高速铁路变形可调板式无砟轨道结构研究

刘伟斌

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

截至2020年底，中国高速铁路运营里程达到3.79万km，其中采用无砟轨道的高速铁路约2.2万km。运营实践表明，中国高速铁路无砟轨道线路运营状态总体良好，但在一些线路部分区段出现了一定程度的病害，线下基础变形引起的轨道几何形位超限是主要病害之一。目前主要采用特殊扣件系统调整、注浆抬升、切割无砟道床等措施进行整治。工程实践表明，当线下基础变形较大时整治时间较长，成本较高，且影响线路正常运营。因此，亟待进一步提升无砟轨道的变形调整能力，以降低相关病害整治时间及整治成本。

本文在分析国内外无砟轨道变形调整技术的基础上，结合中国高速铁路无砟轨道大量实践经验，提出一种变形调整能力较强的板式无砟轨道结构。

1 国外高速铁路无砟轨道变形调整技术

1.1 日本新干线板式轨道

日本铁道综合技术研究所等单位研发了板式轨道结构，研发时遵循4项设计原则，其中之一为板式轨道能够在一定程度上校正线下基础变形引起的轨道几何形位超限。

新干线板式轨道主要通过以下技术措施应对线下基础变形［1］：①通过扣件系统进行调整，基于扣件的高低、左右调整能力对轨道几何形位超限处进行整治。②利用水泥乳化沥青砂浆层厚度进行调整，通过抬升轨道板并重新灌注新的砂浆层实现轨道几何形位超限整治。新灌注的砂浆材料具有早强特性，必须在维修后数小时内允许通行列车。③采用水平移动轨道板的方式调整轨道几何形位，将凸形挡台周围填充层清除后，利用相关设备顶推轨道板到设定位置，重新灌注填充层。④根据线下基础变形发展情况隧底结构采取注浆、增设锚杆等加强措施。

1.2 德国无砟轨道

德国相关研究人员认为应首先确认线下基础变形收敛后再铺设无砟轨道，运营期线下基础变形较小，可通过扣件系统进行轨道几何形位调整。但在运营阶段也出现了路基沉降变形引起的轨道几何超限等病害［2-3］。

科隆—莱茵高速铁路一路桥过渡段开通运营后，在约45 m路堤区段出现了持续沉降变形。自2002年开通运营到2005年路基最大沉降变形约70 mm，引起了轨道平顺性超限，通过无砟轨道扣件系统对轨道几何形位进行了整治。科隆—法兰克福高速铁路两个区段路堤在开通运营后也出现了沉降变形，最大沉降变形分别为44、53 mm。通过扣件系统无法进行调整，采用在道床板与支承层间注入聚氨酯材料进行轨道几何形位调整。

德国高速铁路开通运营后出现的线下基础变形主要表现为路基地段沉降，形式较为单一。由于其采用的Rheda型无砟轨道不具备变形调整能力，只能通过扣件系统或层间注入高分子材料进行轨道几何形位整治。

1.3 奥地利无砟轨道

奥地利联邦铁路公司等单位研发的板式无砟轨道结构，除扣件系统具有变形调整能力外，还在轨道板底部设置弹性层将轨道板与下部自密实混凝土隔离。当线下基础出现较大变形时，将轨道板抬起并灌注具有早强性能的砂浆材料进行轨道几何形位调整［4］。近年来，奥地利、德国、英国等国家多条高速铁路采用了该型板式无砟轨道。

2 中国无砟轨道变形调整技术

中国高速铁路无砟轨道应用规模大，受线路沿线不良地质、复杂气候、质量控制等因素影响，开通运营后线下基础出现了沉降、上拱、偏移等病害。针对基础变形等引起的轨道几何形位超限问题，研究提出相应的整治措施。

线下基础变形量超出扣件调整范围时采取路基注浆抬升、无砟道床横向顶推纠偏、切割无砟道床支承层或道床板、梁体抬升等［5-7］技术措施进行整治。具体方法如下：

1）线下基础出现较大沉降时，通过在路基级配碎石层中注入高聚物材料实现轨道结构抬升，或将无砟轨道结构抬升后形成的空隙填充饱满，以恢复线路平顺性。当桥梁地段出现较大差异沉降变形时，通过调整梁体支座高度进行整治。

