双块式无砟轨道轨枕成段开裂整治技术研究

徐凌雁

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300308)

目前，我国高速铁路和客运专线主要采用无砟轨道结构。无砟轨道结构可分为预制板式无砟轨道和现浇混凝土道床式无砟轨道2大类。当前，国内应用比较普遍的预制板式无砟轨道为CRTSⅢ型板式无砟轨道，而现浇混凝土道床式无砟轨道则为双块式无砟轨道。双块式无砟轨道自上而下主要由钢轨、扣件、双块式轨枕、道床板、隔离层、底座、凹槽周围弹性垫层等部件组成[1]。与板式轨道相比，预制轨枕布置灵活，制造简便；采用框架法施工，施工工艺简单，效率高；省去了轨道板预制、运输成本，工程造价低[2]。因此，双块式无砟轨道在工程中被广泛采用。但是在实际运营过程中，由于受一些因素影响，轨枕出现了成段开裂现象[3]。本文主要针对双块式无砟轨道轨枕开裂原因及整治技术进行研究。

1 现场轨枕开裂情况

我国一高速铁路全线采用CRTSⅠ型双块式无砟轨道，经实地复查发现在K233+300—K233+600段共有670根轨枕出现裂缝。裂缝出现的位置比较集中，主要为从套管处开裂，沿轨枕方向发展，裂缝与轨枕挡肩呈45°角，轨枕挡肩处出现横向裂缝。具体开裂方式如图1—图3所示。

图1 承轨槽凹槽底部裂缝

图2 轨枕挡肩裂缝

图3 沿预埋套管沿伸的承轨台裂缝

此地段出现裂缝的轨枕在预制时间上无规律性，年份分别为2011,2012,2013年。线路的内外股均有轨枕出现裂缝，曲线外股裂缝偏多。其中线路上行段有370根，下行段有300根，裂缝宽度大于0.20 mm 的有4根，最大裂缝宽度为0.28 mm，其余均小于0.20 mm。

2 双块式轨枕受力检算

2.1 计算荷载

2.1.1 轨枕设计荷载

根据TB 10621—2014《高速铁路设计规范》[4]，作用于钢轨的列车竖向、横向设计荷载取值如下：

作用于钢轨的列车竖向设计荷载为

P1d=α1P1j

(1)

式中：P1d为作用于钢轨的列车竖向设计荷载；α1为动载系数，设计速度300 km/h及以上线路取3.0，设计速度250 km/h线路取2.5；P1j为静轮载。

作用于钢轨的列车横向设计荷载为

Q1=0.8P1j

(2)

式中：Q1为作用于钢轨的列车横向设计荷载。

按TB 2034—1988《铁路轨道强度检算方法》[5]，轨枕设计荷载与列车设计荷载满足如下关系：

轨枕竖向设计荷载为

R1V=ηP1d

(3)

式中：R1V为轨枕竖向设计荷载；η为轮载分配系数。

轨枕横向设计荷载为

R1H=ηQ1

(4)

式中：R1H为轨枕横向设计荷载。

根据TB 2034—1988，轮载分配系数η取0.5，列车轴重按170 kN考虑，代入式(1)—式(4)中得到轨枕设计荷载取值，见表1。

表1 轨枕设计荷载取值

2.1.2 实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕荷载

根据TB 10015—2012《铁路无缝线路设计规范》[6]，列车竖向、横向最不利荷载取值如下：

1)考虑列车通过曲线时的偏载效应时，作用于钢轨的列车竖向设计荷载可表示为

P2d=(1+α2+β)P2j

(5)

式中：P2d为列车通过曲线时作用于钢轨的列车竖向设计荷载；α2为速度系数；β为偏载系数；P2j为列车通过曲线时的静轮载。

2)列车通过曲线时作用于钢轨的列车横向设计荷载，按未平衡离心力全部作用于外轨上进行计算。

(6)

式中：Q2为列车通过曲线时作用于钢轨的列车横向设计荷载；Δh为未被平衡的最大超高；S为内外股钢轨中心距。

3)纵向力

根据TB 10015—2012，安装WJ-8A型常阻力扣件时轨枕每个承轨台可能出现的最大纵向力RL为15.6 kN。

4)实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕荷载

实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕竖向荷载R2V为

R2V=ηP2d

(7)

