CRTSⅡ型板式無砟軌道支承層的病害及整治

章媛，何翔，姜景山

(南京工程學院 建筑工程學院，江蘇 南京211167)

0 引言

無砟軌道以其高平順性、 高穩(wěn)定性等鮮明技術優(yōu)勢成為世界各國鐵路建設的主要形式， 其中CRTSⅡ型板式無砟軌道作為我國自主研發(fā)、符合國情的軌道結(jié)構(gòu)形式， 在高速鐵路線路中應用較多。 CRTSⅡ型板式無砟軌道在路基段中由鋼軌、扣件、軌道板、充填層、支承層等組成，根據(jù)地區(qū)特點支承層混凝土分為水硬性混合料和低塑性混凝土。 支承層作為無砟軌道的重要構(gòu)件之一，起承上啟下作用， 既可以承受來自軌道板等構(gòu)件的自重和列車通過時施加的荷載， 又可以將荷載逐層傳遞分散至下部，既降低軌道板開裂的風險，又對路基本體結(jié)構(gòu)起到保護作用。 隨著高速鐵路無砟軌道使用年限的增加， 支承層混凝土逐漸出現(xiàn)明顯病害，影響列車行駛的安全。

1 支承層的病害

1.1 支承層混凝土開裂

由于支承層混凝土受溫度變化等環(huán)境因素影響以及自身收縮徐變，支承層發(fā)生縱向收縮并產(chǎn)生裂紋。當支承層縱向收縮量較大、局部斷面削弱時，將產(chǎn)生較寬的裂縫。

1.1.1 斜裂

支承層混凝土斜裂是多種因素綜合影響的結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，混凝土斜裂基本發(fā)生在夏季高溫天氣，即高溫膨脹決定了混凝土的斜裂。 同時，支承層受到的剪力一定程度上促成了混凝土的斜裂。此外，當支承層為C15 低塑性混凝土澆筑時，實際澆筑的混凝土強度偏高，局部存在粗骨料堆積或斜澆筑面， 均會使混凝土出現(xiàn)呈30～45 °斜向發(fā)展的裂縫，長約2 m。 高溫時段，在溫度應力的作用下，斜裂將發(fā)展至上拱，出現(xiàn)砂漿層離縫、軌道板開裂等現(xiàn)象，使軌道高低不平順，幾何尺寸超限突出，是安全行車的隱患。

1.1.2 斷裂

支承層在外部因素作用下易產(chǎn)生較大的應力與變形，同時其內(nèi)部含有裂縫、截面削弱、層間耦合等缺陷，在外部與內(nèi)部因素共同影響下，支承層混凝土發(fā)生斷裂現(xiàn)象。支承層斷裂后導致軌道結(jié)構(gòu)整體性破壞，受外界因素的影響，斷縫將逐漸擴大，在溫度荷載及列車動載共同作用下， 軌道板受力增大，可能會出現(xiàn)反射裂紋，嚴重時會造成軌道板底部的開裂。

1.2 支承層混凝土粉化

支承層混凝土遇到以下情況易發(fā)生粉化：①在離析或養(yǎng)護期間受到雨水沖刷， 混凝土表層的水灰比大于混凝土內(nèi)部的水灰比； ②養(yǎng)護期經(jīng)歷曝曬或是養(yǎng)護不充分， 致使混凝土表層水泥水化不充分；③支承層在使用過程中碳化或遭遇凍害，使得混凝土強度降低，最終發(fā)生粉化。 粉化后的混凝土抗凍性遠低于設計值，需及時予以更換。

1.3 支承層離縫脫空

無砟軌道自服役后，受列車荷載、溫度、周圍環(huán)境等因素影響，支承層與充填層、基床頂面發(fā)生脫粘，在列車荷載作用下，層間的微粒被帶出，間隙逐漸增大，最終出現(xiàn)離縫，直至脫空。

