CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層斜裂病害整治效果評價

溫浩 易忠來 涂英輝 靳昊 李化建 李群

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.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.滬杭鐵路客運專線股份有限公司，上海 200030

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國高速鐵路應(yīng)用較多的軌道結(jié)構(gòu)形式，主要由鋼軌、扣件、軌道板、充填層、混凝土底座板或水硬性支承層等組成。支承層是軌道板和路基基床表層之間的過渡層，由水硬性膠凝材料、粗細骨料、水等組成的水硬性混合料或C15低塑性混凝土澆筑而成。支承層混凝土除了要具有一定的抗壓強度、抗彎能力外，還要具有抵抗擴散應(yīng)力的能力和較小的收縮形變。支承層既能承載軌道板的靜荷載和列車通過時的周期性疲勞荷載，又能逐層向下傳遞和分散荷載，提供應(yīng)力釋放條件，保護路基本體結(jié)構(gòu)，減少軌道板開裂趨勢［1-2］。作為路基段無砟軌道的重要基礎(chǔ)，支承層是直接承受列車沖擊荷載的軌道結(jié)構(gòu)，也是CRTSⅡ型板式無砟軌道的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件之一。其服役狀態(tài)在一定程度上反映無砟軌道的平順性和整體性，直接影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和運營的安全性。

隨著無砟軌道服役年限不斷延長和高速客運列車開行對數(shù)逐年增加，支承層混凝土傷損情況已逐漸顯現(xiàn)出來［3］，主要表現(xiàn)形式有：支承層混凝土開裂、粉化，支承層與充填層離縫，支承層與路基本體離縫冒漿等。支承層混凝土傷損一旦產(chǎn)生，尤其是貫通性裂縫的產(chǎn)生，將改變CRTSⅡ型板式無砟軌道縱連結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)［4］。當夏季高溫時，溫度力作用下可導致支承層上部軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上拱，嚴重威脅線路的運營安全。隨著對支承層傷損認識的不斷加深，鐵路工務(wù)部門已根據(jù)不同的傷損形式，有針對性地采取了一定的傷損整治措施。支承層結(jié)構(gòu)大部分埋于充填層底部，具有隱蔽性。這不僅給支承層早期傷損的發(fā)現(xiàn)帶來了困難，還增加了支承層傷損整治的難度，同時導致整治后支承層混凝土狀態(tài)具有不確定性。

目前，常規(guī)的支承層病害整治效果評價主要基于線路靜態(tài)幾何尺寸的評價和外觀評價，即人工檢查支承層外露部位混凝土灌注飽滿性，尚缺乏一套完整的針對實體結(jié)構(gòu)質(zhì)量及線路動力學特性的檢測技術(shù)。支承層連續(xù)結(jié)構(gòu)受力的復雜性、不同環(huán)境作用等級的特殊性、夜間天窗作業(yè)時間的有限性等特征決定了CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層傷損整治的難度［5］。因此，為確保無砟軌道結(jié)構(gòu)安全服役，本文開展無砟軌道支承層整治評價技術(shù)研究。

1 無砟軌道支承層斜裂病害現(xiàn)狀及影響

支承層混凝土為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，受人為因素、原材料質(zhì)量波動、環(huán)境因素、生產(chǎn)可控性差等影響，且大部分空間位于軌道板底部，或被封閉層包裹，屬于隱蔽工程。因此，形成的支承層斜裂傷損很難在日常的工務(wù)檢查中被發(fā)現(xiàn)。通過對多條無砟軌道線路支承層傷損情況進行調(diào)研，其中典型的支承層斜裂傷損形式如圖1所示。

圖1 支承層斜裂傷損典型案例

支承層水平斜裂傷損萌生后，在溫度應(yīng)力作用下，兩側(cè)混凝土擠壓形成錯臺，導致無砟軌道結(jié)構(gòu)上拱，出現(xiàn)線路線形變化，從而影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，詳述如下。

