高速鐵路無砟軌道雙向先張預應力軌道板研究及實踐

■ 王繼軍 江成 王夢 張雯

高速鐵路無砟軌道雙向先張預應力軌道板研究及實踐

■ 王繼軍 江成 王夢 張雯

高速鐵路無砟軌道雙向先張預應力軌道板是我國自主研發(fā)的新型軌道板預應力體系，通過部分預應力“復合錨固”設計技術和“矩陣單元”生產工藝等系統(tǒng)創(chuàng)新研究，系統(tǒng)形成雙向先張預應力軌道板設計和制造技術，研發(fā)了軌道板生產配套設備和工裝，形成24 h生產工藝，在國際上首次實現雙向先張預應力軌道板的規(guī)?；a，并在西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段系統(tǒng)驗證的基礎上，在高速鐵路建設中全面推廣應用。

高速鐵路；軌道板；先張法；傳遞長度；生產工藝

1 研發(fā)背景及意義

混凝土構件施加預應力的方法有先張法和后張法，對于板式無砟軌道結構中的預制軌道板，兩種方法均可行。我國對雙向后張預應力軌道板開展了系統(tǒng)研究，在秦沈線、遂渝線、武廣高鐵武漢無砟軌道試驗段研究成果和無砟軌道技術再創(chuàng)新的基礎上，形成了系列研究成果，并在哈齊、哈大、滬寧、廣深港、海南東環(huán)等CRTSⅠ型和成灌、盤營、沈丹、武漢城市圈等CRTSⅢ型板式無砟軌道線路推廣應用[1]。相比而言，雙向先張預應力軌道板的研究相對較少，國外亦無工程應用先例。2006年，采用流水機組法制造的8塊雙向先張預應力軌道板在襄渝線蔡家車站上道試鋪；2008年，結合嚴寒地區(qū)成高子無砟軌道試驗段的工程建設，鋪設了200 m（40塊）雙向先張預應力軌道板[2]。雙向先張預應力軌道板雖進行了正線小規(guī)模試鋪，但對結構預應力度、配筋設計、傳遞長度控制、結構耐久性、規(guī)?；圃旒夹g方案等缺乏系統(tǒng)的理論和試驗研究。

為豐富軌道板預應力體系，完善無砟軌道系統(tǒng)技術體系，原鐵道部科技研究開發(fā)計劃立項《新型軌道結構關鍵技術研究——先張法預應力體系無砟軌道結構系統(tǒng)試驗研究》，對先張法混凝土軌道板設計和制造技術開展系統(tǒng)性的理論和試驗研究。

2 結構設計創(chuàng)新與優(yōu)化

通過對國內外先張預應力構件及我國前期試制雙向先張預應力軌道板的總結分析，結合CRTSⅠ、CRTSⅡ型軌道板及預應力混凝土軌枕的設計和制造實踐經驗，依托高速鐵路CRTSⅠ和CRTSⅢ型板式無砟軌道結構，課題組對雙向先張預應力軌道板結構進行了創(chuàng)新和優(yōu)化。

2.1 優(yōu)選雙向先張部分預應力體系

軌道板直接承受列車荷載和環(huán)境因素的反復作用，課題組依托CRTSⅠ、CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)，在系統(tǒng)計算分析基礎上，進行雙向先張、單向先張預應力軌道板和普通鋼筋混凝土軌道板結構承載能力、制造工藝、經濟性和長期耐久性等綜合對比研究，優(yōu)選了雙向先張預應力結構。

同時，軌道板作為一種薄板結構，混凝土預應力度過大將增大軌道板面平整度控制難度，增加預應力筋端部應力集中導致混凝土破壞的可能性，而且大量預應力筋的采用將增加軌道板的制造難度和成本。為此，雙向先張預應力軌道板優(yōu)選了允許設計荷載作用下截面出現一定拉應力的部分預應力體系。

2.2 創(chuàng)新軌道板預應力筋“復合錨固”技術

先張法預應力體系通過預應力鋼筋和混凝土之間的黏結實現結構預施應力，預應力鋼筋和混凝土之間黏結——滑移本構關系決定了混凝土預應力建立需要一定傳遞長度。對于高速鐵路CRTSⅠ、CRTSⅢ型板式無砟軌道主型軌道板P4962和P5600，第1組扣件預埋套管中心距板端距離分別為279．5 mm和280 mm，該處混凝土有效預應力能否完全建立直接影響板端結構的承載能力。