实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕横向荷载R2H为

R2H=ηQ2

(8)

根据该线路设计情况，按静轴重170 kN，曲线半径 7 000 m，未被平衡最大超高取110 mm，速度系数α2取1.0，偏载系数β取0.225，轮载分配系数同样取0.5，代入到式(5)—式(8),可得实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕荷载取值，见表2。

表2 实际线路条件最不利情况下轨枕荷载取值

2.1.3 轨枕设计复核检算荷载取值

对比轨枕设计荷载、实际线路条件最不利情况下可能出现的轨枕荷载，可见轨枕竖向、横向设计荷载均大于实际线路条件时的竖向、横向荷载，进行设计复核检算时，轨枕竖向、横向荷载按两者中较大的取值，纵向荷载按实际线路条件可能出现的最大纵向荷载取值，见表3。

表3 轨枕设计复核检算荷载取值

2.2 受力检算

利用以上得到的轨枕设计复核检算荷载，对双块式轨枕的各项受力指标进行复核检算[6-10]。

2.2.1 轨枕混凝土抗压强度复核检算

双块式轨枕承轨台上扣件铁垫板支承面积约为290 mm×158 mm，在竖向荷载128 kN作用下，轨枕承轨台上的压应力σc为

轨枕采用的混凝土强度等级为C60，容许压应力为16.0 MPa。轨枕承轨台压应力小于容许压应力，满足设计要求。

2.2.2 双块式轨枕挡肩混凝土抗剪能力复核检算

双块式轨枕挡肩横向力的作用面积约为195 mm×155 mm，在横向荷载34 kN作用下，挡肩承受剪应力τ为

轨枕采用的混凝土强度等级为C60，容许剪应力为1.75 MPa。挡肩承受剪应力小于容许剪应力，满足设计要求。

2.2.3 双块式轨枕承轨台纵向抗剪能力复核检算

双块式轨枕承轨台纵向力的作用面积约为290 mm×158 mm，在纵向荷载15.6 kN作用下，承轨台承受纵向剪应力τt为

轨枕采用的混凝土强度等级为C60，容许剪应力为1.75 MPa。承轨台承受纵向剪应力小于容许剪应力，满足设计要求。

3 轨枕开裂原因分析

双块式无砟轨道采用的轨枕为预制轨枕，在预制过程的浇筑、养护、脱模、搬运等环节中，可能会产生内部细小裂缝。虽然在静态无荷载条件下状态完好，但在运营过程中，经列车动荷载、环境温度荷载作用，潜在裂缝会逐渐扩展，严重时挡肩混凝土便会失效。

造成挡肩混凝土开裂的另一重要因素是在钢轨运输、锁定过程中操作不当。铺设无缝线路时，钢轨以500 m为单位长度由长轨条运输车拖卸至道床板承轨台两侧，以及在锁定过程中撞击钢轨，均易造成挡肩混凝土开裂。此外，长轨条焊接、无缝线路应力放散过程中，大型施工机械操作不当也容易对轨枕的挡肩造成撞伤。

4 整治方案

TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中规定，双块式无砟轨道道床伤损等级分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ级。对Ⅰ级伤损应做好记录，对Ⅱ级伤损应列入维修计划并适时进行修补，对Ⅲ级伤损应及时修补[11]。

针对双块式轨枕的裂缝可按照以上不同评定等级进行修补，当修补不能满足要求或裂缝宽度超过0.3 mm 时，须进行双块式轨枕的更换。更换分为单根更换和连续更换，连续更换通过更换道床板实现。