2 支承層損害造成的影響

2.1 軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

當列車高速通過時，由于支承層混凝土已發(fā)生水平斜裂， 根據(jù)動力學監(jiān)測發(fā)現(xiàn)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時的10 倍以上，即支承層斜裂一旦產(chǎn)生，列車正常行駛時， 軌道板對支承層等結(jié)構(gòu)的沖擊作用將增大，加速支承層的破壞，嚴重影響軌道結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。 支承層斜裂產(chǎn)生的錯臺，將引起軌道板上拱，改變軌道線形，出現(xiàn)其他構(gòu)件損傷，不利于列車行駛通過。

2.2 軌道結(jié)構(gòu)耐久性

支承層混凝土斜裂產(chǎn)生后，將引起軌道板與其他構(gòu)件離縫，離縫成為雨水侵入無砟軌道內(nèi)部的途徑，當雨水沉積在支承層與砂漿層、砂漿層與軌道板之間時，受列車荷載、溫差等影響，積水層產(chǎn)生垂向和橫向動水壓作用在支承層上，支承層混凝土因此受到拉力， 當拉力大于支承層混凝土抗拉強度時，支承層裂縫將得到進一步的擴展延伸，直接影響無砟軌道的使用及結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 軌道結(jié)構(gòu)靜動力特性

劉振[1]通過ABAQUS 建立列車CRTSⅡ型無砟軌道—路基三維耦合動力模型， 并在實際支承層脫空病害情況的基礎上對模型進行合理簡化，以利用有限元對傷損進行模擬，綜合分析得出，支承層脫空改變了軌道原有的傳力路徑， 軌道各類構(gòu)件受到一定影響。 支承層板端脫空時，軌道板的垂向壓應力隨支承層脫空長度的增加呈平緩的增長趨勢。 而垂向拉應力隨脫空長度增加不明顯。 對支承層的影響，橫向和垂向拉壓應力均出現(xiàn)一定幅度的減小， 而縱向拉壓應力出現(xiàn)了近一倍的增長，且在數(shù)值上遠遠大于橫向和垂向應力。 除此之外，橫向和垂向應力在脫空長度小于1.95 m 時，應力出現(xiàn)急劇減小，之后的變化趨勢較平緩；縱向應力在脫空長度小于1.95 m 時，變化并不明顯，之后才出現(xiàn)急劇的增長。 當支承層板邊脫空時，對于支承層的傳力路徑影響很大。 當脫空長度增長到0.975 m 左右時，垂向拉應力開始以較快速度增加，而垂向壓應力變化較小。 當板邊完全脫空時，支承層垂向應力均小于正常路基對應的應力值。 劉薇[2]通過建立精細化模型，研究發(fā)現(xiàn)在降溫40 ℃的條件下，支承層斷裂后鋼軌、 軌道板和支承層的動力學特性有顯著變化，裂縫深度對軌道結(jié)構(gòu)的影響成正比。

在列車荷載作用的條件下，軌道板上、下表面壓應力較未斷裂時增加86%和81%， 鋼軌垂向位移變化不大， 軌道板和支承層垂向位移的增幅分別為41%和45%。 同時得出車體的振動響應受支承層斷裂影響較小， 各項動力學指標均在限制范圍之內(nèi)。 當支承層斷裂后，在溫度和列車荷載作用下，軌道結(jié)構(gòu)變化較支承層未斷裂前明顯，嚴重影響結(jié)構(gòu)的可靠性。

2.4 列車行駛速度限值

劉振在進行支承層板端不同脫空長度列車速度對列車動力特性的影響研究中發(fā)現(xiàn)， 當單塊軌道板下支承層脫空長度小于等于4.55 m 時， 列車運行速度宜控制在350 km/h 以內(nèi)； 長度為4.55～6.45 m 時，運行速度宜控制在250 km/h 以內(nèi)。支承層板邊脫空，長度小于等于0.975 m 時，列車運行速度宜不超過350 km／h； 長度為0.975～2.275 m時，列車運行速度宜不超過300 km/h；當單塊軌道板下支承層脫空長度為2.275～3.25 m，列車運行速度宜控制在250 km/h 以內(nèi)。

