高速鐵路變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)研究

劉偉斌

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

截至2020年底，中國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到3.79萬(wàn)km，其中采用無(wú)砟軌道的高速鐵路約2.2萬(wàn)km。運(yùn)營(yíng)實(shí)踐表明，中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)總體良好，但在一些線路部分區(qū)段出現(xiàn)了一定程度的病害，線下基礎(chǔ)變形引起的軌道幾何形位超限是主要病害之一。目前主要采用特殊扣件系統(tǒng)調(diào)整、注漿抬升、切割無(wú)砟道床等措施進(jìn)行整治。工程實(shí)踐表明，當(dāng)線下基礎(chǔ)變形較大時(shí)整治時(shí)間較長(zhǎng)，成本較高，且影響線路正常運(yùn)營(yíng)。因此，亟待進(jìn)一步提升無(wú)砟軌道的變形調(diào)整能力，以降低相關(guān)病害整治時(shí)間及整治成本。

本文在分析國(guó)內(nèi)外無(wú)砟軌道變形調(diào)整技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出一種變形調(diào)整能力較強(qiáng)的板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。

1 國(guó)外高速鐵路無(wú)砟軌道變形調(diào)整技術(shù)

1.1 日本新干線板式軌道

日本鐵道綜合技術(shù)研究所等單位研發(fā)了板式軌道結(jié)構(gòu)，研發(fā)時(shí)遵循4項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，其中之一為板式軌道能夠在一定程度上校正線下基礎(chǔ)變形引起的軌道幾何形位超限。

新干線板式軌道主要通過(guò)以下技術(shù)措施應(yīng)對(duì)線下基礎(chǔ)變形［1］：①通過(guò)扣件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，基于扣件的高低、左右調(diào)整能力對(duì)軌道幾何形位超限處進(jìn)行整治。②利用水泥乳化瀝青砂漿層厚度進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)抬升軌道板并重新灌注新的砂漿層實(shí)現(xiàn)軌道幾何形位超限整治。新灌注的砂漿材料具有早強(qiáng)特性，必須在維修后數(shù)小時(shí)內(nèi)允許通行列車。③采用水平移動(dòng)軌道板的方式調(diào)整軌道幾何形位，將凸形擋臺(tái)周圍填充層清除后，利用相關(guān)設(shè)備頂推軌道板到設(shè)定位置，重新灌注填充層。④根據(jù)線下基礎(chǔ)變形發(fā)展情況隧底結(jié)構(gòu)采取注漿、增設(shè)錨桿等加強(qiáng)措施。

1.2 德國(guó)無(wú)砟軌道

德國(guó)相關(guān)研究人員認(rèn)為應(yīng)首先確認(rèn)線下基礎(chǔ)變形收斂后再鋪設(shè)無(wú)砟軌道，運(yùn)營(yíng)期線下基礎(chǔ)變形較小，可通過(guò)扣件系統(tǒng)進(jìn)行軌道幾何形位調(diào)整。但在運(yùn)營(yíng)階段也出現(xiàn)了路基沉降變形引起的軌道幾何超限等病害［2-3］。

科隆—萊茵高速鐵路一路橋過(guò)渡段開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，在約45 m路堤區(qū)段出現(xiàn)了持續(xù)沉降變形。自2002年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)到2005年路基最大沉降變形約70 mm，引起了軌道平順性超限，通過(guò)無(wú)砟軌道扣件系統(tǒng)對(duì)軌道幾何形位進(jìn)行了整治?？坡　ㄌm克福高速鐵路兩個(gè)區(qū)段路堤在開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后也出現(xiàn)了沉降變形，最大沉降變形分別為44、53 mm。通過(guò)扣件系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行調(diào)整，采用在道床板與支承層間注入聚氨酯材料進(jìn)行軌道幾何形位調(diào)整。

德國(guó)高速鐵路開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)的線下基礎(chǔ)變形主要表現(xiàn)為路基地段沉降，形式較為單一。由于其采用的Rheda型無(wú)砟軌道不具備變形調(diào)整能力，只能通過(guò)扣件系統(tǒng)或?qū)娱g注入高分子材料進(jìn)行軌道幾何形位整治。

