查及分析,主要得到以下結(jié)論:
1)縱連式無砟軌道結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)明顯,臺后端刺錨固區(qū)結(jié)構(gòu)變形特征表現(xiàn)為支承層與過渡板間、軌道結(jié)構(gòu)關(guān)鍵連接部件的水平位移,且呈現(xiàn)出隨季節(jié)性溫度而周期性變化的規(guī)律。端刺錨固結(jié)構(gòu)變形會影響過渡板與支承層連接部位附近的寬窄接縫狀態(tài),低溫季節(jié)產(chǎn)生板間離縫,高溫條件下存在縱向偏心受壓情況。
2)根據(jù)現(xiàn)場專項調(diào)研及監(jiān)測結(jié)果,端刺過渡板和路基支承層水平間距在低溫條件下較大,且隨著溫度的升高而逐漸減小,直至結(jié)合部離縫閉合。當(dāng)溫降9 ℃時相對水平位移從3.8 mm增大至7.2 mm;當(dāng)溫升幅度為38.5 ℃時離縫已降低為0。溫度從7 ℃降至-2 ℃時支承層-過渡板連接部位附近板間接縫離縫約8.0 mm;當(dāng)溫升38.5℃時寬窄接縫開始出現(xiàn)擠壓,且伴隨接縫混凝土開裂、破損。
3)考慮端刺水平位移的影響,不同于普通地段軌道結(jié)構(gòu),路橋過渡段端刺錨固區(qū)結(jié)構(gòu)傷損具有的典型區(qū)域性分布特征,主要集中在過渡板末端靠近路基范圍。目前,結(jié)構(gòu)傷損主要影響耐久性,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及線路平順狀態(tài)的影響不大,但對于其產(chǎn)生機理及發(fā)展規(guī)律,需進一步跟蹤分析。