課題組通過預應力傳遞長度試驗，獲得了直徑7 mm、9 mm和10 mm螺旋肋鋼絲及其設置錨固板時的預應力傳遞長度[3]，綜合考慮軌道板的承載能力和施工性能等因素，優(yōu)選直徑10 mm螺旋肋鋼絲作為預應力鋼筋，并在其端部設置錨固板，通過混凝土黏結握裹和錨固板端部錨固的復合錨固技術，減小預應力傳遞長度，其預應力傳遞長度為225 mm，較未設置錨固板的傳遞長度減小了約50%，保證了板端結構的承載能力。同時，錨固板的設置減小了預應力筋端部混凝土應力集中，有效減小了軌道板劈裂的可能性。預應力筋端部錨固板及其對預應力傳遞長度的影響見圖1。

2.3 采用混合配筋設計技術

預應力鋼筋的抗疲勞性能與其和周圍混凝土的黏結情況密切相關，一旦裂紋附近黏結力遭到破壞，會加速預應力筋破壞，從而影響結構的承載能力和耐久性，因此，在部分預應力混凝土結構中，限制裂縫寬度非常重要。

基于預應力軌道板露天使用環(huán)境、承受列車疲勞荷載等特點，軌道板設計時，在頂層和底層配置了普通鋼筋，并采用較小的8 mm直徑及較密的間距，形成鋼筋骨架，控制裂縫寬度擴展，防止預應力筋腐蝕；同時，合理配置普通鋼筋，還可以提高軌道板結構的延性和整體性，有效吸收和耗散振動能量。

圖1 預應力筋端部錨固板及其對預應力傳遞長度的影響

2.4 優(yōu)化預應力鋼筋布置方案

在配置普通鋼筋骨架前提下，對比分析縱向雙層、橫向雙層和縱向雙層、橫向單層2個雙向先張預應力結構設計方案，通過結構承載能力、施工性能、結構構造要求等對比研究，優(yōu)選縱向配置雙層預應力鋼筋、截面中心對稱布置，橫向配置單層預應力筋、截面中心布置的結構設計方案。

2.5 創(chuàng)新先張軌道板預應力筋端部不外露的耐久性提升技術

軌道板在采用混凝土配筋限制裂紋發(fā)展、預應力筋端部設置錨固板防止軌道板劈裂等耐久性提升技術措施的同時，預應力筋設計為不露出軌道板側面，并采用封錨材料對其進行封閉，從而防止預應力筋銹蝕。

通過上述創(chuàng)新和優(yōu)化可知，雙向先張預應力軌道板結構設計特點為：按部分預應力結構設計；采用混合配筋提高結構整體性；預應力筋端部設置錨固板減小預應力傳遞長度并防止軌道板劈裂；預應力筋端部不露出軌道板側面提高結構耐久性。以CRTSⅢ型雙向先張預應力軌道板P5600為例（見圖2），考慮軌道電路和綜合接地等相關接口，具體設計如下：

（1）軌道板縱、橫向均施加預應力；

（2）軌道板縱向預應力筋截面中心對稱布置，共配置16根φ10 mm預應力筋，上下兩層各8根，中心距為80 mm；

（3）橫向預應力筋截面中心布置，共配置24根φ10 mm預應力筋；

（4）軌道板頂面和底面對稱配置φ8 mm CRB550或HRB400鋼筋形成骨架；

（5）軌道板底面預留與自密實混凝土層連接的門型鋼筋；

圖2 P5600型軌道板預應力筋布置

（6）普通鋼筋采用熱縮套管或環(huán)氧樹脂涂層進行絕緣處理；

（7）軌道板內設置接地鋼筋與兩端接地端子相連，實現軌道結構綜合接地。

3 制造技術創(chuàng)新

制造工藝直接影響軌道板的生產效率和技術經濟性，也是雙向先張預應力軌道板的關鍵技術。前期國內外尚無雙向先張預應力軌道板規(guī)模化生產的先例，課題組結合軌道板結構特點，在前期工程實踐基礎上，自主創(chuàng)新了“矩陣單元”生產工藝，并研發(fā)了配套工裝設備。

