高速铁路道岔区无砟轨道伤损现状及分类研究

2019-07-25黄传岳杨怀志易忠来张志远

铁道建筑 2019年6期

黄传岳，温浩，杨怀志，易忠来，张志远，洪剑

(1.中国铁路上海局集团有限公司工务部，上海 200071；2.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；3.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；4.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100844)

铁路道岔作为列车实现转线和跨线运行的重要线路设备，是影响列车行车速度和安全的关键，在铁路建设和运营过程中占有十分重要的地位。高速道岔与普通道岔相比，具有容许通过速度高、舒适度和可靠性高的特点。高速铁路道岔区无砟轨道轨下基础常采用预制道岔板或长岔枕等与无砟道床相匹配的结构形式，具有高平顺性、高稳定性特点，保证道岔具有合适的刚度，在整个道岔区实现刚度的均匀化，从而确保列车平稳、舒适运行[1]。

从实际运营情况看，道岔区集合了轨道设备中几乎所有薄弱环节的结构特征和几何特征，同时也决定了其复杂的轮轨相互作用[2]，是高速铁路无砟轨道结构的特殊区，既是轨道结构受不确定荷载作用概率的最高区，也是整条线路的易损区和线路养护与维修的重点区。高速铁路道岔区无砟轨道结构变形导致的轨道不平顺将严重影响列车运行的安全性、稳定性和舒适性。因此，高速铁路道岔区无砟轨道的服役状态成为高速铁路安全运营及提速、发展的限制因素。

通过对我国多条高速铁路道岔区进行现场调研后发现，道岔区无砟轨道伤损问题已经显现，由此导致的列车过岔晃车现象已经发生[3]。基于道岔区无砟轨道结构服役过程所暴露出的现实问题及高速铁路在设计使用年限内安全服役的重大需求，开展了高速铁路道岔区无砟轨道伤损现状及伤损分类的研究。

1 高速铁路道岔区无砟轨道结构形式

道岔区无砟轨道按轨下基础结构形式主要可分为预制板式(板式无砟道岔)和现浇混凝土式(长枕埋入式道岔)，按所处区段又可分为路基段无砟道岔和桥梁段无砟道岔。

路基段板式无砟道岔采用预制轨道板道床结构，其结构自上而下依次由道岔部件、预制道岔板、自密实混凝土底座板及找平层等部分组成[4]。桥梁段板式无砟道岔结构自上而下依次由道岔部件、预制道岔板、砂浆垫层、底座、滑动层和侧向挡块、高强度挤塑板等部分组成[5]。长枕埋入式道岔是目前应用最成熟、最广泛的道岔区无砟轨道形式[6]。路基段长枕埋入式道岔由道岔部件、长岔枕、道床板和支承层等组成。桥梁段长枕埋入式道岔由道岔部件、长岔枕、道床板、中间分隔层和底座板等组成[7-8]。目前，预制板式和现浇长枕埋入式无砟道岔2种结构形式在我国高速铁路中均有大量应用。从施工管理、工效、结构整体性等方面对板式道岔与长枕埋入式道岔进行了对比，见表1。在实际工程中，需从施工方面、可维护性方面、地理位置适用性、工程经济性等多角度综合考虑，选取适合的道岔区无砟轨道结构形式。

板式无砟道岔与正线无砟轨道相比，具有如下特点：①道岔区无砟轨道是一切最不利因素的集中载体，必须保证足够的力学性能和稳定性；②板式道岔无砟轨道精度要求更高；③道岔板/道床板宽度更大，铺设难度高。长枕埋入式道岔与正线双块式无砟轨道相比，具有如下特点：①均采用外露的桁架筋与现浇道床混凝土连接而成，但轨枕结构不同。正线轨枕为双块式轨枕，中间由钢筋桁架连接，道岔区轨枕为整体预应力长轨枕。②岔枕铺设位置精度要求更高。

表1 预制板式、现浇长枕埋入式无砟道岔性能对比

2 高速铁路道岔区无砟轨道伤损类型

结合不同结构形式无砟道岔的特点，通过选取部分线路高速道岔作为伤损观测点，对无砟道岔伤损情况进行现场调研后发现：道岔区无砟轨道伤损现象已经显现，伤损情况呈现形式多样、形态各异的特点。

