无砟轨道路基持续上拱整治技术

张新冈 张千里 蔡德钩 陈锋 李中国 闫宏业 王鹏程

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；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）

近年来高速铁路无砟轨道路基出现了不同程度的上拱病害，上拱高度远远大于轨下垫板调节高度［1］，严重影响轨道平顺性及行车安全。目前成渝高速铁路、武黄高速铁路、武冈高速铁路、成绵乐高速铁路、兰渝高速铁路、兰新高速铁路等均有上拱病害发生，在特殊环境及特殊土条件的影响下兰新高速铁路及成渝高速铁路内江北站附近出现路基持续变形10余处，总长度超过1 700 m，每年上拱量高达40 mm［2-6］。目前高速铁路无砟轨道路基上拱病害整治的方法有切割、换填、拆除重建等［7-9］。其中切割整治主要是切除支撑层混凝土，从而达到降低轨道标高的作用。该方法由于支撑层厚度有限，切割次数受到限制［10］。换填混凝土一般是挖除路基填料后将轨道板标高调整到设计标高后灌注高性能聚合物。该方法适用于路基上拱变形已经稳定，变形不再持续发生的情况［11-12］。以上方法存在的通病是整治完成后一旦再发生路基变形，整治难度将大大增大且费用较高。

对于高速铁路无砟轨道路基持续上拱变形发生的病害情况，目前尚没有有效的方法。本文主要针对高速铁路无砟轨道路基上拱变形持续发生的情况，提出变梯度结构板置换技术，后期维护简单易行，对无砟轨道路基持续上拱变形具有一定应用价值。

1 变梯度结构板整治方案

1.1 方案总述

变梯度结构整治技术方案主要用于解决无砟轨道路基持续上拱，超出轨下垫板调节范围，变形不收敛的问题。该方案在夜间天窗点施工，不影响高速铁路正常运营，主要工序包括破除线间及路肩封闭层、挖除支撑层下基床级配碎石、变梯度结构EPS混凝土板预制，基床表层EPS混凝土预制板置换、恢复封闭结构及后期调整预制板维修。结构横断面如图1所示。

图1 结构横断面示意（单位：m）

1.2 变梯度结构板设计及制作

图2 变梯度结构板示意

变梯度结构板中设贯穿孔洞，孔洞直径从下至上依次递减，如图2所示。变梯度结构板长度和支撑层宽度相同（具体按每条高速铁路支撑层宽度确定），宽度1.5 m，厚度分别为0.15，0.08，0.09，0.06 m，中间孔洞直径为0.15～0.09 m。

变梯度结构板具体施工程序如下：采用定型钢模板，表面平整、整洁及密实，表面涂脱模剂，为保证安装精度，平整度控制在1 mm以内，尽量减小板在预制过程中的翘曲变形；混凝土采用EPS混凝土，减小结构板自重，浇筑时严格控制入模温度，振捣采用平板振捣器；混凝土蒸汽养护21 d，表面喷涂聚氨酯预聚体薄层。

变梯度结构EPS混凝土预制板的优点主要为：①EPS混凝土重量较轻，安装及维修拆装方便；②预制板结构中的圆孔除了能减轻预制板结构重量，还能允许填料膨胀时进行填充，减缓路基上拱速度；③变梯度结构可以很好地从支撑层的刚度逐渐过渡到路基填料刚度，即一次性减弱。

1.3 置换方案实施

首先通过上拱变形的测量数据，确定路基置换及顺坡范围。将路肩及线间封闭层破除，范围与开挖整治范围一致，如图3所示。每个轨道板间设置限位装置，限位装置采用反力墩形式，做好限位装置后再暗挖基床。