2）无砟轨道出现较大偏移时，通过将上部无砟轨道结构与下部基础结构分离，利用反力装置和设备横向顶推无砟轨道至设计位置实现纠偏。

3）线下基础出现较大上拱时，采取切割支承层或道床板、暗挖路基基床表层等措施降低轨道标高至设计位置，并采用聚合物水泥砂浆对切割或暗挖后形成的间隙进行填充。

总体来看，中国高速铁路无砟轨道基础变形表现形式多样，通过无砟道床调整轨道几何形位超限时整治时间较长，成本较高，且影响线路正常运营。个别病害严重地段还采取了重新铺设无砟轨道或更换为有砟轨道等整治措施。

3 变形可调板式无砟轨道结构

国内外高速铁路无砟轨道实践表明，在长期运营过程中线下基础变形难以避免，且随着时间增长变形可能持续发展，有必要进一步提升无砟轨道应对线下基础较大变形的能力。

3.1 结构设计

变形可调板式无砟轨道应满足结构安全性、稳定性、耐久性等要求，基于日本新干线板式轨道、奥地利板式无砟轨道以及中国CRTSⅠ型、Ⅲ型板式无砟轨道建设及运营经验［8］，提出了变形可调板式无砟轨道结构，如图1所示。

图1 变形可调板式无砟轨道结构

变形可调板式无砟轨道结构主要由钢轨、扣件、预制轨道板、限位孔周边弹性缓冲垫层、板底高低调整层、预制底座、限位结构、现浇自密实混凝土层等组成。该无砟轨道结构主要部件的功能及具体设计如下。

1）预制轨道板

轨道板可采用预应力结构或钢筋混凝土结构，板宽2.5 m，板厚0.2 m。考虑轨道板高低调整便利，板长宜在3～5 m。每块轨道板设置2个限位孔。轨道板制造时在限位孔四周粘贴具有变形调整功能的弹性缓冲垫层，板底设置高低调整层。

2）预制底座及限位结构

CRTSⅢ型板式无砟轨道结构已经在中国高速铁路建设中大规模应用，具有丰富的建设及运营经验。CRTSⅢ型板式无砟轨道中预制轨道板底预埋门形钢筋与后浇筑的自密实混凝土形成整体式复合板结构，实现协同受力、协同变形［9］。本文提出的变形可调板式无砟轨道结构借鉴复合板理念，将底座的一部分进行预制，并在预制底座底部预埋门形钢筋加强连接，简化了现场钢筋骨架绑扎工序，提高了施工效率。

CRTSⅠ型板式无砟轨道在大跨度梁端的半圆形凸形挡台容易出现拉裂现象，为保证限位结构的可靠性采用了双孔限位方式。考虑到水平调整时限位孔周围弹性缓冲垫层厚度需要保持一致，采用方形凸台进行结构限位。

预制底座及限位结构混凝土强度等级为C40，预制底座厚度为80 mm。

3）高低调整层

中国高速铁路部分地段出现较为严重的上拱变形，通过降低轨面高程进行轨道几何形位超限整治效率较高。根据相关病害整治经验，上拱变形较大时须通过无砟轨道进一步降低轨面高程。本结构在轨道板与底座间预设高低调整层，当出现较大上拱变形时将部分调整层取出。高低调整层选用橡塑材料，总厚度为35 mm，可实现高低调整量100 mm。

4）弹性缓冲垫层

结合CRTSⅠ型板式无砟轨道凸台周围树脂使用经验及日本新干线板式轨道运营期变形调整经验，本结构中将弹性缓冲垫层厚度设置为45 mm，可实现水平调整量40 mm。

5）现浇自密实混凝土层

自密实混凝土强度等级为C40，直线地段厚度为120 mm，与预制的80 mm厚底座共同形成无砟轨道复合底座结构。中国高速铁路桥梁、隧道地段无砟轨道底座厚度为200 mm，本文提出的变形可调板式无砟轨道的复合底座厚度与其保持一致。

