CRTSⅠ型板式无砟轨道凸形挡台病害整治方案

2021-05-09苏雅拉图

铁道建筑 2021年4期

苏雅拉图

（中铁三局集团有限公司，太原 030001）

凸形挡台是CRTSⅠ型板式无砟轨道的限位结构，主要功能是限制轨道板的纵向和横向位移，保证轨道结构稳定性，承受温度力、轨道横向阻力、轮轨横向力、制动力、牵引力等水平荷载［1]。凸形挡台设置于底座板两端的中间，在桥梁端部为半圆形，在梁体中部为圆形。与普通CRTSⅠ型板式无砟轨道相比，连续梁桥段铺设的CRTSⅠ型框架板式无砟轨道自重较小，与下部结构接触面较小，影响了轨道板向底座板传递荷载，致使大部分荷载集中在凸形挡台上。梁端处的半圆形凸形挡台承载力较其他位置的圆形凸形挡台有较大削减，因此成了无砟轨道结构受力的薄弱环节，也是结构损伤较为集中的部位，影响轨道系统稳定性和列车安全运营［2-3]。

在运营过程中，我国CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端凸形挡台的主要损伤类型有凸形挡台周围填充树脂离缝分离、梁端凸形挡台开裂、凸形挡台与底座板连接处拉裂等。任勃等［4]通过理论分析得出扣件纵向阻力是梁端凸形挡台剪切破坏的主要影响因素，桥梁温度跨度、桥墩线刚度对凸形挡台纵向受力影响很小。王彪等［5]通过建立连续梁桥凸形挡台模型分析了伸缩、挠曲和制动工况下凸形挡台的受力特征，结果表明，伸缩和制动工况下连续梁桥凸形挡台受力最大值分别产生在离连续梁固定支座距离最远的活动端附近和连续梁桥跨中，挠曲工况下凸形挡台受力较小。柴文博等［6]从改变凸形挡台尺寸及其周围填充材料参数的角度分析了凸形挡台受力情况。谢铠泽等［7]基于线-板-桥-墩一体化有限元模型，发现梁端凸形挡台与底座板连接处拉裂、树脂大离缝等病害成因是扣件纵向阻力过大以及树脂层的强度未达到设计强度，钢轨与桥梁温度变化使凸形挡台周围树脂层受力过大。何建平［8]通过进行不同形式连续梁在升降温情况下道床板端及钢轨纵向应力理论计算并配合现场实测，给出连续梁上CRTSⅠ型双块式无砟轨道的重点养护维修部位建议。苏乾坤等［9]建立CRTSⅠ型板式轨道力学模型分析桥梁路段凸形挡台周围树脂层受力，结果表明梁端转角和列车振动荷载会使树脂离缝进一步发展，较大扣件纵向阻力会导致轨道板下表面与树脂层接触处发生剪切破坏。

既有凸形挡台病害研究多以其成因及发展规律的理论分析为切入点，较少从养护维修实践角度进行论述。本文以实际工程为依托，总结分析CRTSⅠ型板式无砟轨道梁端半圆形凸形挡台病害成因，制定针对性整治方案，以期对新建高速铁路设计、施工及既有高速铁路养护维修工作提供参考。