1）支承層斜裂傷損影響無砟軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

通過對支承層水平斜裂處軌道結(jié)構(gòu)動力學監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，列車以300 km∕h的速度通過支承層水平斜裂產(chǎn)生錯臺處時，斜裂處軌道板的豎向振動加速度和垂向位移約為支承層混凝土完好狀態(tài)時的10倍以上?？梢姡坏┲С袑有绷研纬?，高速列車運行時，軌道板對砂漿層、支承層等結(jié)構(gòu)的沖擊作用將大幅提高，使得支承層混凝土破損的風險加大。這不僅影響高速列車乘坐的舒適性，還會危及行車安全。同時，斜裂導致錯臺形成后，軌道板存在上拱的風險，導致砂漿層產(chǎn)生離縫，最終導致軌道線形產(chǎn)生變化，出現(xiàn)次生病害，如砂漿離縫、軌道板開裂或破損、寬接縫破損等［6］。

2）支承層斜裂傷損影響無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性

支承層斜裂形成后，將導致砂漿層與軌道板層間離縫以及軌道板與線間封閉層離縫。雨水通過離縫進入無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，會在支承層與砂漿層界面以及砂漿層與軌道板界面間形成積水。高速列車運行時，在周期性沖擊荷載、動水壓和溫差的交替作用下離縫內(nèi)水的體積不斷變化。列車通過時，沖擊荷載通過鋼軌傳遞到軌道板，然后直接作用于界面的積水層。積水層形成垂向和橫向動水壓。在垂向動水壓作用下，水被壓入支承層混凝土的毛細孔中。由于毛細孔徑較小且毛細孔壁有憎水作用，在毛細孔的末端形成較大的動水壓應(yīng)力，使孔縫末端產(chǎn)生拉應(yīng)力作用［7］。支承層混凝土在橫向動水壓影響下，產(chǎn)生橫向拉應(yīng)力作用，不斷將內(nèi)部積水拍打沖刷出來。當垂向和橫向動水壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過支承層混凝土自身抗拉強度時，混凝土內(nèi)的毛細孔縫就會擴展，形成宏觀微細裂縫，最終導致支承層斜裂進一步擴展和延伸，直接影響無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性。

隨著工務(wù)部門對CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的認識不斷深入，支承層混凝土斜裂傷損也逐步引起重視。以某線路區(qū)間為例，其中某處支承層水平斜裂傷損區(qū)域已出現(xiàn)較為嚴重的高低不平順。這類病害對軌道幾何尺寸的影響多為近年來累積產(chǎn)生，非突變性病害。為了進一步驗證支承層傷損對軌道平順性的影響，收集了該區(qū)域的動檢數(shù)據(jù)，并對歷史動檢數(shù)據(jù)進行疊加，見圖2。

圖2 某線路區(qū)間支承層傷損區(qū)域動檢數(shù)據(jù)

由圖2可知：自2018年10月至2019年1月，左、右軌高低不平順的變化規(guī)律基本相同；高低不平順數(shù)據(jù)從2018年12月開始有較明顯變化，支承層傷損對軌道高低平順性的影響為漸變過程，非突變行為；現(xiàn)場復核高低+2.8 mm位置正是支承層傷損部位，同時伴有局部區(qū)域冒漿。工務(wù)部門現(xiàn)場確認病害后根據(jù)相關(guān)規(guī)范，立即通過更換墊板對軌道幾何尺寸進行臨時調(diào)整。

某處支承層傷損區(qū)域前后板面高程、軌面高程和砂漿層離縫情況統(tǒng)計見圖3?？芍?，支承層斜裂傷損區(qū)段尤其是板號20791?6—20791?7軌道板和軌道表面高程出現(xiàn)明顯變化。

根據(jù)相關(guān)運營規(guī)范規(guī)定，該處支承層斜裂病害已達到A級病害，且線路高低達到5 mm。因此工務(wù)部門立即采取了限速200 km∕h的處置方法?？梢?，部分運營線路無砟軌道支承層混凝土所顯現(xiàn)出的傷損問題已經(jīng)對線路安全運營造成了影響。