2.1 路基段板式无砟道岔伤损现状

路基段板式无砟道岔主要伤损形式包括道岔板与自密实混凝土离缝、道岔板与自密实混凝土层间冒浆、混凝土破损等。

1)道岔板与自密实混凝土离缝

道岔板与自密实混凝土间易出现离缝伤损，见图1。预制道岔板与现浇自密实混凝土间新老混凝土结合部分脱离、分层。

图1 道岔板与自密实混凝土离缝

2)道岔板与自密实混凝土层间冒浆

道岔区无砟轨道伤损常伴随线间/路肩封闭层嵌缝防水失效、板间接缝离缝、砂浆/自密实混凝土离缝等病害，水进入岔区无砟轨道结构内部，列车对砂浆层产生拍打作用，导致积水携带析出物被拍产生流浆，析出物在离缝外侧堆积，部分离缝逐渐发展为层间冒浆，见图2。

图2 道岔板与自密实混凝土层间冒浆

3)自密实混凝土破损

自密实混凝土破损是路基段道岔区板式无砟道床的常见病害。自密实混凝土浇筑时，道岔板两侧外露部分顶面高于道岔板底1～2 cm，高出部分自密实混凝土靠近道岔板一侧极易出现破损情况。

4)道岔板混凝土破损

道岔板破损多出现在板端位置，由于相邻两道岔板间填充接缝混凝土，道岔板在温度力作用下挤压接缝混凝土，易导致道岔板表层混凝土或接缝混凝土挤压破损。

2.2 桥梁段板式无砟道岔伤损现状

与路基段无砟轨道不同，桥梁段道岔区板式无砟轨道采用水泥乳化沥青砂浆作为充填层。其主要伤损常见于水泥乳化沥青砂浆充填层。

1)砂浆层与道岔板离缝

与正线CRTS Ⅱ型板式无砟轨道采用的纵联结构不同，桥梁段板式无砟道岔采用单元结构。从现场情况看，砂浆层易与道岔板出现离缝情况。

2)砂浆层碎裂、窜出

部分地段砂浆层出现离缝后，列车通过时对砂浆层产生拍打作用，导致砂浆层出现竖向裂缝，逐渐发展为砂浆层碎裂、窜出，见图3。

图3 砂浆层碎裂、窜出

3)板间接缝混凝土破损

桥梁段道岔区板式无砟轨道道岔板间底部采用接缝混凝土封闭，可以有效防止水进入砂浆层。接缝混凝土受到两侧道岔板挤压和振动作用，易产生开裂破损情况。

2.3 长枕埋入式道岔伤损现状

道岔区长枕埋入式无砟轨道由预应力岔枕、道床板、底座板或支承层等部分组成，主要伤损形式包括道床板与底座板间离缝、冒浆，岔枕与道床板间离缝、冒浆，道床板缺损，岔枕裂缝等。

1)道床板与底座板间离缝、冒浆

道床板与底座板分次现场浇筑，板间结合面易产生离缝。道床板与底座板间离缝、冒浆病害主要集中在路基地段，与水进入道床板与底座板间隙有关，见图4。

图4 道床板与底座板间离缝、冒浆

2)岔枕与道床板间离缝、冒浆

由于岔枕为工厂预制结构部件，且表面光滑，道床板为现浇结构，两者的界面易出现离缝，部分离缝发展为冒浆病害，见图5。

图5 岔枕与道床板离缝、冒浆

3)道床板缺损

道床板缺损多发生在岔枕与道床结合部位，岔枕振动导致道床混凝土表层破损。道床板的破损区域常沿岔枕与道床接缝处向外发展。

4)岔枕裂缝

岔枕出现裂缝的情况相对较少，个别岔枕因冻胀产生裂缝。该处岔枕开裂是由于岔枕底部存在空洞，水进入空洞，冬季冻胀导致岔枕开裂。

3 高速铁路道岔区无砟轨道伤损特点分析

通过调研发现，高速铁路道岔区无砟轨道伤损呈现以下特点：

1)施工期无砟道岔伤损已显现。道岔区无砟轨道结构虽然具有免维修和少维修的特点，但是从现场调研情况看，部分线路道岔区无砟轨道结构在运营初期就出现了伤损现象，特别是一些塑性裂缝、层间离缝、接缝破损等，在建设施工阶段即出现，而尽早修复这些早期伤损，对于确保道岔区无砟轨道结构服役寿命，防止伤损进一步发展具有重要意义[9]。

