CRTSⅢ型板式無砟軌道層間傷損評定標(biāo)準(zhǔn)

施成 趙勇 劉心成 王夢

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

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國在全面總結(jié)分析前期引進(jìn)無砟軌道建設(shè)和運(yùn)營實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程材料、建造技術(shù)、運(yùn)營維護(hù)等系統(tǒng)研究，研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國標(biāo)準(zhǔn)無砟軌道系統(tǒng)［1-2］，先后應(yīng)用于盤營高鐵、鄭徐高鐵、京沈高鐵、商合杭高鐵、贛深高鐵等高速鐵路工程。目前鋪軌里程已超過9 000 km。

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用具有高流動性、高間隙通過性和高抗離析性的自密實(shí)混凝土作為充填層材料［3-4］，軌道板與自密實(shí)混凝土通過層間黏結(jié)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，共同承受列車、溫度等荷載作用。隨著服役時間增長，部分地段軌道板和自密實(shí)混凝土層間出現(xiàn)局部黏結(jié)性能下降、離縫脫空等結(jié)構(gòu)傷損，對無砟軌道復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生了不利影響。

相關(guān)學(xué)者對CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的發(fā)展機(jī)理、影響程度及控制措施開展了系列研究。趙聞強(qiáng)［5］結(jié)合層間界面性能發(fā)展特點(diǎn)構(gòu)建了無砟軌道層間經(jīng)時損傷分析模型，揭示了施工期及運(yùn)營期無砟軌道層間損傷風(fēng)險及演化規(guī)律。婁平等［6］以車輛及層間離縫CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)為研究對象，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，探討了層間離縫對車體加速度、輪軌力、軌道部件位移等動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。劉平等［7］建立了車輛-軌道-路基垂向耦合振動模型，研究了不同程度板端離縫對車輛和軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響。劉明明［8］利用數(shù)值分析法探究了不同層間離縫狀態(tài)下無砟軌道受力情況，并基于德爾菲法提出了層間離縫評價指標(biāo)及計算方法。張婧穎等［9］從原材料、拌和物、施工工藝等方面提出了無砟軌道層間質(zhì)量的控制措施，并分析了相應(yīng)無損檢測方法。

對CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的既有研究主要關(guān)注離縫產(chǎn)生發(fā)展機(jī)理及對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，而對實(shí)際條件下離縫評判及控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較少。本文基于現(xiàn)場調(diào)研、測試及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)行無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)規(guī)范實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究提出CRTSⅢ型板式無砟軌道的層間傷損評定標(biāo)準(zhǔn)建議，以期為無砟軌道運(yùn)營維護(hù)提供參考。

1 現(xiàn)場調(diào)研及分析

CRTSⅢ型板式無砟軌道是沿線路空間縱向分布的多層帶狀結(jié)構(gòu)，長期服役條件下受環(huán)境作用、列車荷載、材料性能劣化等因素的影響，不可避免地出現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)傷損。其中軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫是CRTSⅢ型板式無砟軌道的常見傷損類型之一。

1.1 層間離縫現(xiàn)場調(diào)研

選取一嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基及橋梁區(qū)段各1 km無砟軌道開展離縫跟蹤調(diào)研。觀測地段近20%的軌道板與自密實(shí)混凝土間存在可見離縫，離縫寬度一般在0.2 mm以下，離縫長度一般在1.5 m以下。典型層間離縫傷損如圖1（a）所示。工務(wù)部門參照既有維修規(guī)則對部分早期出現(xiàn)的離縫進(jìn)行了修補(bǔ)。少數(shù)有明顯離縫的軌道板在層間界面存在泛白漿的現(xiàn)象，如圖1（b）所示。此類傷損是由于軌道板與自密實(shí)混凝土在溫度梯度和列車荷載作用下互相沖擊，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料析出，往往會導(dǎo)致層間黏結(jié)狀態(tài)進(jìn)一步惡化，在運(yùn)營維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 無砟軌道層間離縫傷損

根據(jù)跟蹤觀測結(jié)果及工務(wù)部門運(yùn)營維護(hù)記錄，CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫傷損大多在線路建設(shè)期或開通初期已出現(xiàn)。隨著運(yùn)營時間增長，離縫出現(xiàn)頻次略有增加，但總體發(fā)展較慢，多數(shù)離縫的寬度、長度等指標(biāo)隨時間變化無明顯增長。