圖3 某處支承層傷損區(qū)域板面、軌面高程和砂漿層離縫情況

2 無砟軌道支承層原位快速更換技術(shù)

鑒于無砟軌道支承層斜裂病害對運營安全的影響，中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所提出了一種基于繩鋸切割的無砟軌道支承層原位快速更換技術(shù)。首先，通過高速鏈鋸將待更換部位支承層混凝土切割成塊狀單元；然后，將已單元化的傷損支承層混凝土橫向移出；最后，灌注自流平、高早強、高耐久性的聚合物混凝土，從而實現(xiàn)天窗時間內(nèi)傷損支承層的快速更換。這種技術(shù)可實現(xiàn)在不切割鋼軌，同時不對支承層上部結(jié)構(gòu)造成擾動的前提下快速更換，無須移動軌道板，直接從側(cè)面完成對傷損支承層的更換，不影響行車。與鋪設(shè)臨時過渡墊梁處理支承層傷損的整治方案相比，具有天窗使用少、限速提高、限速時間短、安全風險低等技術(shù)優(yōu)點。

鑒于支承層層狀隱蔽結(jié)構(gòu)特點，考慮到支承層傷損對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性的影響，有必要對支承層傷損整治過程中軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行監(jiān)測，對整治前后實體結(jié)構(gòu)灌注飽滿性進行檢測，填補僅憑人工外觀檢查支承層狀態(tài)的不足，確保線路穩(wěn)定和運營安全。

3 支承層傷損整治過程中的軌道動力學監(jiān)測

支承層傷損整治工程需要多個天窗進行施工，當日天窗施工完畢后，次日仍須滿足列車安全通行需求。因此，除了考慮整治前后混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和一致性外，還須對整治過程中軌道動力學性能進行監(jiān)測。通過對列車運行時傷損支承層區(qū)域軌道結(jié)構(gòu)安全性指標參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性參數(shù)、結(jié)構(gòu)受力變形參數(shù)的實時監(jiān)測，實時掌握支承層傷損區(qū)域軌道狀態(tài)，并同步反饋至施工現(xiàn)場，做到施工過程、運營過程全流程監(jiān)控，為施工期間線路安全穩(wěn)定提供數(shù)據(jù)支撐，確保列車安全運行。

3.1 動力學監(jiān)測項目內(nèi)容及方法

支承層傷損整治過程動力學監(jiān)測項目主要有列車運行的安全性參數(shù)、傷損支承層對應(yīng)軌道板穩(wěn)定性參數(shù)、軌道結(jié)構(gòu)振動參數(shù)等。具體監(jiān)測方法是：通過監(jiān)測輪軌橫向力和垂向力，計算動車組內(nèi)外輪脫軌系數(shù)、輪重減載率和輪軸橫向力；通過監(jiān)測鋼軌和軌道板的垂向振動加速度，分析列車動載作用下的振動特性；通過監(jiān)測軌道板橫向位移、垂向位移監(jiān)控其穩(wěn)定性。

3.2 動力學監(jiān)測技術(shù)評價標準

整治過程中動力學性能應(yīng)滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》［8］的要求。其中列車運行穩(wěn)定性指標應(yīng)符合表1的要求；軌道結(jié)構(gòu)動力性能指標應(yīng)符合表2的要求。P0為靜軸重，kN。

表1 車輛動力學響應(yīng)穩(wěn)定性評判標準

表2 軌道結(jié)構(gòu)動力性能評判標準

3.3 動力學監(jiān)測的應(yīng)用

在某線路支承層斜裂傷損整治工程中應(yīng)用動力學監(jiān)測技術(shù)進行監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果見表3和表4。