2)伤损状态呈动态变化。从调研情况看，相同位置的裂缝宽度往往随着季节气温的变化而呈现周期性的变化，同时裂缝在高速列车疲劳荷载作用下，也使裂缝出现张合。道岔区无砟轨道结构的裂缝往往是动态变化的，这对无砟轨道结构的修补提出了更高的技术要求。某线路道岔板混凝土裂缝宽度随温度变化规律见图6。由图6可见，在不同的季节、不同温度下裂缝宽度明显不同。

图6 某线路道岔板混凝土裂缝宽度随温度的变化规律

3)伤损形式多样、形态各异。通过现场调研发现，现场伤损形式具有复杂多样的特点，而且伤损形态也各异;同时由于道岔板宽度大，道岔结构精密，因此，在针对道岔区无砟轨道伤损修复时，必须针对具体情况具体分析，采取有针对性的方案、合适的修补工艺和修补材料，而非一概而论。

4 高速铁路道岔区无砟轨道伤损分类

目前，国内道岔区无砟道床伤损分类的主要依据是铁运〔2013〕29号《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》[10]。该规范对道岔区无砟道床的伤损形式及判定标准进行了分类划分。道岔区轨枕埋入式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准见表2，道岔区板式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准见表3。

在铁运〔2013〕29号《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中，道岔区无砟道床的伤损管理标准及作业方法主要是参考正线无砟轨道管理标准和作业方法而制定的，尚未能结合道岔区无砟轨道的特性，提出有针对性的分类方法。然而，道岔区无砟轨道结构形式多样，每种结构形式的组成部件也各不相同，无砟轨道结构伤损情况复杂多样，要深入研究道岔区无砟轨道伤损修复技术，需要对道岔区无砟轨道结构伤损类型进行分类。

表2 道岔区轨枕埋入式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准

表3 道岔区板式无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准

4.1 按照道岔区无砟轨道结构形式划分

按照道岔区无砟轨道结构形式划分可分为路基段板式无砟道岔伤损、桥梁段板式无砟道岔伤损、长枕埋入式道岔伤损等。

采用道岔区无砟轨道结构形式划分伤损类型比较清晰明了，实用性也比较强，但主要问题是伤损类型重复较多，比如各种道岔结构形式的底座板/支承层结构伤损情况比较类似，预制道岔板和长枕埋入式道床板的伤损也比较类似。

4.2 按照道岔区无砟轨道结构部件划分

按照道岔区无砟轨道结构部件划分，可以分为道岔板、岔枕、道床板、底座板、支承层、充填层、层间结合部伤损等。

采用这种分类方法，可以一定程度上减少按照道岔无砟轨道结构形式划分带来的重复问题，但是还存在同类型病害重复问题，如道岔板、道床板、底座板/支承层结构均存在裂缝和缺损的问题。

4.3 按照道岔区无砟轨道结构部件组成材料划分

按照道岔区无砟轨道结构部件的组成材料划分，可以分为混凝土结构部件伤损、水泥乳化沥青砂浆结构部件伤损、高分子结构部件伤损等。其中混凝土结构部件又可分为预应力混凝土结构部件(道岔板、长岔枕等)、钢筋混凝土结构部件(道床板、底座板等)和素混凝土结构部件(支承层)等，高分子结构部件主要包括接缝嵌缝材料等。这种划分方式大幅减少了同类伤损的重复问题，但是对于不同轨道结构部件间的层间离缝和板间接缝、离缝伤损会有遗漏。

4.4 按照道岔区无砟轨道伤损形态划分

从道岔区无砟轨道结构伤损的现状分析来看，各种结构形式的主要结构部件多含有裂缝、离缝、缺损等伤损形态，以伤损形态划分见表4。

表4 高速铁路无砟轨道结构伤损形态

由表4可见，2种不同道岔区无砟轨道结构形式的各个部件均存在裂缝和缺损2种伤损形态，结构部件的结合部也均存在离缝病害，因此可以按照伤损形态将道岔区无砟轨道结构伤损划分为裂缝、离缝和缺损3大类，通过对这3类病害的系统研究，结合各个结构形式的特殊性，系统掌握高速铁路道岔区无砟轨道结构伤损的规律。

