CRTSⅡ型板式无砟轨道支承层的病害及整治

章媛，何翔，姜景山

(南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京211167)

0 引言

无砟轨道以其高平顺性、 高稳定性等鲜明技术优势成为世界各国铁路建设的主要形式， 其中CRTSⅡ型板式无砟轨道作为我国自主研发、符合国情的轨道结构形式， 在高速铁路线路中应用较多。 CRTSⅡ型板式无砟轨道在路基段中由钢轨、扣件、轨道板、充填层、支承层等组成，根据地区特点支承层混凝土分为水硬性混合料和低塑性混凝土。 支承层作为无砟轨道的重要构件之一，起承上启下作用， 既可以承受来自轨道板等构件的自重和列车通过时施加的荷载， 又可以将荷载逐层传递分散至下部，既降低轨道板开裂的风险，又对路基本体结构起到保护作用。 随着高速铁路无砟轨道使用年限的增加， 支承层混凝土逐渐出现明显病害，影响列车行驶的安全。

1 支承层的病害

1.1 支承层混凝土开裂

由于支承层混凝土受温度变化等环境因素影响以及自身收缩徐变，支承层发生纵向收缩并产生裂纹。当支承层纵向收缩量较大、局部断面削弱时，将产生较宽的裂缝。

1.1.1 斜裂

支承层混凝土斜裂是多种因素综合影响的结果，根据现场监测发现，混凝土斜裂基本发生在夏季高温天气，即高温膨胀决定了混凝土的斜裂。 同时，支承层受到的剪力一定程度上促成了混凝土的斜裂。此外，当支承层为C15 低塑性混凝土浇筑时，实际浇筑的混凝土强度偏高，局部存在粗骨料堆积或斜浇筑面， 均会使混凝土出现呈30～45 °斜向发展的裂缝，长约2 m。 高温时段，在温度应力的作用下，斜裂将发展至上拱，出现砂浆层离缝、轨道板开裂等现象，使轨道高低不平顺，几何尺寸超限突出，是安全行车的隐患。

1.1.2 断裂

支承层在外部因素作用下易产生较大的应力与变形，同时其内部含有裂缝、截面削弱、层间耦合等缺陷，在外部与内部因素共同影响下，支承层混凝土发生断裂现象。支承层断裂后导致轨道结构整体性破坏，受外界因素的影响，断缝将逐渐扩大，在温度荷载及列车动载共同作用下， 轨道板受力增大，可能会出现反射裂纹，严重时会造成轨道板底部的开裂。

1.2 支承层混凝土粉化

支承层混凝土遇到以下情况易发生粉化：①在离析或养护期间受到雨水冲刷， 混凝土表层的水灰比大于混凝土内部的水灰比； ②养护期经历曝晒或是养护不充分， 致使混凝土表层水泥水化不充分；③支承层在使用过程中碳化或遭遇冻害，使得混凝土强度降低，最终发生粉化。 粉化后的混凝土抗冻性远低于设计值，需及时予以更换。

1.3 支承层离缝脱空

无砟轨道自服役后，受列车荷载、温度、周围环境等因素影响，支承层与充填层、基床顶面发生脱粘，在列车荷载作用下，层间的微粒被带出，间隙逐渐增大，最终出现离缝，直至脱空。

2 支承层损害造成的影响

2.1 轨道结构稳定性

当列车高速通过时，由于支承层混凝土已发生水平斜裂， 根据动力学监测发现斜裂处轨道板的竖向振动加速度和垂向位移约为支承层混凝土完好时的10 倍以上，即支承层斜裂一旦产生，列车正常行驶时， 轨道板对支承层等结构的冲击作用将增大，加速支承层的破坏，严重影响轨道结构的整体稳定性。 支承层斜裂产生的错台，将引起轨道板上拱，改变轨道线形，出现其他构件损伤，不利于列车行驶通过。

2.2 轨道结构耐久性

支承层混凝土斜裂产生后，将引起轨道板与其他构件离缝，离缝成为雨水侵入无砟轨道内部的途径，当雨水沉积在支承层与砂浆层、砂浆层与轨道板之间时，受列车荷载、温差等影响，积水层产生垂向和横向动水压作用在支承层上，支承层混凝土因此受到拉力， 当拉力大于支承层混凝土抗拉强度时，支承层裂缝将得到进一步的扩展延伸，直接影响无砟轨道的使用及结构的耐久性。

2.3 轨道结构静动力特性

刘振[1]通过ABAQUS 建立列车CRTSⅡ型无砟轨道—路基三维耦合动力模型， 并在实际支承层脱空病害情况的基础上对模型进行合理简化，以利用有限元对伤损进行模拟，综合分析得出，支承层脱空改变了轨道原有的传力路径， 轨道各类构件受到一定影响。 支承层板端脱空时，轨道板的垂向压应力随支承层脱空长度的增加呈平缓的增长趋势。 而垂向拉应力随脱空长度增加不明显。 对支承层的影响，横向和垂向拉压应力均出现一定幅度的减小， 而纵向拉压应力出现了近一倍的增长，且在数值上远远大于横向和垂向应力。 除此之外，横向和垂向应力在脱空长度小于1.95 m 时，应力出现急剧减小，之后的变化趋势较平缓；纵向应力在脱空长度小于1.95 m 时，变化并不明显，之后才出现急剧的增长。 当支承层板边脱空时，对于支承层的传力路径影响很大。 当脱空长度增长到0.975 m 左右时，垂向拉应力开始以较快速度增加，而垂向压应力变化较小。 当板边完全脱空时，支承层垂向应力均小于正常路基对应的应力值。 刘薇[2]通过建立精细化模型，研究发现在降温40 ℃的条件下，支承层断裂后钢轨、 轨道板和支承层的动力学特性有显著变化，裂缝深度对轨道结构的影响成正比。