表3 某處軌道結(jié)構(gòu)安全性參數(shù)單日最大值統(tǒng)計

表4 某處軌道板穩(wěn)定性參數(shù)及軌道振動參數(shù)單日最大值統(tǒng)計

由表3和表4可知：該處支承層傷損整治過程中，列車通過時脫軌系數(shù)最大值為0.25，輪重減載率最大值為0.37，輪軸橫向力最大值13.3 kN，垂向力102.2 kN，鋼軌的垂向位移最大值為1.17 mm，傷損處軌道板垂向位移最大值為0.49 mm，傷損處軌道板橫向位移最大值為0.26 mm，鋼軌垂向振動加速度最大值為1 402.9 m∕s2，軌道板垂向振動加速度最大值為481.8 m∕s2，結(jié)合支承層傷損整治過程動力學監(jiān)測技術(shù)評價標準可以看出，以上監(jiān)測項目無論在限速還是非限速階段均未超過限值。這表明，在支承層整治期間，整個軌道動力學參數(shù)是符合列車安全通行要求的。

4 支承層傷損整治前后實體結(jié)構(gòu)無損檢測

要實現(xiàn)支承層傷損整治效果的現(xiàn)場評價，主要是通過采用無損檢測技術(shù)對整治前后支承層混凝土空洞、支承層與砂漿層、砂漿層與軌道板之間離縫脫空情況進行檢測。鐵路工程中常用的無損檢測方法有數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC）、電磁波法、紅外成像法、超聲波無損檢測法、機械波（如彈性波）檢測方法等。

數(shù)字圖像相關(guān)法是一種非接觸式的、利用計算機視覺技術(shù)的圖像測量方法，基于材料表面在變形前后的散斑圖進行相關(guān)運算后得到材料的位移和應(yīng)變信息，這種方法不適用于隱蔽結(jié)構(gòu)缺陷的檢測。電磁波法基于材料導電性能的不連續(xù)性，根據(jù)電磁波在不同材質(zhì)上的反射時間不同來判斷是否存在缺陷，這種方法受鋼筋和水的影響很大。紅外成像法基于材料導熱性能的不連續(xù)性，通過對結(jié)構(gòu)體表面的溫度進行成像來判斷是否存在缺陷，可檢測深度在10 cm之內(nèi)的缺陷，不適用于厚度為30 cm的支承層混凝土檢測。機械波檢測法基于材料力學特性的不連續(xù)性，通過超聲波（或彈性波）在不同材質(zhì)中的反射時間來推斷是否存在缺陷。由于超聲波能量低且衰減快，受鋼筋影響較大，測試深度受到限制。彈性波法激發(fā)的能量大且波長較長，可檢測范圍能達到1 m以上。在利用彈性波進行檢測時，應(yīng)根據(jù)分辨力和檢測深度的要求選用大小合適的激振錐。因此，可利用彈性波法對支承層傷損整治效果進行有效評價。

4.1 彈性波法檢測支承層實體結(jié)構(gòu)技術(shù)原理

彈性波法須有一個主動激發(fā)的短時機械沖擊產(chǎn)生低頻的彈性波，彈性波在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播然后被缺陷處和結(jié)構(gòu)底面反射回來，通過安裝在沖擊位置附近的傳感器接收反射波，被檢測設(shè)備識別并采集后，用專業(yè)軟件對這些數(shù)據(jù)進行頻譜分析，頻譜圖中的明顯峰正是由于沖擊表面、缺陷及其外表面之間的多次反射產(chǎn)生瞬態(tài)共振所致，通過對比分析可以確定混凝土結(jié)構(gòu)的缺陷位置。

應(yīng)用彈性波法對支承層傷損整治前后實體結(jié)構(gòu)無損檢測就是利用特制的小錘或小球作為激振器激發(fā)入射彈性波信號，當信號遇到支承層內(nèi)部缺陷區(qū)域時就會產(chǎn)生反射，根據(jù)是否存在反射可判定支承層內(nèi)部有無缺陷，根據(jù)反射位置也可推斷支承層與砂漿層、砂漿層與軌道板離縫脫空程度，檢測原理見圖4。因此，利用彈性波檢測傷損支承層整治效果是一種較為理想的無損檢測方法。