该无砟轨道结构的主要技术特点：①预制轨道板、弹性缓冲垫层、高低调整层、预制底座、限位结构等主要受力部件及连接部件均在工厂内预制，装配后运输至施工现场，施工效率高；②采用单元、层状结构，受温度变化影响较小；③轨道板与底座之间设置调整层，运营阶段线下基础产生较大沉降或上拱变形时可快速维修；④预制底座设置外露门形钢筋，在施工过程中通过现浇自密实混凝土与线下基础连接形成整体结构；⑤线下基础施工误差以及曲线超高通过现浇自密实混凝土层来实现调整。

3.2 线下基础变形时无砟轨道调整技术

1）轨面高程调高技术

变形可调板式无砟轨道具有轨面高程调整能力，当线下基础出现较大沉降且扣件系统调整能力不足以满足现场需求时，参考奥地利板式无砟轨道及新干线板式轨道变形调整技术，通过抬升轨道板并在板下注入聚合物水泥砂浆的方式进行调整。

关于轨道板抬起后注入的聚合物水泥砂浆性能，Q/CR 659—2018《高速铁路混凝土结构用修补砂浆》中提出了CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层缺损修复或更换用聚合物水泥砂浆的技术要求。考虑到本结构中聚合物砂浆须与底座黏结共同受力、协同变形，且须在运营线天窗维修，故采用CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层缺损修复或更换用聚合物水泥砂浆，即在运营线天窗维修时聚合物水泥砂浆2 h抗压强度不应低于5.0 MPa，抗折强度不应低于1.0 MPa。

2）轨面高程调低技术

当线下基础出现较大上拱变形且扣件系统调整能力不足以满足现场需求时，将轨道板下橡塑垫层抽出。考虑到橡塑垫层抽出的便利性，将橡塑垫层设计为分块式，同时采用树脂砂浆将弹性缓冲垫层与限位结构间的间隙进行填充。

3）水平变形调整技术

日本新干线板式轨道水平向轨道几何形位超限难以通过扣件进行调整时，采用横向移动轨道板的方式进行调整，即将凸形挡台周围树脂清除，待轨道板顶推到设定位置后重新灌注挡台周围树脂。

结合CRTSⅢ型板式、双块式无砟轨道限位凹槽处弹性缓冲垫层工程实践经验，将三元乙丙橡胶弹性缓冲垫层分为3层，在轨道板制造完成后粘贴在限位孔侧面，现场进行水平调整时根据需要取出1层或2层弹性缓冲垫层，水平移动轨道板至设定位置。根据Q/CR 659—2018，在运营线天窗维修时树脂砂浆2 h抗压强度不应低于15.0 MPa，抗折强度不应低于5.0 MPa。

需要指出的是，整治线下基础上拱变形时也可以抬升相邻非上拱区段轨道板，上拱区段通过扣件将轨面高程降低一定程度，即采取“削峰、填谷”相结合的方式进行综合整治。轨道板抬升量需要结合基础变形的范围、幅值以及线路的顺坡长度具体计算。

4 结论

1）日本新干线板式轨道主要采取扣件系统调整、水泥沥青砂浆层厚度调整、轨道板水平移动等技术应对不同程度线下基础变形。总体来看，新干线板式轨道适应线下基础变形的能力较强，整治效率较高，对线路正常运营干扰较小。

2）德国高速铁路线下基础变形主要表现为路基、路桥过渡段沉降。其轨道几何形位超限主要通过扣件系统进行调整或在道床板与支承层间注入聚氨酯材料进行整治。

3）奥地利联邦铁路公司研发的板式无砟轨道可较好应对线下基础出现较大变形的情况，轨道板抬起后通过在板下灌注具有早强性能的砂浆进行变形调整。

4）中国高速铁路无砟轨道几何形位超限采用扣件系统调整、切割道床板、路基注浆抬升、梁体抬升等方法整治，局部病害严重地段采取重新铺设无砟轨道或更换为有砟轨道等措施整治。

5）基于国内外板式无砟轨道建设及运营经验，提出了高速铁路变形可调板式无砟轨道结构。通过减薄轨道板下调整层或灌注聚合物水泥砂浆实现轨道高低调整，通过移动轨道板并改变限位孔周边弹性缓冲垫层厚度实现轨道水平调整。高低调整量可达100 mm，水平调整量可达40 mm。