3.1 自主創(chuàng)新“矩陣單元”生產工藝

在總結分析前期預應力混凝土軌枕、軌道板生產工藝基礎上，結合雙向先張預應力軌道板結構特點，自主創(chuàng)新了“矩陣單元”生產工藝，即：每個張拉臺座設置8塊軌道板模板，呈“2×4矩陣”布置（見圖3）；軌道板預應力筋定長下料，端部不露出軌道板側面，兩端通過螺紋與張拉桿相連；相鄰模板對應張拉桿之間設置連接器，實現張拉端張拉梁與固定端反力墻之間傳力的連續(xù)性；預應力鋼筋整體張拉，同步放張；軌道板混凝土逐模澆筑，逐模振動；矩陣單元整體養(yǎng)護。

在CRTSⅠ、CRTSⅡ型軌道板生產經驗基礎上，提出了雙向先張預應力軌道板制造工藝流程，確定了主要軌道板場工作區(qū)布局及軌道板生產車間工藝布局，形成了24 h生產工藝，國際上首次實現了雙向先張預應力軌道板的規(guī)模化生產[4]。

3.2 研發(fā)配套工裝設備

基于軌道板“矩陣單元”生產工藝，設計研發(fā)了系列配套工裝設備，有效保證了軌道板生產效率和制造質量。

圖3 雙向先張預應力軌道板生產單元

（1）張拉臺座?；谲壍腊孱A應力筋張拉需要及張拉力均勻性要求，通過臺座變形、抗傾覆等性能控制，實現了下臥式鋼筋混凝土臺座設計，并在試制試驗基礎上，優(yōu)化了臺座結構設計，對下部結構施加預應力，從而降低了臺座工程造價。同時，研發(fā)了全鋼結構張拉臺座，臺座現場組裝而成，節(jié)約了建造時間；軌道板生產完成后，可進行拆卸轉運，為張拉臺座的再利用提供了條件。

（2）軌道板模板。在端側模原位打開型模板前期大量工程應用的基礎上，創(chuàng)新了隨動型模板，該型模板將端側模整體支撐于底模上，軌道板脫模時，將軌道板、端側模和張拉桿整體調出張拉臺座，并在臺座外完成清模、鋼筋組裝、張拉桿安裝等工序后，將端側模與鋼筋骨架整體吊入張拉臺座，從而減少了臺座占用時間，縮短軌道制造周期，更有利于流水化作業(yè)，提高生產效率。

同時，由于CRTSⅢ型軌道板采用有擋肩扣件，軌道板頂面設置承軌槽，預應力筋放張時，模板向固定端移動，從而使承軌臺承受雙向剪切作用。為避免混凝土擋肩受剪破壞，軌道板模板采用了柔性支座，通過支座剪切變形減小殘余應力對擋肩的剪切作用，板間連接器拆除后，柔性支座則可通過自身變形恢復能力，使軌道板模板恢復原位。

（3）板間連接裝置。雙向先張預應力軌道板結構中，預應力鋼筋定長下料，且端頭不露出軌道板側面，為實現相鄰模板間預應力鋼筋的相互連接，必須將連接位置轉移至模板外，為此，在預應力筋端部設置螺紋區(qū)，并研發(fā)了設置內螺紋的張拉桿機構，同時研發(fā)了張拉桿間連接器，從而實現了張拉力的連續(xù)傳遞。

（4）張拉控制系統(tǒng)。軌道板預應力筋張拉分為初張拉和終張拉2個階段。初張拉采用單根張拉的方式，張拉至控制值的30%，以消除連接裝置等系統(tǒng)誤差，為終張拉提供相對均勻的基準；終張拉通過張拉梁實現，整體張拉軌道板縱向或橫向所有預應力筋至張拉控制值。為了實現快速、均勻的初張拉和穩(wěn)定可靠的終張拉，研發(fā)了預應力筋初張拉系統(tǒng)，實現了單根預應力筋的張拉和初張拉力值的記錄；研發(fā)了終張拉控制系統(tǒng)，實現了總體張拉力和張拉梁位移的控制和記錄；張拉記錄在相應操作完成后，自動上傳至管理平臺，從而保證了預應力工程施工質量。

3.3 提出關鍵工序質量控制標準

通過大量工藝試驗，結合理論計算分析，確定預應力筋絲位偏差按2 mm限值控制；單根預應力鋼筋張拉力偏差按10．0%控制，總張拉力偏差按3．0%控制；并通過先橫后縱、先縱后橫和雙向同步的放張順序對比試驗，研究確定了雙向同步放張工藝[5]。

