CRTSII型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿劣化特征與更換技術(shù)研究

王 峰 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段

1 前言

至2020 年底，中國高速鐵路網(wǎng)運(yùn)營總里程已超過3.8 萬km。其中采用CRTSⅡ型板式無砟軌道的高速鐵路有京津城際、京滬高鐵、滬杭高鐵、寧杭高鐵等，總長約為4772 雙線公里，設(shè)計(jì)時(shí)速基本為350 km/h。這些高鐵線路建設(shè)期為2007年至 2014 年 11 月，并于 2008 年 8 月至 2015 年 6 月先后開通運(yùn)營，其中投入運(yùn)營年限最短7 年，最長達(dá)14 年，大部分時(shí)速350 km的主干線路運(yùn)行了10年以上。

CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)自上至下主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層、水硬性支承層/混凝土底座等組成，其中，水泥乳化瀝青砂漿是軌道板與水硬性支承層/混凝土底座板之間的填充層，其在軌道結(jié)構(gòu)中起到“承上啟下”的關(guān)鍵作用（如圖1 所示）。充填層的服役性能對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的平順性與穩(wěn)定性具有重要影響，若該結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重病害，軌道結(jié)構(gòu)的平順性、耐久性及列車運(yùn)營的安全性和舒適性將很難保證。

圖1 CRTS II型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，維護(hù)高速鐵路安全可靠、快速舒適、服役持久的運(yùn)營狀態(tài)是鐵路運(yùn)營管理的主要任務(wù)。因此，本文通過對(duì)運(yùn)營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層服役現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查研究，揭示了水泥乳化瀝青砂漿充填層的病害特征，分析了劣化原因；對(duì)于劣化嚴(yán)重的砂漿充填層，通過模擬試驗(yàn)與工程實(shí)踐，在高鐵修規(guī)規(guī)定的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了水泥乳化瀝青砂漿充填層天窗內(nèi)更換成套技術(shù)，為運(yùn)營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿的養(yǎng)護(hù)維修提供借鑒與參考。

2 水泥乳化瀝青砂漿劣化特征

通過對(duì)運(yùn)營中砂漿充填層服役現(xiàn)狀的調(diào)查研究表明，當(dāng)前該結(jié)構(gòu)主要劣化特征體現(xiàn)在層間離縫、冒漿和豎向開裂三個(gè)方面，其劣化特征具體表現(xiàn)為：

（1）層間離縫

在高鐵服役過程中，因溫度荷載、列車動(dòng)載和雨水等因素的耦合作用，軌道板與充填層層間離縫已成為普遍現(xiàn)象；部分軌道板與充填層的粘結(jié)已完全失效，如圖2 所示。研究表明：若砂漿充填層與軌道板間吊空，軌道板加速度可增大10 余倍，位移可增大20 余倍，鋼軌對(duì)軌道板的壓應(yīng)力急劇增大，并可能出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象；當(dāng)砂漿充填層與軌道板間的離縫較大時(shí)，軌道板豎向位移和充填層壓應(yīng)力都將急劇增大?？梢?，層間粘結(jié)失效將直接影響CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)的傳力特征，甚至影響高速鐵路線路的平順性，對(duì)高速鐵路運(yùn)營安全造成重大威脅。

圖2 砂漿充填層與軌道板、底座板間的層間離縫現(xiàn)象

（2）冒漿

隨著服役時(shí)間的延長，水泥乳化瀝青砂漿充填層普遍出現(xiàn)不同程度的冒漿現(xiàn)象，且線路服役時(shí)間越長，冒漿現(xiàn)象越嚴(yán)重，表現(xiàn)為支承層/底座板以及線間、外封閉層表面的白色或褐色的溶蝕物越多、分布面積越大，如圖3 所示。CRTSⅡ型板式軌道結(jié)構(gòu)中冒漿實(shí)際為動(dòng)力水造成的表層砂漿磨蝕及水泥水化產(chǎn)物的溶出，如圖4所示，而磨蝕導(dǎo)致充填層厚度減薄，離縫寬度增大，影響了軌道結(jié)構(gòu)的平順性；水泥水化產(chǎn)物的溶出降低了表層砂漿的力學(xué)性能及耐久性，影響了軌道結(jié)構(gòu)的服役壽命。

圖3 水泥乳化瀝青砂漿充填層冒漿現(xiàn)象

（3）豎向開裂

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)：運(yùn)營中砂漿充填層出現(xiàn)了較多垂直于底座板/支承層的貫穿性裂縫，如圖4 所示，充填層的豎向貫穿性裂縫影響其整體受力性能，隨著運(yùn)營時(shí)間的延長，可能導(dǎo)致充填層進(jìn)一步碎裂，從而完全失效。