1.3 奧地利無(wú)砟軌道

奧地利聯(lián)邦鐵路公司等單位研發(fā)的板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，除扣件系統(tǒng)具有變形調(diào)整能力外，還在軌道板底部設(shè)置彈性層將軌道板與下部自密實(shí)混凝土隔離。當(dāng)線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大變形時(shí)，將軌道板抬起并灌注具有早強(qiáng)性能的砂漿材料進(jìn)行軌道幾何形位調(diào)整［4］。近年來(lái)，奧地利、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家多條高速鐵路采用了該型板式無(wú)砟軌道。

2 中國(guó)無(wú)砟軌道變形調(diào)整技術(shù)

中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)用規(guī)模大，受線路沿線不良地質(zhì)、復(fù)雜氣候、質(zhì)量控制等因素影響，開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后線下基礎(chǔ)出現(xiàn)了沉降、上拱、偏移等病害。針對(duì)基礎(chǔ)變形等引起的軌道幾何形位超限問(wèn)題，研究提出相應(yīng)的整治措施。

線下基礎(chǔ)變形量超出扣件調(diào)整范圍時(shí)采取路基注漿抬升、無(wú)砟道床橫向頂推糾偏、切割無(wú)砟道床支承層或道床板、梁體抬升等［5-7］技術(shù)措施進(jìn)行整治。具體方法如下：

1）線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降時(shí)，通過(guò)在路基級(jí)配碎石層中注入高聚物材料實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)抬升，或?qū)o(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)抬升后形成的空隙填充飽滿，以恢復(fù)線路平順性。當(dāng)橋梁地段出現(xiàn)較大差異沉降變形時(shí)，通過(guò)調(diào)整梁體支座高度進(jìn)行整治。

2）無(wú)砟軌道出現(xiàn)較大偏移時(shí)，通過(guò)將上部無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分離，利用反力裝置和設(shè)備橫向頂推無(wú)砟軌道至設(shè)計(jì)位置實(shí)現(xiàn)糾偏。

3）線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大上拱時(shí)，采取切割支承層或道床板、暗挖路基基床表層等措施降低軌道標(biāo)高至設(shè)計(jì)位置，并采用聚合物水泥砂漿對(duì)切割或暗挖后形成的間隙進(jìn)行填充。

總體來(lái)看，中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道基礎(chǔ)變形表現(xiàn)形式多樣，通過(guò)無(wú)砟道床調(diào)整軌道幾何形位超限時(shí)整治時(shí)間較長(zhǎng)，成本較高，且影響線路正常運(yùn)營(yíng)。個(gè)別病害嚴(yán)重地段還采取了重新鋪設(shè)無(wú)砟軌道或更換為有砟軌道等整治措施。

3 變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外高速鐵路無(wú)砟軌道實(shí)踐表明，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中線下基礎(chǔ)變形難以避免，且隨著時(shí)間增長(zhǎng)變形可能持續(xù)發(fā)展，有必要進(jìn)一步提升無(wú)砟軌道應(yīng)對(duì)線下基礎(chǔ)較大變形的能力。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性、耐久性等要求，基于日本新干線板式軌道、奧地利板式無(wú)砟軌道以及中國(guó)CRTSⅠ型、Ⅲ型板式無(wú)砟軌道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)［8］，提出了變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)

變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、限位孔周邊彈性緩沖墊層、板底高低調(diào)整層、預(yù)制底座、限位結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層等組成。該無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要部件的功能及具體設(shè)計(jì)如下。

1）預(yù)制軌道板

軌道板可采用預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，板寬2.5 m，板厚0.2 m?？紤]軌道板高低調(diào)整便利，板長(zhǎng)宜在3～5 m。每塊軌道板設(shè)置2個(gè)限位孔。軌道板制造時(shí)在限位孔四周粘貼具有變形調(diào)整功能的彈性緩沖墊層，板底設(shè)置高低調(diào)整層。

2）預(yù)制底座及限位結(jié)構(gòu)

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)已經(jīng)在中國(guó)高速鐵路建設(shè)中大規(guī)模應(yīng)用，具有豐富的建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)。CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道中預(yù)制軌道板底預(yù)埋門(mén)形鋼筋與后澆筑的自密實(shí)混凝土形成整體式復(fù)合板結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力、協(xié)同變形［9］。本文提出的變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)借鑒復(fù)合板理念，將底座的一部分進(jìn)行預(yù)制，并在預(yù)制底座底部預(yù)埋門(mén)形鋼筋加強(qiáng)連接，簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)鋼筋骨架綁扎工序，提高了施工效率。