從離縫出現(xiàn)位置看，板角出現(xiàn)頻次多于板中，曲線地段超高外側(cè)略多于超高內(nèi)側(cè)，主要原因是自密實(shí)混凝土施工階段在板角、曲線外側(cè)等位置易因灌注不密實(shí)而產(chǎn)生初始缺陷。另外，溫度梯度作用下板角位置垂向翹曲位移較大，對層間黏結(jié)造成了不利影響。離縫在陰面和陽面、路基和橋梁地段出現(xiàn)頻次基本相當(dāng)，表明日照、下部基礎(chǔ)等對層間離縫無明顯影響。

1.2 表觀特征統(tǒng)計分析

為掌握運(yùn)營條件下CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的表觀特征，選取觀測區(qū)段內(nèi)約1 000塊軌道板作為樣本，對離縫長度、寬度及深度進(jìn)行測量，并對測量結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計分析。離縫傷損的分類綜合考慮現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)、軌道板承軌臺位置、既有維修規(guī)則分級等因素。其中，離縫長度（l）以100 mm和300 mm為界分為三類；離縫寬度（w）以0.5 mm和1.0 mm為界分為三類；離縫深度（d）根據(jù)軌道板承軌臺位置，以50 mm和100 mm為界分為三類。

觀測區(qū)段內(nèi)軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫的長度、寬度、深度總體上比較小，共觀測到沿軌道板縱向通長離縫9處。觀測區(qū)段內(nèi)離縫表觀特征統(tǒng)計結(jié)果見表1。可知：l<100 mm的軌道板占總數(shù)的87.4%；w<1.0 mm的軌道板占總數(shù)的97.8%；d<50 mm的軌道板占總數(shù)的96.4%。

表1 離縫傷損表觀特征統(tǒng)計

2 層間缺陷面積測試

傳統(tǒng)的無砟軌道層間傷損檢測主要采用目測、尺量等方式，對軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫的外觀尺寸進(jìn)行測量，其結(jié)果難以反映軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的層間缺陷。近年來，超聲波、沖擊回波等無損檢測技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用到無砟軌道層間傷損檢測中。選取一高速鐵路典型區(qū)段CRTSⅢ型板式無砟軌道，利用層間狀態(tài)檢測儀開展軌道層間缺陷面積測試，為相關(guān)評定指標(biāo)的確定提供依據(jù)。

2.1 測試原理

利用超聲波、沖擊回波等手段檢測無砟軌道層間狀態(tài)的基本原理都是利用機(jī)械波在不同介質(zhì)中傳播特性的變化。選用高頻聚焦超聲波反射成像的方法對軌道板與自密實(shí)混凝土層間缺陷狀態(tài)開展測試。在軌道板表面發(fā)射大功率聚焦超聲波后，根據(jù)測得的反射波波形特征判定層間接觸狀態(tài)。該方法的靈敏度與定位精度較高，尤其適用于垂直入射超聲聲束方向的薄層不連續(xù)缺陷。

當(dāng)超聲波傳播至不同介質(zhì)界面時會發(fā)生透射與反射，界面兩側(cè)材料的阻抗差異越大，則波的反射效應(yīng)越明顯。對于CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道板混凝土與自密實(shí)混凝土的聲速及阻抗差異不顯著，因此當(dāng)軌道板與自密實(shí)混凝土層間黏結(jié)良好時，板面測得的超聲回波能量較??；而空氣與混凝土材料存在顯著的聲速和阻抗差異，當(dāng)軌道層間黏結(jié)狀態(tài)惡化，出現(xiàn)離縫脫空等缺陷時，表面測得的超聲回波能量明顯增加。因此，可根據(jù)板面測得的某一頻段反射回波能量大小判定軌道結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)狀態(tài)。檢測原理如圖2所示，圖3為測試現(xiàn)場。

圖2 超聲波回波能量示意

圖3 無砟軌道層間缺陷測試

2.2 測試結(jié)果分析

對每一測點(diǎn)實(shí)測的層間反射回波能量進(jìn)行無量綱化處理后，得到的反射系數(shù)（0 ~ 10）可表征無砟軌道層間黏結(jié)狀態(tài)。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明：反射系數(shù)大于4時，該位置層間黏結(jié)質(zhì)量下降，存在一定缺陷；反射系數(shù)大于7時，該位置層間出現(xiàn)明顯脫空。

