高寒地区混凝土基床结构对无砟轨道平顺性的影响

胡海波 阎 亮 金 洲

(中国铁路沈阳局集团有限公司，辽宁沈阳 100013)

1 概述

高速铁路的显著特征之一是轨道具有高平顺性，故要求轨下基础结构应具有很好的稳定性。在高寒地区，为了有效避免季节性冻土的冻胀循环对工程结构的影响，以桥代路[1]是切实可行的措施；对于不可避免的路基段，除了满足一般性路基设计原则[2]及现行规范[3]外，还需要采用防冻胀设计，主要包括防冻胀路基结构、填料和综合防排水技术三个方面[4]。文献[5]提出一种极寒条件下“沥青混凝土+级配碎石+底层”的基床结构并从理论上进行了分析，但该种结构并未在我国实施，缺少相应的实际检验数据。完全的混凝土基床结构在我国应用较多，可通过对混凝土基床的长度、厚度、宽度、混凝土标号等参数的设计，使基床结构因温度变化所产生的形变受到控制，形变量可通过理论计算或路基沉降监测来获取[6-8]。对于已建成轨道而言，更有效的做法是通过长期的轨道测量来评估混凝土基床温度形变所造成的影响。

目前，混凝土基床结构温度形变对轨道平顺性影响的研究在国内外少见文献报道，对于精调工作时机的确定也缺乏数据支撑。以下结合东北某新建高铁轨道精调工作，选取一处混凝土基床结构地段作为试验段，进行轨道精调并使线路达标，然后采用相对轨检小车按照每月至少一次的频率对轨道进行复查，持续时间为一年，以此查明混凝土基床受温度变化影响产生形变的规律，提前研判轨道几何尺寸超限风险，为日后养护维修提供数据支撑。

2 混凝土基床的结构特征

基床混凝土分为路堤段基床混凝土和路堑段基床混凝土两种形式。

路堤段混凝土基床顶宽8.9 m；厚1.48 m，从上至下依次为C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚0.98 m。

路堑段混凝土基床顶宽8.9 m；厚1.9 m，从上至下依次为C35混凝土，厚0.5 m；C20混凝土，厚1.4 m。

对于路堑段，根据地层岩性的不同，采用如下的换填措施。

(1)硬质岩地段：凿除路基面以下0.2 m范围内原地层，用高压水冲洗后，浇筑C35素混凝土封层。

(2)软质岩，土质，黄土及膨胀土、岩地段：换填0.5 m厚C35混凝土，其下为C20混凝土。

混凝土基床两侧路基面铺筑C30混凝土预制块，其下设置0.1 m厚砂砾反滤层，垫层底面设置一层两布一膜不透水土工布(600 g/m2)，土工布以下设置0.1 m厚三七灰土垫层。

线间每隔30 m设置集水井集中排水，并在混凝土基床之间设置伸缩缝[9]。

3 混凝土基床路基形变的发现过程

某新建高速铁路下行599+830 m～600+241 m范围为混凝土基床路基段，长度约为410 m。该段路基于2017年1月11日完成轨道精调工作，并在-15～3 ℃环境温度下，采用相对轨检小车进行了轨道检测，通过数据处理分析，得到轨距、超高、平顺性等轨道几何状态指标[10-12]，各项指标均满足规范[13，14]要求。2017年4月25日，在5～20 ℃环境温度下再次对该区段进行复测，两次轨道检测获取的30 m弦短波轨向及高低数据如图1、图2所示。

图1 两期轨道30 m弦短波轨向数据对比

由图1可知，在环境温度变化约为20 ℃的情况下，两期轨道30 m弦短波轨向吻合较好，均处于±1 mm以内，轨向变化量处于-0.3～0.4 mm之间，且90%以上处于±0.2 mm以内。30 m弦短波高低数据(如图2)：2017年1月11日显示处于±1 mm以内(波形正常)，2017年4月25日的数据则呈现出正弦波状的周期性变化，幅值也较上一期数据有了明显的增大，两期数据轨道高低变化量处于±1.9 mm之间，且变化量绝对值大于0.5 mm的比例为60.5%。由此可见，随着温度的变化，混凝土基床形变对轨道平顺性造成了不利影响，且主要影响了轨道高低平顺性，轨向平顺性则变化不大。因此，以下主要从高低的角度来分析混凝土基床形变对轨道平顺性的影响。

图2 两期轨道30 m弦短波高低数据对比

4 混凝土基床形变对无砟轨道高低平顺性的影响分析

为进一步分析混凝土基床形变对轨道高低平顺性的影响，将599+830 m～600+241 m确定为试验段，试验时间暂定为一年，在试验期间该段线路不进行任何养护维修作业，以排除其他可能因素对轨道平顺性的影响。试验时间内，每个月均采用相对轨检小车对该段轨道进行一次检测，以获取轨道的各项内外部几何状态指标，计算静态轨道质量指数并同时记录环境温度。从2017年1月11日至2017年12月22日，共进行了10次轨道数据采集。

4.1 轨道高低平顺性的时间变化

在10期轨道检测数据中，环境最低温度为-15 ℃，检测时间为2017年1月11日，高低最大值为0.8 mm，最小值为-1.0 mm，幅值为1.8 mm；环境最高温度为36 ℃，检测时间为2017年8月21日，高低形变最大值为2.06 mm，最小值为-2.11 mm，幅值为4.17 mm；当温度逐渐回落到-11 ℃时，检测时间为12月22日，高低形变最大值为0.67 mm，最小值为-1.16 mm，幅值为1.83 mm，数据如表1所示。