1 工程概况

广珠（广州—珠海）城际铁路ZH-1 标段自广州南站起，至小榄站止。正线主要铺设CRTSⅠ型板式无砟轨道，全线为跨区间无缝线路。

ZH-1 标段内共有连续梁32 联，其中单线连续梁2联，双线连续梁30联。桥上铺设CRTSⅠ型框架板式无砟轨道（图1），由钢轨、弹性分开式扣件、轨道板、CA 砂浆层、混凝土底座板、凸形挡台及其周围填充树脂等组成。钢轨采用60 kg/m 标准新钢轨，100 m 定尺长，无螺栓孔。扣件采用WJ-7B 型扣件，配置X2 型弹条和复合垫板，扣件垫板静刚度为20 ～30 kN/mm，扣件系统节点静刚度为35 kN/mm，每组扣件扣压力大于12 kN，钢轨纵向阻力4 kN。轨道板采用钢筋混凝土框架板，宽2400 mm，厚190 mm，板缝间距一般为70 ～90 mm。轨道板下设CA 砂浆层，设计厚度50 mm。底座板和凸形挡台采用C40 混凝土。混凝土底座板宽2800 mm，高260 mm；每隔1个板单元设1个横向伸缩缝，伸缩缝对应凸形挡台中心位置，并按行车方向向前绕过凸形挡台；伸缩缝宽20 mm，缝中心用泡沫塑料板或泡沫橡胶板填缝，采用聚氨酯或沥青软膏密封。梁端采用半圆形凸形挡台，其他位置采用圆形凸形挡台；凸形挡台直径520 mm，高250 mm；周围填充树脂材料，设计厚度40 mm。

2 病害情况调研及分析

2.1 病害类型及分布

广珠城际铁路ZH-1标段开通运营后，桥上大跨度梁端出现了不同程度的损伤病害。2018年7月—9月，采用目测、尺量等手段排查了连续梁122 处梁端半圆形凸形挡台的外观、填充树脂、CA 砂浆层、凸形挡台与底座板连接处。检查发现主要病害类型包括凸形挡台断裂、凸形挡台与填充树脂之间离缝、CA 砂浆层断裂窜出、凸形挡台与底座板连接处混凝土裂缝，如图2所示。

图2 梁端凸形挡台病害类型

1）外观

1处凸形挡台外侧有掉角；1处特大桥墩处凸形挡台顶面存在18 cm 长、2 mm 宽的裂缝，且凸形挡台外侧有掉块；其余120 处凸形挡台顶面及侧面无裂缝等缺陷。

2）填充树脂

77处凸形挡台与填充树脂之间有离缝，其中41处缝宽在5 mm 以内，21 处缝宽6 ～10 mm，8 处缝宽11 ～18 mm，4 处缝宽20 mm，2 处缝宽30 mm，1 处缝宽35 mm。其余45处凸形挡台与填充树脂之间无离缝。

3）CA砂浆层

1 处凸形挡台的CA 砂浆层断裂，缝宽7 cm；14 处凸形挡台的CA 砂浆层移动窜出，其中8 处移动5 cm以内，6 处移动8 ～12 cm。其余108 处凸形挡台的CA砂浆层完好无损。

4）凸形挡台与底座板连接处混凝土

70 处凸形挡台与底座板连接处混凝土有裂缝，均为从凸形挡台两侧根部与底座板连接处沿底座板呈八字形开裂。其中7 处为细微裂纹（裂纹宽度小于0.1 mm），27处裂纹宽度为0.1 ～1.0 mm，25处裂纹宽度为1.5～3.0 mm，11 处裂纹宽度为5.0 ～20.0 mm。其余52处凸形挡台与底座板连接处混凝土无裂缝。

2.2 成因分析及改进措施

2.2.1 设计方面

广珠城际铁路设计时采用小编组、轻荷载，桥梁结构轻盈，桥梁墩台线刚度低于客运专线。该线路设计列车类型为动车组，最大轴重小于等于15 t，桥梁结构设计检算采用的设计活载为0.6UIC。根据设计，编组形式初期为6辆编组（4动2拖），列车长度为158 m；编组形式远期为9辆编组，列车长度约240 m。而实际运营中该线路上有大编组动车运行（长度约420 m），所产生的列车制动和牵引附加力高于设计值，钢轨、轨道板和桥梁之间的相对位移随之增加，而扣件、凸形挡台、CA 砂浆层等的阻力作用致使钢轨、轨道板、凸形挡台等结构产生的变形量增大。

同时该线路大部分连续梁位于大坡道地段，对框架板式无砟轨道结构影响较大，受温度伸缩和梁端转角的影响，大坡道地段梁端扣件的上拔力比小坡道的大甚至可能超过扣件上拔力容许值，同时凸形挡台与轨道板之间的受力点发生位移而产生偏心，致使梁缝处出现错台。当桥梁收缩时，轨道板与CA 砂浆层之间的摩擦力降低，凸形挡台受力增大。