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道在大跨度梁端的半圓形凸形擋臺(tái)容易出現(xiàn)拉裂現(xiàn)象，為保證限位結(jié)構(gòu)的可靠性采用了雙孔限位方式。考慮到水平調(diào)整時(shí)限位孔周圍彈性緩沖墊層厚度需要保持一致，采用方形凸臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)限位。

預(yù)制底座及限位結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，預(yù)制底座厚度為80 mm。

3）高低調(diào)整層

中國(guó)高速鐵路部分地段出現(xiàn)較為嚴(yán)重的上拱變形，通過(guò)降低軌面高程進(jìn)行軌道幾何形位超限整治效率較高。根據(jù)相關(guān)病害整治經(jīng)驗(yàn)，上拱變形較大時(shí)須通過(guò)無(wú)砟軌道進(jìn)一步降低軌面高程。本結(jié)構(gòu)在軌道板與底座間預(yù)設(shè)高低調(diào)整層，當(dāng)出現(xiàn)較大上拱變形時(shí)將部分調(diào)整層取出。高低調(diào)整層選用橡塑材料，總厚度為35 mm，可實(shí)現(xiàn)高低調(diào)整量100 mm。

4）彈性緩沖墊層

結(jié)合CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道凸臺(tái)周圍樹(shù)脂使用經(jīng)驗(yàn)及日本新干線板式軌道運(yùn)營(yíng)期變形調(diào)整經(jīng)驗(yàn)，本結(jié)構(gòu)中將彈性緩沖墊層厚度設(shè)置為45 mm，可實(shí)現(xiàn)水平調(diào)整量40 mm。

5）現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層

自密實(shí)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，直線地段厚度為120 mm，與預(yù)制的80 mm厚底座共同形成無(wú)砟軌道復(fù)合底座結(jié)構(gòu)。中國(guó)高速鐵路橋梁、隧道地段無(wú)砟軌道底座厚度為200 mm，本文提出的變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道的復(fù)合底座厚度與其保持一致。

該無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)特點(diǎn)：①預(yù)制軌道板、彈性緩沖墊層、高低調(diào)整層、預(yù)制底座、限位結(jié)構(gòu)等主要受力部件及連接部件均在工廠內(nèi)預(yù)制，裝配后運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)，施工效率高；②采用單元、層狀結(jié)構(gòu)，受溫度變化影響較??；③軌道板與底座之間設(shè)置調(diào)整層，運(yùn)營(yíng)階段線下基礎(chǔ)產(chǎn)生較大沉降或上拱變形時(shí)可快速維修；④預(yù)制底座設(shè)置外露門(mén)形鋼筋，在施工過(guò)程中通過(guò)現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土與線下基礎(chǔ)連接形成整體結(jié)構(gòu)；⑤線下基礎(chǔ)施工誤差以及曲線超高通過(guò)現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土層來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整。

3.2 線下基礎(chǔ)變形時(shí)無(wú)砟軌道調(diào)整技術(shù)

1）軌面高程調(diào)高技術(shù)

變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道具有軌面高程調(diào)整能力，當(dāng)線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降且扣件系統(tǒng)調(diào)整能力不足以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求時(shí)，參考奧地利板式無(wú)砟軌道及新干線板式軌道變形調(diào)整技術(shù)，通過(guò)抬升軌道板并在板下注入聚合物水泥砂漿的方式進(jìn)行調(diào)整。

關(guān)于軌道板抬起后注入的聚合物水泥砂漿性能，Q/CR 659—2018《高速鐵路混凝土結(jié)構(gòu)用修補(bǔ)砂漿》中提出了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層缺損修復(fù)或更換用聚合物水泥砂漿的技術(shù)要求?？紤]到本結(jié)構(gòu)中聚合物砂漿須與底座黏結(jié)共同受力、協(xié)同變形，且須在運(yùn)營(yíng)線天窗維修，故采用CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層缺損修復(fù)或更換用聚合物水泥砂漿，即在運(yùn)營(yíng)線天窗維修時(shí)聚合物水泥砂漿2 h抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于5.0 MPa，抗折強(qiáng)度不應(yīng)低于1.0 MPa。