圖4 砂漿充填層豎向開裂現(xiàn)象

3 水泥乳化瀝青砂漿劣化原因分析

通過對(duì)已運(yùn)營CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化特征調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，砂漿充填層的劣化主要以溫度應(yīng)力引起的層間離縫開始。有研究指出：隨著正負(fù)溫度的交替出現(xiàn)，軌道板與砂漿充填層逐漸產(chǎn)生離縫。由于CRTSⅡ型板式無砟軌道屬于縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，內(nèi)部將產(chǎn)生較大的溫度力；若連續(xù)出現(xiàn)極端高溫天氣，軌道結(jié)構(gòu)將承受較大的溫度壓應(yīng)力，導(dǎo)致在溫度結(jié)構(gòu)薄弱處發(fā)生上拱變形；而當(dāng)連續(xù)出現(xiàn)極端低溫天氣時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)又將承受明顯的溫度拉應(yīng)力，縱向溫度力的交替出現(xiàn)容易造成CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道板與充填層之間產(chǎn)生離縫。另外，運(yùn)營中在列車動(dòng)荷載的作用下，軌下結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生變形，加速了離縫的發(fā)展。

當(dāng)軌道板與水泥乳化瀝青砂漿充填層發(fā)生離縫后，外界水分很容易進(jìn)入軌道板與充填層或充填層與底座混凝土之間的縫隙，縫隙中的水在列車動(dòng)荷載的長期作用下會(huì)持續(xù)對(duì)水泥乳化瀝青砂漿作用極大的動(dòng)水壓力，引起水泥乳化瀝青砂漿表面侵蝕。水泥水化產(chǎn)物的溶蝕降低了水泥乳化瀝青砂漿本身具有的力學(xué)性能，同時(shí)，離縫的存在加速了軌道板的振動(dòng)加速度，加之動(dòng)水壓力的作用，隨著服役時(shí)間的延長，水泥乳化瀝青砂漿充填層便會(huì)發(fā)生開裂脫落與碎裂潰散。

水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化的原因非常復(fù)雜，除上述因軌道板與砂漿充填層界面粘結(jié)缺陷、以及混凝土材料與水泥乳化瀝青砂漿熱變形行為差異引起離縫的產(chǎn)生而導(dǎo)致水泥乳化瀝青砂漿充填層的主要病因外，有研究從材料自身性能特性出發(fā)，探究光、氧、熱引起水泥乳化瀝青砂漿中瀝青組分老化導(dǎo)致水泥乳化瀝青砂漿的性能衰變現(xiàn)象，以及瀝青的低溫脆性和凍融循環(huán)等引起的水泥乳化瀝青砂漿充填層的劣化現(xiàn)象。

4 水泥乳化瀝青砂漿天窗更換技術(shù)

由于CRTSⅡ型軌道結(jié)構(gòu)縱連的特點(diǎn)，充填層一旦失效，其養(yǎng)護(hù)維修難度極大。對(duì)于劣化嚴(yán)重的水泥乳化瀝青砂漿充填層，通過模擬試驗(yàn)與工程實(shí)踐，在《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》規(guī)定的水泥乳化瀝青砂漿相關(guān)養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究提出了天窗時(shí)間內(nèi)對(duì)砂漿充填層進(jìn)行更換的成套技術(shù)。

4.1 主要工藝流程

通過模擬試驗(yàn)與工程實(shí)踐，提出了水泥乳化瀝青砂漿充填層天窗內(nèi)進(jìn)行更換的工藝流程為：初始數(shù)據(jù)采集→施工起終點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)植筋→側(cè)向擋塊局部鑿除→軌道板解鎖→既有植筋取出→抬升鋼軌并提升軌道板→鑿除既有砂漿層→軌道板落位及精調(diào)→灌注砂漿層→恢復(fù)寬窄接縫→側(cè)向擋塊恢復(fù)→植筋錨固→軌道精調(diào)。其工藝流程如圖5所示。

圖5 CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層更換工藝流程

4.2 關(guān)鍵工藝控制

在進(jìn)行CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層更換時(shí)，須對(duì)以下工序進(jìn)行重點(diǎn)控制：

（1）抬升鋼軌作業(yè)

為鑿除清理砂漿提供作業(yè)空間，須松開待更換砂漿層對(duì)應(yīng)軌道板及其前后一定范圍內(nèi)的扣件，扣件松開長度應(yīng)結(jié)合施工溫度、鋼軌鎖定溫度和最大抬升高度等，通過線下工藝試驗(yàn)確定；豎直頂升鋼軌后須可靠支撐，同時(shí)，為了便于鋼軌抬升后恢復(fù)，鋼軌抬升施工溫度不得高于鎖定軌溫。抬升鋼軌及軌道板如圖6所示。

圖6 抬升鋼軌及抬升軌道板

（2）軌道板落位及精調(diào)