表1 温度影响下轨道高低幅值变化

由表1可知，随着四季的变化，环境温度呈现周期性变化，轨道高低幅值也呈现时间上的周期性变化，当温度变化一个周期时，轨道高低也变化一个周期。为进一步观察这种周期变化趋势，选取里程为600+160.3 m的波谷及里程为600+165.3 m的波峰，此两处位置在一个温度周期内的高低变化如图3所示。

图3 波峰及波谷在一个温度周期内的高低周期性变化

4.2 轨道高低平顺性的空间变化

试验段路基的混凝土基床按照11.3 m的固定长度逐段施工，其两端设置伸缩缝。为了查明这种混凝土基床结构在温度变化下的形变对轨道高低平顺性的影响，在采用相对轨检小车进行轨道检测前，对试验段的每一根轨枕进行编号，轨道测量时从起点的轨枕开始，到终点的轨枕结束，中间的轨枕采用轨检小车的轨枕识别器进行识别，则能够得到每一根轨枕的里程。采用上述方法，连续测量试验段的400 m轨道，计算每根轨枕的30 m弦短波高低平顺性，2017年8月21日的测试数据如图4所示。

图4 轨道短波高低在线路里程方向的周期性变化

由图4可知，在线路里程方向，轨道的短波高低呈现明显的正弦波状周期变化，波峰值基本保持一致(均值为1.33 mm)，波峰之间距离的平均值为11.4 m；波谷值也基本保持一致，均值为-1.53 mm，波谷之间距离的平均值为11.5 m。由此可见，正是由于设计长度为11.3 m的混凝土基床的形变，导致了轨道短波高低的周期性变化，且波长也与混凝土基床的长度基本一致。

4.3 静态轨道质量指数(TQI)的影响分析

每期数据采集完成后，以200 m为一个单元，计算每个单元内的轨距、水平、三角坑、左轨向、右轨向、左高低、右高低等7项轨道几何状态参数的标准差，以计算静态轨道质量指数TQI(Track Quality Index)值。有

(1)

式(1)中，σi为各项轨道几何偏差的标准差，有

(2)

根据式(1)及式(2)，计算2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期数据的各单项轨道几何状态参数的标准差及TQI值，如表2所示。

表2 四期数据的各单项标准差及TQI值 mm

表2数据表明，随着温度的变化，轨道的轨距、水平、三角坑、左轨向、右轨向等5项指标的标准差变化不大，基本保持稳定；左高低及右高低的标准差则随着温度的升高而变大，随着温度的降低而减小；由于左右轨高低的这种变化，导致TQI值也随之起伏变化。2017年1月11日的TQI值小于2，表明轨道整体几何状态质量很好，中间两期数据的TQI值大于3，表明轨道几何状态质量下降较大，随着温度回落，最后一期数据的TQI值则又回到2以下。10期数据的各单项标准差及TQI值的变化情况如图5所示，可以明显地看出，由于左右轨高低的变化，使得TQI值也发生了相同趋势的变化。

图5 10期数据轨道各单项几何参数标准差及TQI值分布

5 混凝土基床形变对轨道平顺性影响的规律及对策建议

综上所述，在高寒地区建设高速铁路，所采用的混凝土基床虽然维持了轨道结构的稳定，但对轨道平顺性的不利影响并未完全消除。随着一年四季环境温度的周期性变化，以及混凝土基床在线路方向长度为11.3 m的结构分布，使轨道高低平顺性在时间及空间上都呈现出一种显著的周期性变化，并最终导致轨道质量指数(TQI)也呈现相同的变化趋势。当温度回到轨道精调时的温度区间时，轨道的各项几何参数指标及TQI值也基本回到精调时的状态。2017年1月11日、2017年4月25日、2017年8月21日、2017年12月22日四期的轨道高低数据如图6所示，可很直观地反映这种周期变化。

图6 四期数据轨道高低变化分布

综合对比轨道高低平顺性、高低峰值、静态轨道质量指数等指标，结合轨道监测时的环境温度，发现在温度处于2～10 ℃时，轨道高低平顺性指标变化幅度较小，各项轨道几何参数较为均衡，与精调完成时的轨道状态较为接近。因此，建议2～10 ℃作为高寒地区高速铁路混凝土基床段线路的轨道精调作业窗口，从而使轨道平顺性的全年变化趋于平衡。

6 结束语

高寒地区高速铁路路基段可采用混凝土基床来预防冻害，以达到维持结构稳定及轨道平顺性的目的。通过对某新建高铁路基段混凝土基床为期一年的轨道监测，在不同环境温度情况下，混凝土基床结构会发生不同程度的形变，进而对轨道的轨向及高低平顺性产生影响，其中轨向受影响的幅度较小，高低受影响的幅度较大。进一步的数据分析表明，由混凝土基床形变导致的轨道高低平顺性变化呈现出明显的周期性特征：当温度升高时，高低变化的幅值增大，温度降低时，高低变化的幅值回落；在线路里程方向则以混凝土基床11.3 m的设计长度为周期呈正弦变化。建议在环境温度为2～10 ℃时开展轨道精调工作，使轨道全年的高低平顺性变化趋于均衡，便于轨道平顺性管理。