3 支承層病害的整治方案

3.1 修補維護

支承層底部與路基表層發(fā)生脫空后，利用聚合物混凝土修補材料對支承層進行修補。 支承層混凝土粉化程度不深， 試驗測得混凝土的強度和承載力依舊符合要求時，可在原基礎上使用防水材料對混凝土進行防水保護，從而提高其抗凍性，減小混凝土粉化造成的危害。 支承層斷裂后，修復材料的選擇決定了支承層的使用率，環(huán)氧樹脂與聚氨酯樹脂都具有粘結(jié)強度大、工藝性能好、耐熱性優(yōu)良的優(yōu)點，實際選用時依據(jù)施工現(xiàn)場情況及運營情況選擇。 同時采用較為柔性的彈性材料，彈性模量取值范圍為300～1 000 MPa，此時軌道結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的不平順最小。

3.2 更換支承層

3.2.1 材料選擇

支承層底部與路基表層發(fā)生脫空后，采用研發(fā)的PMC-Ⅱ型聚合物水泥砂漿代替原來的水泥瀝青砂漿，在一定程度上滿足軌道結(jié)構(gòu)快速修復的要求，并在施工時間調(diào)控與強度發(fā)展方面具有明顯優(yōu)勢。支承層混凝土的收縮率受膠凝材料、水泥、水的用量影響，恰當控制這些用量，可有效減輕混凝土的收縮開裂。嚴寒地區(qū)支承層混凝土的粉化主要受凍融破壞影響，若混凝土粉化惡性發(fā)展至承載力不符合要求時，需對支承層進行更換，更換時需采用含氣量高、強度等級高的混凝土，以提高支承層的抗凍性，延長其使用時間。

3.2.2 置換技術

高速鐵路支承層修復工序多而復雜，需在不影響列車安全行駛的前提下提出簡易方案。鑒于支承層大部分區(qū)域處于隱蔽位置，倘若切割鋼軌、揭開軌道板，對軌道結(jié)構(gòu)的擾動較大，整治效率不高。對此探索出基于繩鋸切割[3]支承層原位置換技術，利用液壓帶動金剛石鏈條快速旋轉(zhuǎn)切割混凝土，使其切割成可移動的單元混凝土塊，再用頂拉相結(jié)合的方法將混凝土塊移除，最后采用適宜的材料澆筑新的支承層，有效解決支承層斜裂上拱的損害。 同時當前依舊有使用將鋼軌切割、軌道板移出、砂漿清理后再澆筑支承層混凝土的方法，對此為了在整修期間不影響列車的正常運行，采用臨時設置的鋼墊梁及木枕代替已經(jīng)移出的軌道板和砂漿調(diào)整層，待支承層鑿除并重新澆筑，具備承載能力后，再拆除鋼墊梁及木枕，有序恢復軌道結(jié)構(gòu)。 在使用鋼墊梁及木枕前期，需對其進行承載能力試驗和有限元分析計算，在使用中增加視頻監(jiān)控，確保鋼墊梁及木枕的設置不影響列車行駛安全，為支承層更換平穩(wěn)有序進行提供保障。

4 結(jié)論

（1）針對板式無砟軌道支承層受高溫膨脹等影響，易產(chǎn)生斜裂上拱，影響無砟軌道的整體性，并且支承層位于充填層下方，具有一定的隱蔽性，因此在夏季需應用相關設備，在不損害構(gòu)件的前提下加強對線路監(jiān)測觀察，及時修復，避免產(chǎn)生次生危害。

（2）支承層脫空改變了軌道的傳力路徑，對軌道板、支承層動力特性皆有影響，針對這方面的研究仍需進一步發(fā)展。

（3）支承層混凝土的粉化受凍融破壞影響大，在嚴寒地區(qū)應適當調(diào)整混凝土的抗凍性， 延長支承層的服役時間。

（4）在對支承層進行置換過程中，基于繩鋸切割的技術施工效率高、占用天窗數(shù)量少、軌道結(jié)構(gòu)恢復快，為未來支承層整體修復提供了堅實的技術支撐。 基于鋼墊梁的施工方案中，無砟軌道的整體性受到影響，即使支承層重新澆筑后，對軌道的監(jiān)測仍需更進。對此，在支承層置換技術方面，需根據(jù)實際情況選用合理的方案， 降低對軌道的傷害，保持軌道的整體穩(wěn)定性，延長使用壽命。