5 高速铁路道岔区无砟轨道伤损原因分析

通过现场调研、施工资料汇总分析及室内模拟试验，分析了高速铁路道岔区无砟轨道伤损主要是由以下几方面原因所致，即在建设过程中未能严格按照施工规范施工、路基沉降或冻胀上拱、环境荷载和列车荷载的耦合作用等，另外水进入无砟轨道结构体系中，将会加速道岔板伤损的发展和劣化。

1)施工过程控制

施工过程中管理控制不严，可能导致道岔板与自密实混凝土层间、长轨枕与道床板间黏结不牢固而出现初始伤损。

2)路基沉降或冻胀上拱

线下路基的变形不协调，导致轨道结构受力不均匀，局部发生应力集中，从而道岔板附近的各层轨道结构变形不一致，进而产生道岔区无砟轨道混凝土结构开裂、离缝、上拱等病害。

3)温度荷载和列车荷载

道岔区无砟轨道是由大体积钢筋混凝土材料构成的复合结构，受温度的影响较大。道岔板在温度梯度作用下产生翘曲变形、列车荷载反复作用等均易导致砂浆层与道岔板之间产生层间脱开而形成离缝[11]，而当离缝高度达到一定程度时，即使在列车荷载作用下，离缝区域上部道岔板也难以与砂浆层接触，此时形成道岔板底局部脱空，对轨道结构受力十分不利。

白天气温上升时，靠近上表面的区域温度高于靠近下表面的区域，形成正温度梯度；夜晚气温下降时，靠近下表面的区域温度高于靠近上表面的区域，形成负温度梯度。在温度梯度作用下，道岔板发生翘曲变形，而下部砂浆层受到的温度荷载较小导致变形较小，从而在层间黏结处产生拉应力，随着循环次数的增加，层间黏结性能将受到破坏而产生离缝。由于层间离缝的存在，充填层在垂向对道岔板的向上翘曲约束作用会出现局部减弱的现象，从而造成了道岔板受力不均匀的情况。列车荷载是无砟轨道主要承受的荷载之一，当存在离缝时，随着列车荷载的循环作用，在离缝的尖端将产生非常大的剪切应力，加速离缝面积的增大和脱空高度的增加。

由于道岔板层间初始伤损的存在，在列车荷载作用下，上下两层的弹性模量不一样，将会发生变形不协调现象。在道岔板的横纵向约束与底部砂浆层黏结两种约束作用下，道岔板下尤其板角处的砂浆承受较大的拉压反复作用，随着荷载作用次数的增多，板角处的砂浆与板间的黏结很容易遭到破坏而形成离缝。随着离缝的增加，砂浆层的横向拉压应力都增大，可见砂浆与道岔板的脱离使得砂浆层受力不均匀，导致剩余黏结面承受更大的应力。轨道结构出现离缝后，其邻近区域砂浆的受力变得不利，可能会加速离缝的发展。道岔板离缝造成了轨道结构界面黏结破坏，影响了轨道受力的整体性。砂浆层对道岔板翘曲的跟随性和约束性能的降低对轨道结构受力不利，长期的温度疲劳荷载反复作用会增加砂浆层疲劳伤损的发展，可能导致整块道岔板出现离缝。

4)水的作用

道岔板层间裂纹随着列车的趋近与离开而发生周期性的张开与闭合。加载时，由于裂纹面相互靠近，使得裂纹内水被排出，此时裂纹内产生正压力，并沿着出口方向呈减小趋势，其最大值发生在裂纹尖端处；卸载时，由于裂纹面相互远离，使得裂纹外的水被吸回裂纹内，此时裂纹内产生负压力，并沿着出口方向呈增加趋势，其最小值发生在裂纹尖端处。在列车荷载作用下，裂纹内部的水会产生一定的压力和速度，并对裂纹表面进行反复的冲刷，在裂纹出口处形成冒浆现象；之后，经过长期的列车荷载与水的耦合作用，支承层与道岔板间缝隙逐渐增大，导致道岔板底被掏空；此外，产生的动水压力垂直作用于裂纹表面，成为裂纹扩展的驱动力，加速裂纹的扩展。因此，水是加速道岔板离缝病害劣化的重要原因。