3.4 研發(fā)快速封錨材料

針對雙向先張預應力軌道板錨穴小、數量多等特點，提出了擠出型封錨材料的技術思路，通過原材料比選、工作性能、力學性能和耐久性等系統(tǒng)研究，形成了擠出型封錨材料制備技術；基于軌道板結構需求及封錨材料工作性能，研發(fā)了錨穴清理、砂漿包裹及裝料、擠出設備、收面設備等配套工裝和設備。現場對比試驗表明，干硬性封錨材料單塊軌道板作業(yè)時間為20～30 min，采用快速封錨技術的單塊板作業(yè)時間為8～10 min，施工時間縮短近60%，施工效率顯著提高，且封錨后錨穴整齊美觀。

4 系統(tǒng)試驗

2012年，原鐵道部決定在西寶客運專線建立CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段（見圖4），具體鋪設里程為下行DK628+435．04—DK629+441．08區(qū)段，總長1 006．04 m，其中：路基區(qū)段419．58 m，橋梁區(qū)段371．00 m，隧道區(qū)段215．46 m，共鋪設雙向先張預應力軌道板104塊。

2013年9月，西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段開始綜合試驗。試驗結果表明，西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道與盤營客運專線CRTSⅢ型后張板式無砟軌道結構受力、變形和振動等動力性能無明顯差異，2種預應力軌道板均滿足時速300 km級高速動車組運行條件下的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性要求[6]。

西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段建成后，經歷了聯調聯試、試運營和開通運營的考驗，目前無砟軌道系統(tǒng)總體狀態(tài)良好，先張法預應力軌道板未出現任何裂紋、掉塊等傷損。

圖4 西寶客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道

5 工程應用

我國2012年開始開展雙向先張預應力軌道板系統(tǒng)研究，2013年基本形成了“矩陣單元”規(guī)?；a工藝。目前，雙向先張法預應力軌道板已應用于西寶、沈丹客運專線CRTSⅢ型和哈齊客運專線CRTSⅠ型先張板式無砟軌道試驗段工程建設，并于在建的鄭徐、京沈、商合杭、昌贛客運專線和成貴客運專線部分區(qū)段擴大應用。

根據鐵總建設［2013］103號《中國鐵路總公司關于印發(fā)<鐵路工程設計措施優(yōu)化指導意見>的通知》，高速鐵路路基和橋梁地段宜優(yōu)先采用CRTSⅢ型板式無砟軌道結構；而對于其預應力混凝土軌道板，根據鐵總科技［2013］75號《中國鐵路總公司關于高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)優(yōu)化的指導意見》，預應力軌道板宜采用先張生產工藝。因此，先張預應力軌道板將在后續(xù)工程中得到更為廣泛的應用。

6 結束語

雙向先張預應力軌道板是在CRTSⅠ、CRTSⅡ型軌道板等預制構件設計和制造經驗基礎上，我國自主研發(fā)的新型軌道板，通過前期研究，軌道板設計技術和規(guī)模化生產工藝已基本形成，編制了技術條件，并申請了國內和國際專利。雙向先張預應力軌道板的研發(fā)進一步豐富了高速鐵路無砟軌道板預應力體系，完善了無砟軌道系統(tǒng)技術，并將結合CRTSⅢ型板式無砟軌道的推廣得到更為廣泛的工程應用。

[1] 吳克儉． 無砟軌道技術再創(chuàng)新研究與實踐[J]． 鐵道工程學報，2010(6)：55-60．

[2] 魏周春． 用先張法解決預應力混凝土軌道板鋼筋絕緣的難題[J]． 鐵道標準設計，2010(6)：23-25．

[3] 王夢，楊全亮，王繼軍，等． 高速鐵路先張法軌道板預應力傳遞長度研究[J]． 中國鐵道科學，2015，36(1)：48-53．

[4] 王繼軍，王夢，趙勇，等． 先張法預應力體系無砟軌道結構系統(tǒng)試驗研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2014．

[5] 中國鐵路總公司． TJ/GW 118—2013 高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道先張法預應力混凝土軌道板暫行技術條件[S]． 北京：中國鐵道出版社，2013．

[6] 王繼軍，趙勇，江成，等． 西安至寶雞客運專線CRTSⅢ型先張板式無砟軌道試驗段動力性能試驗研究[R]． 北京：中國鐵道科學研究院，2013．

王繼軍：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

江 成：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

王 夢：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，助理研究員，北京，100081

張 雯：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，工程師，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

U214.3

A

1672-061X（2015）02-0044-05

鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012G005-A）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道學會科學技術獎二等獎。