在列车荷载作用的条件下，轨道板上、下表面压应力较未断裂时增加86%和81%， 钢轨垂向位移变化不大， 轨道板和支承层垂向位移的增幅分别为41%和45%。 同时得出车体的振动响应受支承层断裂影响较小， 各项动力学指标均在限制范围之内。 当支承层断裂后，在温度和列车荷载作用下，轨道结构变化较支承层未断裂前明显，严重影响结构的可靠性。

2.4 列车行驶速度限值

刘振在进行支承层板端不同脱空长度列车速度对列车动力特性的影响研究中发现， 当单块轨道板下支承层脱空长度小于等于4.55 m 时， 列车运行速度宜控制在350 km/h 以内； 长度为4.55～6.45 m 时，运行速度宜控制在250 km/h 以内。支承层板边脱空，长度小于等于0.975 m 时，列车运行速度宜不超过350 km／h； 长度为0.975～2.275 m时，列车运行速度宜不超过300 km/h；当单块轨道板下支承层脱空长度为2.275～3.25 m，列车运行速度宜控制在250 km/h 以内。

3 支承层病害的整治方案

3.1 修补维护

支承层底部与路基表层发生脱空后，利用聚合物混凝土修补材料对支承层进行修补。 支承层混凝土粉化程度不深， 试验测得混凝土的强度和承载力依旧符合要求时，可在原基础上使用防水材料对混凝土进行防水保护，从而提高其抗冻性，减小混凝土粉化造成的危害。 支承层断裂后，修复材料的选择决定了支承层的使用率，环氧树脂与聚氨酯树脂都具有粘结强度大、工艺性能好、耐热性优良的优点，实际选用时依据施工现场情况及运营情况选择。 同时采用较为柔性的弹性材料，弹性模量取值范围为300～1 000 MPa，此时轨道结构在不同荷载作用下的不平顺最小。

3.2 更换支承层

3.2.1 材料选择

支承层底部与路基表层发生脱空后，采用研发的PMC-Ⅱ型聚合物水泥砂浆代替原来的水泥沥青砂浆，在一定程度上满足轨道结构快速修复的要求，并在施工时间调控与强度发展方面具有明显优势。支承层混凝土的收缩率受胶凝材料、水泥、水的用量影响，恰当控制这些用量，可有效减轻混凝土的收缩开裂。严寒地区支承层混凝土的粉化主要受冻融破坏影响，若混凝土粉化恶性发展至承载力不符合要求时，需对支承层进行更换，更换时需采用含气量高、强度等级高的混凝土，以提高支承层的抗冻性，延长其使用时间。

3.2.2 置换技术

高速铁路支承层修复工序多而复杂，需在不影响列车安全行驶的前提下提出简易方案。鉴于支承层大部分区域处于隐蔽位置，倘若切割钢轨、揭开轨道板，对轨道结构的扰动较大，整治效率不高。对此探索出基于绳锯切割[3]支承层原位置换技术，利用液压带动金刚石链条快速旋转切割混凝土，使其切割成可移动的单元混凝土块，再用顶拉相结合的方法将混凝土块移除，最后采用适宜的材料浇筑新的支承层，有效解决支承层斜裂上拱的损害。 同时当前依旧有使用将钢轨切割、轨道板移出、砂浆清理后再浇筑支承层混凝土的方法，对此为了在整修期间不影响列车的正常运行，采用临时设置的钢垫梁及木枕代替已经移出的轨道板和砂浆调整层，待支承层凿除并重新浇筑，具备承载能力后，再拆除钢垫梁及木枕，有序恢复轨道结构。 在使用钢垫梁及木枕前期，需对其进行承载能力试验和有限元分析计算，在使用中增加视频监控，确保钢垫梁及木枕的设置不影响列车行驶安全，为支承层更换平稳有序进行提供保障。

4 结论

（1）针对板式无砟轨道支承层受高温膨胀等影响，易产生斜裂上拱，影响无砟轨道的整体性，并且支承层位于充填层下方，具有一定的隐蔽性，因此在夏季需应用相关设备，在不损害构件的前提下加强对线路监测观察，及时修复，避免产生次生危害。

（2）支承层脱空改变了轨道的传力路径，对轨道板、支承层动力特性皆有影响，针对这方面的研究仍需进一步发展。

（3）支承层混凝土的粉化受冻融破坏影响大，在严寒地区应适当调整混凝土的抗冻性， 延长支承层的服役时间。

（4）在对支承层进行置换过程中，基于绳锯切割的技术施工效率高、占用天窗数量少、轨道结构恢复快，为未来支承层整体修复提供了坚实的技术支撑。 基于钢垫梁的施工方案中，无砟轨道的整体性受到影响，即使支承层重新浇筑后，对轨道的监测仍需更进。对此，在支承层置换技术方面，需根据实际情况选用合理的方案， 降低对轨道的伤害，保持轨道的整体稳定性，延长使用寿命。