浅谈无砟轨道板胀拱变形形态及其影响因素

钱金龙 田骊玮 王楷焘 马驭荣 何颖

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

无砟轨道结构采纳了混合料整体基础替代散粒碎石道床的轨道结构，比较于有砟轨道，无砟轨道在一定程度上有效避免了道砟飞溅的产生，具备高平顺性、高稳定性、高耐久性、低维修率等优势，已在我国京沪、沪杭、宁杭等多条高速铁路线路中大规模运用。从目前运营状况来看，无砟轨道整体使用情况较好，但其在列车荷载和温度等因素的循环作用下，出现了较为普遍的胀拱变形现象，严重影响轨道结构的稳定性和旅客乘车的舒适性，也严重影响了列车高速通行的安全性。

1 板式无砟轨道总体要求

CRTS型板式无砟轨道相比较于CRTS型双块式无砟轨道而言，其无砟轨道的轨枕在预制厂内便已通过混凝土连接，施工现场利用精调设备调整轨道板的架设位置后，只需向轨道板下方灌注CA砂浆即可完工，从而降低了施工和管理难度，提高了工作效率。

1.1 CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式无砟轨道组成

CRTSⅠ型板式无砟轨道由混凝土凸形挡台及底座板、CA砂浆、预制轨道板、扣件、钢轨等组成。具有轨道较为轻便，节约建筑材料，施工简单快速，且减震效果好的特点。

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构是由防冻层、混凝土支承层、CA砂浆层、轨道板、扣件、钢轨等组成。CRTSⅡ型板要求板间连接度高，使其板端不易变形，提高了列车通行的平稳度流畅度，具有较高的行车舒适度。

1.2 CRTSⅠ型板式无砟轨道和CRTSⅡ型板式无砟轨道的区别

1）技术特点、制造施工：Ⅰ型板式轨道结构高度低，道床宽度小。在不降低轨道板承受列车荷载的有效强度范围之内减少了钢筋混凝土料的使用量，降低了二次造价，施工相对简便快捷；Ⅱ型板式结构为横向预应力结构，轨道板具有唯一性。工地测量工作量较小，钢轨调整工作量低，施工速度快。

2）对CA砂浆要求不同，两类轨道板对CA砂浆要求区别类型见表1。

表1 两类轨道板对CA砂浆要求区别类型表

序号 项目 单位1拌合物温度 ℃2流动度 s 3含气量 %4弹性模量 MPa 5膨胀率 %6表现密度 Kg m-3 7抗压强度（1d） MPa 8抗压强度（7d） MPa 9抗压强度（28d）MPa

3）对线下路基、桥梁、隧道等工程设计要求不同。

2 无砟轨道板胀拱变形形态

2.1 受温度影响的无砟轨道板胀拱形态

目前由温度引起的无砟轨道板胀拱具有多种形态，其中主要形成原因是温度荷载引起的轨道板的伸缩及翘曲变形。轨道板胀拱后的形态受轨道板本身自重、应力、轨道板结构、使用时间及热量分布影响而有所不同；夜间轨道板在横向上受热，当轨道板上冷下热时，板上表面发生一定间距的开裂现象；当轨道板上热下冷时，则板下表面呈间距性开裂；轨道板在竖直方向上受热，当轨道板上冷下热时，则轨道板上拱呈“凹字形”；当轨道板上热下冷时，则呈“凸字形”。有时也会呈现单边与中心一同上拱的形态。这种上拱现象会加速层间分离从而造成轨道板更严重的胀拱变形。当无砟轨道在均布温度荷载作用下时，轨道板中心发生膨胀上拱，层间不产生分离现象。

2.2 受平顺性影响的无砟轨道板胀拱形态

无砟轨道板本身的平顺性对胀拱形态也有影响；在温度影响下造成的无砟轨道胀拱常具有波形变化特征，波形的胀拱程度与轨道板本身的平顺性成正比，其中分为有单波形与多波形两种，单波形特征是在一段长距离轨道上只有一到两个严重的明显上拱病害，多波形则有多个明显上拱病害，实验表明每个波峰的间隔约为6.5m左右。此时每块轨道板具有明显的整体上拱趋势。

2.3 受其他因素影响的无砟轨道板形态

轨道板填料膨胀与微生物繁殖也是引起无砟轨道板不规则上拱的重要原因。存在多处无规则的微生物繁殖与板内离子反应沉淀膨胀的位置，会导致轨道板呈现块状多处凹凸不平的胀拱形态。这种不规则的上拱形态主要受当地的气候条件及轨道板本身用料比例的影响。若是微生物繁殖则可能造成层间断裂，若为沉淀膨胀一般不会发生层间断裂。轨道板上拱形态及其成因的多样性使得无砟轨道上拱防控与治理变得更加困难。

3 无砟轨道轨道胀拱变形影响因素

3.1 温度荷载

3.1.1 整体温度

《高速铁路无碓轨道线路维修规则（最终稿）》规定，无砟轨道轨道板的最大允许上拱度为8 mm，根据建立有限元模型反复实验得出的数据发现，温度在一定范围内升至最高时，从轨道模型跨中截面开始，底座板会相对梁体产生负方向运动，纵向最大位移可达92 mm，远超于规定的8mm。因此，在持续高温或太阳辐射较强的地区，轨道板会产生较大的胀拱变形的危害。通过观测上海8月份高温下某客运专线的CRTSⅡ型板式无砟轨道结构的温度数据，综合实验结果，得出结论：高温的持续时间和板温成正比，和气温温差成正比，和轨道板与底座板与钢轨的相对位移存在明显的线性关系。而当温度达到某临界温度时，轨道板板端处会出现上拱现象，并由板端向板中扩散，使轨道板发生翘曲位移现象，以至于挤碎连接处宽窄接缝结构，甚至导致轨道板与砂浆层因粘结失效而分离，从而形成离缝病害，增加行车风险。