针对上述问题，在设计时可作如下改进：

1）为了提高轨道板、CA 砂浆层及底座板之间的摩擦力，减轻凸形挡台所受承载力，建议在连续梁上采用自重更大的CRTSⅠ型预应力普通轨道板，以增加轨道板自重及与底座板的接触面积；或在梁段第一块轨道板对应的底座板上（即轨道板框架内两端）增加2个异形挡台。

2）在大跨度连续梁两端设置伸缩调节器，解决梁端梁轨相对位移较大的问题。

2.2.2 施工方面

凸台断裂与施工环境及施工质量控制有关。广珠城际铁路无砟轨道结构于2010年5月开工，6月10日线上施工底座板，8月7日完成无砟轨道施工，2011年1月开通运营。无砟轨道施工期间正值广东珠三角地区温度较高时段，连续梁处于热胀状态。根据凸形挡台拉裂机理，判断为最不利施工时间段。

根据现场实测，出现断裂的梁端凸形挡台钢筋数量、长度及布置与设计要求存在一定差异，主要表现在，由于凸形挡台竖向钢筋绑扎位置偏差大，影响模板安装或保护层厚度不够，工人将个别钢筋截断或随意弯曲；存在底座板顶面没有凿毛、混凝土保护层厚度较大等情况，使凸形挡台的抗弯、抗剪能力降低，导致凸形挡台从钢筋顶部断裂。

建议施工时进行如下改进：

1）夏季连续梁底座板混凝土浇筑及轨道板铺设选择夜间温度相对较低的环境下施工。

2）采用底座板与凸形挡台一次浇筑的工艺。

3）加强施工工序质量控制，对测量放样、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑、扣件安装与紧固等工序加强管控。

2.2.3 结构方面

凸形挡台开裂、CA 砂浆层窜出断裂、填充树脂离缝等与扣件生锈老化而失去小阻力功效有关。无砟轨道底座板通过桥上预留的连接钢筋与桥梁固结在一起。在夏季高温下，梁体活动端膨胀延伸，带动底座板与凸形挡台一起移动。桥梁端部铺设的小阻力扣件生锈老化而失去小阻力功效，致使纵向阻力增大，轨道板的纵向位移也随之增加，从而导致填充树脂的压缩量增加。冬季气温降低，连续梁降温回缩，带动底座板一起回移，填充树脂的压力得到释放。填充树脂被压缩期间在列车荷载作用下产生的压缩量过大，超出其弹性范围而产生了塑性变形，不能够完全恢复原状，导致轨道板和填充树脂之间产生了离缝［9]。

冬季气温降低时，轨道板受上部钢轨和扣件限制，阻止无砟轨道底座板及凸形挡台向固定支座移动，使凸形挡台承受向外的挤压荷载，并传递给底座板。当挤压荷载超出设计荷载最大值时，凸形挡台与底座板连接处的混凝土开裂。荷载传递如图3所示。

图3 凸形挡台与底座板连接处荷载传递示意

轨道板纵向移动过程中，对部分CA 砂浆层施加水平荷载，致使砂浆层断裂。在反复摩擦推动作用下，砂浆层逐渐窜出。

在线路养护维修时，建议对大跨度连续梁范围内的小阻力扣件进行重点检查，发现轨下复合垫板损坏窜出等现象应及时更换，同时对钢轨底部采取除锈抹油等措施。

3 病害整治措施

3.1 伤损等级判定

根据铁运〔2012〕83 号《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》，无砟道床伤损等级分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三级。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。高速铁路CRTSⅠ型板式无砟道床凸形挡台伤损形式及伤损等级判定标准见表1。如凸形挡台和底座板混凝土出现掉块、缺损或封端，CA 砂浆层出现掉块、缺损或剥落，填充树脂出现缺损，应适时修补。