2）軌面高程調(diào)低技術(shù)

當(dāng)線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大上拱變形且扣件系統(tǒng)調(diào)整能力不足以滿足現(xiàn)場(chǎng)需求時(shí)，將軌道板下橡塑墊層抽出。考慮到橡塑墊層抽出的便利性，將橡塑墊層設(shè)計(jì)為分塊式，同時(shí)采用樹(shù)脂砂漿將彈性緩沖墊層與限位結(jié)構(gòu)間的間隙進(jìn)行填充。

3）水平變形調(diào)整技術(shù)

日本新干線板式軌道水平向軌道幾何形位超限難以通過(guò)扣件進(jìn)行調(diào)整時(shí)，采用橫向移動(dòng)軌道板的方式進(jìn)行調(diào)整，即將凸形擋臺(tái)周圍樹(shù)脂清除，待軌道板頂推到設(shè)定位置后重新灌注擋臺(tái)周圍樹(shù)脂。

結(jié)合CRTSⅢ型板式、雙塊式無(wú)砟軌道限位凹槽處彈性緩沖墊層工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，將三元乙丙橡膠彈性緩沖墊層分為3層，在軌道板制造完成后粘貼在限位孔側(cè)面，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行水平調(diào)整時(shí)根據(jù)需要取出1層或2層彈性緩沖墊層，水平移動(dòng)軌道板至設(shè)定位置。根據(jù)Q/CR 659—2018，在運(yùn)營(yíng)線天窗維修時(shí)樹(shù)脂砂漿2 h抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于15.0 MPa，抗折強(qiáng)度不應(yīng)低于5.0 MPa。

需要指出的是，整治線下基礎(chǔ)上拱變形時(shí)也可以抬升相鄰非上拱區(qū)段軌道板，上拱區(qū)段通過(guò)扣件將軌面高程降低一定程度，即采取“削峰、填谷”相結(jié)合的方式進(jìn)行綜合整治。軌道板抬升量需要結(jié)合基礎(chǔ)變形的范圍、幅值以及線路的順坡長(zhǎng)度具體計(jì)算。

4 結(jié)論

1）日本新干線板式軌道主要采取扣件系統(tǒng)調(diào)整、水泥瀝青砂漿層厚度調(diào)整、軌道板水平移動(dòng)等技術(shù)應(yīng)對(duì)不同程度線下基礎(chǔ)變形?？傮w來(lái)看，新干線板式軌道適應(yīng)線下基礎(chǔ)變形的能力較強(qiáng)，整治效率較高，對(duì)線路正常運(yùn)營(yíng)干擾較小。

2）德國(guó)高速鐵路線下基礎(chǔ)變形主要表現(xiàn)為路基、路橋過(guò)渡段沉降。其軌道幾何形位超限主要通過(guò)扣件系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整或在道床板與支承層間注入聚氨酯材料進(jìn)行整治。

3）奧地利聯(lián)邦鐵路公司研發(fā)的板式無(wú)砟軌道可較好應(yīng)對(duì)線下基礎(chǔ)出現(xiàn)較大變形的情況，軌道板抬起后通過(guò)在板下灌注具有早強(qiáng)性能的砂漿進(jìn)行變形調(diào)整。

4）中國(guó)高速鐵路無(wú)砟軌道幾何形位超限采用扣件系統(tǒng)調(diào)整、切割道床板、路基注漿抬升、梁體抬升等方法整治，局部病害嚴(yán)重地段采取重新鋪設(shè)無(wú)砟軌道或更換為有砟軌道等措施整治。

5）基于國(guó)內(nèi)外板式無(wú)砟軌道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，提出了高速鐵路變形可調(diào)板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)。通過(guò)減薄軌道板下調(diào)整層或灌注聚合物水泥砂漿實(shí)現(xiàn)軌道高低調(diào)整，通過(guò)移動(dòng)軌道板并改變限位孔周邊彈性緩沖墊層厚度實(shí)現(xiàn)軌道水平調(diào)整。高低調(diào)整量可達(dá)100 mm，水平調(diào)整量可達(dá)40 mm。