3.1.2 温度梯度

实验小组利用Ansys有限元软件进行模拟计算时发现，因为CRESⅡ型轨道板为钢筋混凝土结构，有着明显滞后的传热性能，容易在轨道板纵向方向上形成不均匀的温度梯度，而这种温度梯度会导致离缝的产生，最终导致轨道板翘曲变形。并且，该变形会随着温度梯度值的增大不断扩大。接着通过分析无砟轨道在温度作用下的扰度曲线，发现轨道板不论在晴天时处于正温度梯度的白天高温时段，还是在阴雨天处于负温度梯度的夜间低温时段，都容易产生翘曲变形。

3.2 宽窄接缝

轨道板宽窄接缝处损伤可大致分为宽窄接缝处混凝土弹性模量与轨道板处混凝土弹性模量不同、宽接缝和窄接缝两处混凝土弹性模量不同、窄接缝处破坏和宽窄接缝界面损伤四种工况。当宽窄接缝处混凝土弹性模量与轨道板处混凝土弹性模量之比不断降低，即宽窄接缝整体损伤越来越严重时，轨道板位移量不断增大。且当弹性模量之比小于五分之一时，上拱矢度与上表面应力均达到最大值。此时的应力未超过轨道板强度，轨道板断裂的风险较小。当窄接缝独自发生破损弹性模量不断降低后，轨道板将呈现带尖角状的波形，随着损伤程度不断增大，波形愈加明显，由于放大效应对轨道板的影响，导致无砟轨道两块轨道板交界处受窄接缝破坏损伤影响最大，窄接缝自下而上损伤长度与板中（两板交界处）垂向位移呈正比，轨道板竖向最大上拱位移可达6mm。此外宽窄接缝损伤会大幅度降低无砟轨道的工况，轨道许可最大升温随着宽窄接缝破坏相差可达50°C。

3.3 脱空长度

在理论理想情况下，轨道板支承层之间紧密贴合，共同受力，各层之间不存在离缝，轨道板完全处于支撑状态。然而由于轨道结构构件在材料、力学特性等方面的差异，轨道力学性能改变，这种现象就是轨道板脱空现象。

根据运营实际调研资料可知，轨道板脱空病害常出现在轨道板的末端和中间位置。通过研究发现，当板端出现脱空病害时，横向位移随着支承层脱空长度的增加而呈现增长趋势，当脱空长度处于1～3个扣件间距时横向变形位移增长速度明显。由于轨道板的横向正负位移大小近似，说明板端出现脱空病害对轨道板横向变形影响较小。脱空长度增加时，垂向负位移呈现增长趋势，垂向正位移几乎不产生变化。当脱空长度处于3～9个扣件间距时，垂向负位移增长速度较快。综上所述，可以看出，支承层脱空对轨道板下沉位移的影响最为明显，容易诱发轨道板表面出现开裂，并危害轨道结构正常使用。当板边出现脱空病害时，横向正位移增长幅度是横向负位移增长幅度的1.5倍左右，可见轨道板下支承层出现板边脱空易导致横向位移的不均匀变化，对轨道板横向稳定性存在不利影响。在垂向位移方面，板边脱空的作用导致只产生垂向负位移，即轨道板在垂直方向上受压变形。从整体来看，轨道板边缘脱空长度对轨道板垂向变形有显著影响。

3.4 轨道板厚度

通过采用有限元方法研究了轨道板厚度对轨道板受力的影响。在轨道板厚度增加的同时，轨道板的纵向弯矩随之增大，而边应力则随着板截面的增加而减小。除此之外，随着轨道板厚度的增加，路基表面压应力变化不明显，但轨道板弯曲刚度呈正比增加。从变形位移方面来看，最大位移点由轨下部位逐渐移至轨道板边角处，由此可知，适当增加轨道板厚度对轨道板垂向变形有良好的控制作用，但应注意防止出现轨道板端出现翘曲变形病害。

3.5 路基不均匀沉降

路基是轨道系统的底部结构，是轨道以及路面的基础。由于不同地区路基承受荷载大小，所处土方性质和水分分布以及施工工艺的差异，会导致无砟轨道路基产生差别性沉降，在路基不均布沉降作用下，轨道板以及其他轨道结构会在自身重力作用下产生具有一定跟随性的垂向变形，变形曲线与沉降曲线相似但不重合。CRTSⅠ型板式无砟轨道轨道板在接缝处的约束作用力较小，轨道板与砂浆层、底座板黏结较牢，轨道板会因底座板发生变形而产生跟随性沉降，其最大竖向位移可达到路基沉降幅值的90%以上。而CRTSⅡ型板式无砟轨道是整体连续结构，整体约束作用效果相对于CRTSⅠ板式无砟轨道较强，跟随性相对较弱，轨道板最大竖向位移仅达到沉降幅值的60%左右。

4 结语

无砟轨道作为当今世界先进的轨道技术，取代了过去的散粒碎石道床轨道结构，提升了轨道运输的安全性，稳定性以及其运输速度，在我国的轨道运输方面具有不可估量的价值。而无砟轨道板作为无砟轨道的重要组成部分，其变化无疑会影响无砟轨道整体的运输效率及寿命。因此，了解无渣轨道板变形造成的影响及其成因，以及推进对无砟轨道板养护方法和变形治理的研究都具有非常重要的意义。