單塊軌道板所有測點(diǎn)測試完成后，依據(jù)各測點(diǎn)反射系數(shù)測試結(jié)果進(jìn)行克里金法插值計算，并繪制軌道板和自密實(shí)混凝土層間黏結(jié)質(zhì)量云圖，如圖4所示。根據(jù)云圖可以直觀了解整塊軌道板下層間黏結(jié)狀態(tài)及缺陷分布情況。

圖4 層間黏結(jié)質(zhì)量云圖

以云圖中反射系數(shù)大于4的面積（黃色至紅色部分）占軌道板總面積之比作為層間缺陷面積比，進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到測試區(qū)段內(nèi)無砟軌道層間缺陷面積比的累計分布曲線，見圖5?？芍?，測試區(qū)段CRTSⅢ型板式無砟軌道層間未測到缺陷的軌道板占總數(shù)的47.2%，缺陷面積比在5.0%以下的軌道板占總數(shù)的86.1%，最大缺陷面積比為7.6%。

圖5 層間缺陷面積比累計分布曲線

3 層間傷損評定標(biāo)準(zhǔn)

TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》將無砟軌道裂縫、離縫等道床傷損分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級，對應(yīng)處理措施分別為做好記錄、列入維修計劃并適時修補(bǔ)、及時修補(bǔ)。十余年養(yǎng)護(hù)維修工作經(jīng)驗(yàn)表明，我國無砟軌道狀態(tài)總體良好，裂縫、層間離縫等傷損發(fā)展速度較慢，過于細(xì)化的分級標(biāo)準(zhǔn)會極大增加現(xiàn)場檢查、記錄、分析的工作量［10］，運(yùn)維部門面臨檢查設(shè)備有限、維修費(fèi)用高、養(yǎng)護(hù)維修困難等問題。

由于無砟道床離縫傷損具有數(shù)量較大、發(fā)展較慢、影響較小等特點(diǎn)，建議CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫評定標(biāo)準(zhǔn)按Ⅰ、Ⅱ兩級分類。對于Ⅰ級傷損，做好觀測、記錄、分析，對于Ⅱ級傷損，列入維修計劃并適時進(jìn)行修補(bǔ)。

根據(jù)軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫現(xiàn)場調(diào)研及統(tǒng)計分析情況，結(jié)合CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無砟軌道等其他類型軌道離縫傷損養(yǎng)護(hù)維修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫表觀傷損的評定標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

表2 CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫傷損評定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)無砟軌道現(xiàn)場調(diào)研情況，對于軌道板與自密實(shí)混凝土層間出現(xiàn)離縫泛漿的區(qū)段，應(yīng)做好記錄并進(jìn)行跟蹤觀測，根據(jù)傷損劣化趨勢適時采取修補(bǔ)措施。

與離縫寬度、長度等表觀檢查相比，缺陷面積更能反映無砟軌道結(jié)構(gòu)總體層間黏結(jié)質(zhì)量。針對自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量控制，Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實(shí)混凝土》規(guī)定：自密實(shí)混凝土表面無面積大于50 cm2以上的氣泡，面積在6 cm2以上氣泡的面積之和不宜超過板面積的2%。該檢測結(jié)果主要通過施工階段揭板試驗(yàn)得出。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，在運(yùn)營階段對軌道層間缺陷面積開展定量測試成為可能?；诮陙硌邪l(fā)的層間狀態(tài)無損檢測技術(shù)，建議增加缺陷面積比作為傷損評定指標(biāo)。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營線路層間缺陷面積檢測結(jié)果，提出分級建議：缺陷面積比5% ~ 10%為Ⅰ級傷損，缺陷面積比大于10%為Ⅱ級傷損。

4 結(jié)論

1）隨著運(yùn)營時間增長，運(yùn)營線路CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫出現(xiàn)頻次略有增加，總體發(fā)展速度較慢，運(yùn)營維護(hù)中對離縫泛漿等病害應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2）軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫尺寸總體較小，觀測區(qū)段內(nèi)離縫長度100 mm以下、寬度1 mm以下、深度50 mm以下的軌道板分別占總數(shù)的87.4%、97.8%和96.4%。結(jié)合現(xiàn)行維修規(guī)則實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了離縫表觀傷損Ⅰ、Ⅱ兩級評定標(biāo)準(zhǔn)建議值。

3）采用高頻聚焦超聲波反射成像的無損檢測方法對典型區(qū)段無砟軌道層間缺陷面積開展了測試分析。建議按缺陷面積比5% ~ 10%、大于10%兩級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行層間傷損等級評定。