图3 破除封闭结构示意（单位：m）

基床暗挖高度为0.6 m，由线间及路肩两侧同时开挖，宽度为1.5 m。采用间隔暗挖，间隔距离为1.5 m，开挖完成后用千斤顶支撑在钢轨正下方。每次天窗点开始时拆除，天窗点完毕时安装，保证白天高速铁路正常运营。置换分2步：①置换第1批1.5 m单元，基床暗挖完成后在基床底部埋设线间排水管道，埋设完成后安装变梯度结构板；②安装完毕后开挖第2批单元，开挖时采用千斤顶设备进行支撑，千斤顶支撑及变梯度结构板安装与第①步相同，如图4所示。

图4 置换结构示意（单位：mm）

整治范围内全部挖空后，对轨道结构进行落道调整，采用全站仪及安伯格轨检小车对高程和平面位置进行精确调整，逐根轨枕进行测量，通过支撑层下千斤顶调整轨道高程，直至满足设计要求。轨道标高调整至预定高程后，利用反力墩提供横向反力进行轨道平面位置调整，采用顶推装置对支承层施加横向推力，并实时监测，逐步使轨道板恢复到目标平面位置。线间砌筑集水井与预埋排水管施工与暗挖同时进行，线间及路基回填采用预制砌块填充，后期调整路基高程时方便快速。线间及路肩封闭结构采用防水混凝土罩面，线间通过集水井排水，路肩采用4%坡度进行排水，如图5所示。

图5 恢复后单线结构示意（单位：mm）

1.4 维修方案

整治完成后路基上拱持续发生，首先调节轨下垫板，超出轨下垫板调整范围时，再调整支撑层下预制板数量及厚度。具体方法如下：首先破除防水混凝土，然后取出路肩及线间预制砌块，用千斤顶顶起支撑层，抽出变梯度结构板调整至设计标高，最后恢复线间及路肩封闭层。

2 变梯度结构板有限元分析

2.1 模型参数确定

变梯度结构板几何尺寸为：1.7 m×1.5 m×0.15 m，板中间均匀布设4×4个变梯度孔，内部孔洞孔径由上而下依次递增，从0.1 m至0.2 m，梯度为0.67。变梯度结构板中混凝土弹性模量和泊松比按照GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》［13］取值，所受荷载按 TB 10621—2014《高速铁路设计规范》［14］取值。以CRTSⅠ型板式无砟轨道为例，具体参数见表1。

表1 材料力学性能指标及荷载参数

通过有限元软件建立变梯度结构板实体模型，分析其应力、变形及不同厚度时的应力集中。网格类型采用实体网格，节点总数为28 974，单元总数为17 538。

2.2 应力及变形分析

变梯度结构竖向载应力分布见图6，图中压应力为正。可知，最大应力为349 Pa，最小应力为8.143 Pa，板中应力较大，随着向四周扩散应力逐渐减小，满足EPS混凝土强度要求。

变梯度结构板竖向应变分布见图7。可知，最大变形为8.581×10-8mm，变形量由板中向四周逐渐增加，板中变形量很小，满足行车要求。

图7 竖向应变云图（单位：mm）

2.3 应力集中分析

取不同厚度的变梯度结构板分析板中孔洞应力集中问题，取变梯度孔1/4进行应力和变形分析，应力分布见图8。可知，6 mm厚的预制板应力最大，最大应力为8 358 Pa，变形不足1 mm，满足EPS混凝土强度要求。

图8 孔板应力集中应力和变形云图

3 结论

1）该整治技术可应用于无砟轨道路基上拱变形不收敛情况下，通过天窗点时间进行置换，后期调整简单易行，在不影响列车运行的同时，还可有效避免对不收敛区段反复整治，通过简单的天窗维修即可改善轨道平顺性。

2）变梯度结构孔洞设计可实现路基结构从上至下强度依次递减，同时，变结构梯度板中的圆孔可以在路基填料膨胀时进行填充，以有效减缓路基上拱变形的速率。

3）通过数值计算得到变梯度结构板最大应力为349 Pa，最大变形为8.581×10-8mm。对计算不同厚度预制板应力集中问题进行分析，得出厚6 mm时预制板应力最大，最大应为8 358 Pa，满足强度要求。