4.1 单根轨枕更换

单根轨枕修补不能满足要求或裂缝宽度超过0.3 mm 时，需对轨枕进行更换。单根双块式轨枕更换按以下工艺施作：①松开扣件，抬升钢轨至一定高度；②受损轨枕切割并取出；③取出轨枕位置的底部开凿至少25 mm深空间；④切断纵横向钢筋，暴露伸至相邻轨枕盒的连接钢筋；⑤混凝土表面凿毛，同时清除钢筋表面锈蚀及轨枕盒内杂物；⑥安置更换的轨枕，确保纵向钢筋间搭接；⑦调整钢轨就位，安装扣件；⑧精调并固定轨排；⑨润湿混凝土裸面，灌注混凝土；⑩混凝土与相邻道床板找平，清理施工现场。

4.2 道床板更换

1)路基和隧道地段道床板更换

对于路基和隧道地段连续3根及以上双块式轨枕修补不能满足要求或裂缝宽度超过0.3 mm时，可成段更换道床板。更换时应注意更换温度与建设施工温度接近。可按以下工艺施作：①采用直径20 mm、长度500 mm的锚固钢筋锚固受损轨枕两侧道床板；②将受损轨枕道床板扣件松开，并对钢轨进行切割；③按道床板厚度切割受损部位道床板至更换部分最后一根轨枕；④将受损道床板与下部基础分离并起吊运走；⑤将相邻道床板混凝土凿至露出纵向钢筋后，对纵向钢筋进行除锈；⑥对道床板及下部基础凿毛，并清理施工现场；⑦根据原设计技术要求布设纵向钢筋；⑧将钢轨调整就位，并安装扣件，精调轨排后固定；⑨支立模板，润湿道床板下部基础混凝土，并将界面剂涂刷在新老混凝土的结合面；⑩根据要求浇筑C40混凝土；刮平混凝土至与相邻道床板齐平，并对施工现场进行清理；对混凝土进行养护，并采用同等级无收缩砂浆填充孔洞；对混凝土进行施工养护，至达到设计强度后恢复线路。

2)桥梁地段道床板更换

对于桥梁地段连续3根及以上双块式轨枕修补不能满足要求或裂缝宽度超过0.3 mm时，可成段更换道床板。道床板更换作业可按以下工艺施作：①将扣件松开，然后将钢轨抬升到一定的高度；②分离道床板与对应底座，将道床板起吊运走；③清理施工现场；④按原设计图纸布设下层钢筋并摆放新轨枕，安装工具轨，形成轨排；⑤架设轨排并用螺杆支撑架固定；⑥按原设计架设上层钢筋；⑦在限位挡台采用涂层钢筋进行绝缘；⑧架立模板，并焊连接地端子；⑨润湿混凝土底座及轨枕，精调轨距，然后进行道床C40混凝土浇筑；⑩拆除螺杆支撑架后，采用同等级无收缩砂浆填充孔洞；对混凝土进行施工养护，至达到设计强度后恢复线路。

5 结论

由于多种因素共同作用，一高速铁路CRTSⅠ 型双块式无砟轨道采用的SK-2型轨枕出现了成段开裂现象，严重影响行车安全。本文依据相关规范，对SK-2型双块式轨枕的混凝土抗压强度、轨枕挡肩混凝土抗剪能力、轨枕承轨台纵向抗剪能力进行受力检算，然后对轨枕开裂原因进行分析，最后结合该高速铁路线路实际情况提出了病害整治方案。主要结论如下：

1)在承受的最不利荷载作用下，SK-2型双块式轨枕的混凝土抗压强度、轨枕挡肩混凝土抗剪能力、轨枕承轨台纵向抗剪能力均满足要求，可见，轨枕的设计满足本线使用要求，建议整治时更换的新轨枕维持原设计，即轨枕采用SK-2型双块式轨枕，厂内预制，图号为通线[2011]2351-Ⅰ。

2)CRTSⅠ型双块式无砟轨道采用的SK-2型轨枕出现开裂现象与工厂制作、施工操作、运营使用等多种因素有关。

3)结合现场实际情况，针对SK-2型双块式轨枕出现裂缝地段提出了整治方案。对裂缝宽度在0.3 mm 以下的裂缝进行修补，当修补不能满足要求或裂缝宽度超过0.3 mm时，采用轨枕更换的方式进行处理，轨枕更换方式分为单根更换和连续更换，连续更换通过更换道床板实现。