表1 凸形挡台伤损形式及等级判定标准 mm

根据ZH-1 标段连续梁122 处梁端半圆形凸形挡台损伤排查结果可知，该标段在养护维修前大跨梁端凸形挡台伤损为Ⅲ级，伤损较为严重。

3.2 总体整治方案

根据铁运〔2012〕83 号制定总体整治方案。按施工流程，主要整治项目包括：钢轨及扣件处理或更换新型小阻力扣件；轨道板离缝注浆或更换轨道板下CA 砂浆；框架板中心植筋并浇筑混凝土；框架板中心混凝土与轨道板之间浇筑填充树脂；底座板裂纹注胶修复或凿除凸形挡台及底座板伤损混凝土并重新浇筑；凸形挡台周边填充树脂重新浇筑。

3.3 伤损整治工艺

根据现场损伤严重程度及原因分析，确定具体的整治工艺。

1）钢轨及扣件处理或更换新型小阻力扣件

若不更换新型小阻力扣件，对钢轨及扣件进行如下处理：拆除梁端轨道板及前后各1 块轨道板上的钢轨扣件，对轨底上下边进行除锈、涂油，对新更换的复合垫板不锈钢面涂油，重新安装扣件到位。

更换新型小阻力扣件时，具体工艺为：拆除旧钢轨扣件，用砂纸打磨钢轨除锈，原位安装新型小阻力扣件。

2）CA砂浆层离缝处理

若CA 砂浆层未破损，可在其与轨道板之间的离缝处进行注胶。修补步骤为：①沿轨道板外侧布设注胶孔并钻孔，沿轨道板周边和框架内进行打磨清理，安装注胶管并封边；②对离缝进行注胶填充；③待注入材料固化后，清除注胶管及封边胶。

若CA 砂浆层已破损，应进行更换。步骤为：①在轨道板周边底座板上植入螺杆或套筒；②用精调爪微抬轨道板，清除板下砂浆；③精调到位后在板周边安装模板和扣压装置；④按比例配制CA 砂浆并灌注入板下；⑤待CA砂浆强度达到1 MPa后，迅速拆除模板。

轨道板与砂浆层之间的离缝填充采用树脂材料，砂浆层更换采用树脂砂浆作为砂浆层修补材料，性能均须满足铁运〔2012〕83号中的相关规定。

3）凸形挡台及底座板伤损处理

当凸形挡台本身无伤损时而底座板存在裂纹时，须对底座板裂纹进行修补。步骤为：①正对底座板裂纹钻孔，每侧不小于1 个；②打磨裂纹周边，清理干净后安装注胶管并封边；③对裂纹进行注胶填充；④清除注胶管及封边胶。

当凸形挡台断裂破损时，应凿除凸形挡台及底座板伤损混凝土并重新浇筑。步骤为：①彻底凿除凸形挡台混凝土；②凿除底座板端部开裂混凝土，并向梁中方向延伸，将松动石子以及软弱混凝土层凿除干净，使混凝土露出新面，形成规整的新旧混凝连接面；③对钢筋进行检查，调整钢筋位置，对长度不足的钢筋通过焊接延长，并根据需要补植钢筋，使凸形挡台内钢筋满足设计要求；④安装模板，洒水润湿（或涂刷界面剂）后按比例配制混凝土并进行浇筑；⑤待混凝土强度达到30 MPa后进行打磨清理。

4）凸形挡台周围填充树脂伤损修补

修补步骤为：①拆除原凸形挡台周边树脂材料灌注袋；②安装下部泡沫板和树脂袋；③按比例配制弹性较好的树脂材料，搅拌均匀后浇筑入树脂袋。

原凸形挡台周围树脂拆除后，采用较之前弹性更好的聚氨酯类材料进行填充。新填充材料的7 d 弹性系数为（4±2）kN/mm，其他性能指标均须满足铁运〔2012〕83号中的相关规定。

3.4 整治效果

广珠城际铁路已于2018年完成梁端凸形挡台伤损整治施工。经过半个月的观测，修复后凸形挡台及底座新旧混凝土界面无开裂，凸形挡台周围填充树脂未出现离缝，CA 砂浆层未断裂和出现离缝，轨下垫板未出现明显位移和串出现象，经过全站仪及轨道几何状态测量仪连续检测，精度满足相关标准要求。经过相关单位和部门的验收合格，恢复了正常运营速度。