圖4 彈性波法檢測支承層整治效果原理

4.2 彈性波法檢測支承層實體結(jié)構(gòu)的方法

圖5 支承層傷損整治效果檢測測點分布示意

為實現(xiàn)支承層整治范圍的全覆蓋，在利用彈性波法測試時，測點布置須根據(jù)支承層整治區(qū)域混凝土的實際尺寸確定（圖5）。原則上要求每個測點間隔一致（約30 cm），測線間隔一般在30 cm。測試完畢后將所有測點采集的數(shù)據(jù)進行匯總合成，形成等值線平面圖形，即譜圖。當反射能量指數(shù)大于某一上限值時，該區(qū)域判定為明顯缺陷；當反射能量指數(shù)大于某一下限值且小于某一上限值時，該區(qū)域判定為疑似缺陷；當反射能量指數(shù)小于某一下限值時，該區(qū)域判定為無缺陷。

通過對整治前后支承層混凝土測試譜圖進行對比分析，即可實現(xiàn)對支承層整治效果的直觀呈現(xiàn)和有效評價。

通過采用實體結(jié)構(gòu)無損檢測技術(shù)對傷損整治前后的支承層進行檢測，可以有效識別整治前后支承層混凝土與砂漿層界面、砂漿層與軌道板界面、支承層自身缺陷情況。利用該方法進行檢測只要一個天窗即可完成，適用于運營期天窗點內(nèi)無砟軌道質(zhì)量檢測。

4.3 彈性波法在支承層病害整治效果評價中的應(yīng)用

在某線路支承層斜裂傷損整治工程中，應(yīng)用了彈性波法對整治效果進行現(xiàn)場檢測。整治前由于斜裂傷損已經(jīng)造成軌道板輕微上拱，支承層與砂漿層間存在脫空離縫情況。檢測結(jié)果見圖6。

圖6 整治前后支承層傷損區(qū)域比例譜圖

譜圖中暖色區(qū)域（紅、橙）表示該區(qū)域存在脫空情況，綠色區(qū)域表示該區(qū)域疑似脫空；冷色區(qū)域（藍色）表示該區(qū)域無脫空情況。可知整治前采用彈性波法檢測該處支承層傷損情況為明顯缺陷26.8%，疑似缺陷25.0%；整治后檢測同一位置為，明顯缺陷0.7%，疑似缺陷4.3%。

通過對整治后檢測結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的明顯缺陷區(qū)域進行鉆芯取樣，可以明顯觀察到支承層未灌注飽滿情況?？梢?，采用彈性波法對支承層傷損整治前后進行無損檢測可以有效地評價支承層傷損區(qū)域的脫空程度和離縫情況，以此作為支承層傷損整治效果的評價是有效的。

5 結(jié)論與建議

1）支承層斜裂傷損是現(xiàn)階段CRTSⅡ型板式無砟軌道較為典型的傷損之一，斜裂傷損一旦形成，易導致上部結(jié)構(gòu)砂漿層和軌道板拱起，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

2）支承層傷損整治期間，對列車運行安全性參數(shù)、支承層傷損區(qū)域軌道板穩(wěn)定性參數(shù)及軌道結(jié)構(gòu)振動參數(shù)進行實時監(jiān)測，可以為線路安全穩(wěn)定提供數(shù)據(jù)支撐，確保列車安全運行。

3）采用彈性波法對傷損區(qū)域整治前后實體結(jié)構(gòu)進行無損檢測，可實現(xiàn)天窗時間內(nèi)傷損支承層整治效果的快速準確評價，檢測效率、精度及有效性可滿足現(xiàn)場使用需求。

4）建議采用實時監(jiān)測整治過程中軌道動力學數(shù)據(jù)，并對整治前后實體結(jié)構(gòu)進行彈性波法無損檢測，將其納入CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層傷損整治效果評價技術(shù)體系。