軌道板復(fù)位并精調(diào)，軌道板精調(diào)時(shí)的測量采用精密水準(zhǔn)儀及全站儀進(jìn)行控制，軌道板精調(diào)定位精度控制需滿足表1要求。

表1 軌道板精調(diào)定位允許偏差

軌道板精調(diào)完成后需使用夾持限位裝置進(jìn)行橫縱向限位，從而避免因各類因素道岔軌道板擾動(dòng)，同時(shí)確保在灌注砂漿至砂漿初凝過程中不出現(xiàn)軌道板上浮、偏移等情況，重點(diǎn)需對(duì)軌道板的兩端和中部同時(shí)進(jìn)行扣壓，夾持限位裝置如圖7所示。

圖7 夾持限位裝置示意圖

（3）灌注砂漿層

在完成板底清潔、軌道板精調(diào)和軌道板夾持限位工序后，需對(duì)軌道板四周進(jìn)行封邊處理，以上工作完成并驗(yàn)收合格后，才可進(jìn)行聚合物水泥砂漿的灌注，聚合物水泥砂漿需滿足無砟軌道結(jié)構(gòu)特性、高速鐵路露天服役環(huán)境（潮濕環(huán)境、溫濕度變化）、周期疲勞荷載、高速鐵路運(yùn)營特點(diǎn)、水泥乳化瀝青砂漿材料特性及功能需求、修補(bǔ)材料與水泥乳化瀝青砂漿匹配性、施工便捷性和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等多個(gè)方面要求。砂漿灌注應(yīng)飽滿，無空洞。砂漿灌注完成后，灌注孔內(nèi)的砂漿表面距離軌道板上沿約150 mm。砂漿需達(dá)到初期強(qiáng)度后方可拆除軌道板下面的精調(diào)校正裝置和承重。

根據(jù)施工期間天窗時(shí)間情況，可以選擇當(dāng)日天窗灌注，也可以在后續(xù)天窗灌注。如果鋪板后天窗時(shí)間不足以完成砂漿灌注及等強(qiáng)等工序，則可以在后續(xù)天窗進(jìn)行砂漿灌注，但需在當(dāng)日天窗間隔灌注臨時(shí)砂漿袋對(duì)軌道板進(jìn)行臨時(shí)支撐，同時(shí)在軌道板兩側(cè)安裝緊壓限位裝置對(duì)軌道板進(jìn)行扣壓及左右限位。臨時(shí)砂漿袋沿軌道板兩側(cè)按650 mm 間隔鋪設(shè)灌注，并位于軌枕正下方。

砂漿灌注過程中需對(duì)軌道板高程及中線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)立即停止灌注并處理。充填層砂漿灌注完成并達(dá)到砂漿初凝后需要立即對(duì)軌道板高程、中線空間狀態(tài)進(jìn)行復(fù)測，確保滿足要求，允許偏差為±2 mm，如不滿足應(yīng)返工重鋪。

（4）恢復(fù)寬窄接縫

砂漿充填層灌注完成后恢復(fù)寬窄接縫。如充填層為成區(qū)段更換時(shí)，從中間至兩邊對(duì)稱張拉軌道板張拉鎖，安裝接縫鋼筋并進(jìn)行絕緣處理，安裝側(cè)模后灌注寬窄接縫及灌漿孔混凝土，混凝土初凝后，進(jìn)行潤濕養(yǎng)護(hù)。

5 結(jié)論與建議

（1）通過調(diào)查研究表明：運(yùn)營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層主要劣化特征體現(xiàn)在層間離縫、冒漿和豎向開裂三個(gè)方面。

（2）水泥乳化瀝青砂漿充填層的劣化自層間離縫開始；離縫后，外界水分更容易進(jìn)入軌道板與充填層或充填層與底座混凝土之間的縫隙，在動(dòng)荷載的長期作用下，水會(huì)持續(xù)對(duì)水泥乳化瀝青砂漿作用極大的動(dòng)水壓力，引起水泥乳化瀝青砂漿表面侵蝕；離縫的存在又加速了軌道板的振動(dòng)加速度，加之動(dòng)水壓力的作用，水泥乳化瀝青砂漿充填層便會(huì)發(fā)生開裂脫落與碎裂潰散。

（3）對(duì)于劣化嚴(yán)重的水泥乳化瀝青砂漿，提出了利用天窗時(shí)段完成對(duì)水泥乳化瀝青砂漿充填層更換的成套技術(shù)，該技術(shù)也可完成CRTSⅡ型板式無砟軌道線路沉降、偏移地段成區(qū)段抬升和糾偏整治。

（4）為進(jìn)一步確保勞動(dòng)安全和施工工效，有必要研究在鋼軌或軌道板提升更低高度的情況下即可完成對(duì)劣化水泥乳化瀝青砂漿充填層的鑿除清理作業(yè)的配套技術(shù)、關(guān)鍵裝備。