高速铁路无砟道床伤损判定关键指标优化

2022-12-01姜子清

铁道建筑 2022年4期

姜子清

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

自2008年京津城际铁路开通运营以来，中国高速铁路迅速发展。截至2021年底中国高速铁路运营里程已突破4万km。随着高速铁路线路设备服役时间延长，受复杂运营条件、高温天气、结构初始状态不良等多种因素影响［1-3］，部分地段无砟道床出现了混凝土开裂、砂浆层离缝、轨道板端上拱等问题［4-5］。

目前高速铁路无砟道床检查和维护主要依据TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》。该规范对主要结构部位的伤损形式按照裂缝、离缝进行划分，并明确了裂缝和离缝等级的评判标准，但颁布时中国高速铁路开通运营时间较短，缺乏深入的理论指导和丰富的现场实践经验。近年来，为合理确定无砟道床伤损评判指标，协助运营维护管理部门对无砟道床伤损更加准确判定，学者们做了不少探索。文献［6］开展了CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层离缝对轨道板间纵连钢筋受力的影响研究。文献［7］对CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和双块式无砟轨道结构由温度力所引发的结构伤损问题及其成因进行了分析，并结合实际情况提出了相应的预防整治技术对策。文献［8］推导了轨道板在砂浆层和张拉钢筋约束下的解析解，分析了CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层离缝产生原因，给出了离缝产生时轨道板的临界伸缩温度。文献［9］通过现场测量和数值模拟，分析了高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝的伤损特征、伤损整治限值以及温度荷载对轨道结构受力和变形的影响，提出不同工况砂浆层离缝检查方法，建议按离缝宽度对砂浆层离缝分三级管理，并给出各级离缝深度、长度限值。文献［10］建立了路基上CRTSⅠ型框架式无砟轨道弹性地基梁-板计算模型，分析了层间离缝条件下轨道板竖向变形情况。随着高速铁路运营线路增多，运营时间延长以及养护维修技术的发展，仍以TG/GW 115—2012作为无砟道床养护维修的指导性文件已不完全适宜。

本文通过现场调研和无砟道床结构承载力现场试验相结合的方式，掌握不同轨道结构形式无砟道床伤损情况，结合TG/GW 115—2012和工程实践经验，给出无砟道床伤损等级判定标准的优化建议。

1 无砟道床伤损分类

TG/GW 115—2012中将无砟轨道分为CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、双块式、道岔区轨枕埋入式、道岔区板式五种结构形式，按轨道板、砂浆层、底座等部位对每种结构的伤损形式进行规定。高速铁路无砟道床伤损分类的主要目的是便于无砟道床检查维修管理人员方便快捷地查询到所属的伤损形式及其相应的维修指标。因此，建议高速铁路无砟道床伤损分类沿用TG/GW 115—2012，即先按无砟道床结构形式分类，然后按结构形式查找伤损部位和伤损形式。

由于TG/GW 115—2012颁布时缺少CRTSⅢ型板式无砟道床伤损维修经验，仅在总则中提出CRTSⅢ型板式无砟道床维修可参照本规则执行，并未明文规定CRTSⅢ型板式无砟道床的伤损形式及等级判定标准。经过十余年的调研、跟踪观测及维修实践，形成了一套较为成熟的CRTSⅢ型板式无砟道床伤损分类、等级判定和维修方法，因此建议在《高速铁路线路维修规则》（报批稿）中增加CRTSⅢ型板式无砟道床伤损形式，并按照轨道板、底座、自密实混凝土充填层等部位分别对其裂缝、离缝进行规定。

2 无砟道床伤损判定等级优化

日本高速铁路无砟道床伤损判定划分为A、B、C（最严重）三个等级，对其整治办法依次是引起注意（记录在册）、按计划修补、须迅速修补。TG/GW 115—2012中无砟道床伤损等级判定主要参考日本单元板式无砟轨道，伤损等级划分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级（最严重），对其整治办法依次是做好记录、列入维修计划并适时修补、及时修补。德国无砟道床没有进行伤损判定等级划分，即轨道板、砂浆层、底座等不同结构部位的伤损超过某一限值进行维修。

对中国高速铁路无砟道床经过十余年的检查、维修及伤损发展规律研究，发现大部分无砟道床伤损从开始到逐步发展为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，有一定的时间可检查发现并采取相应维修措施。同时，由于无砟道床裂缝、离缝具有数量较大、发展较慢、影响较小等特点，过于细化无砟道床伤损分级可能会极大增加现场检查、记录、分析的工作量，从而影响急需维修区段或处所的整治。因此，针对不同无砟道床结构特点，在对其伤损影响全面评估的基础上，对伤损等级划分进行优化，即将无砟道床伤损等级由三级调整为两级：对Ⅰ级伤损应做好观测、记录、分析；对Ⅱ级伤损应列入维修计划并适时修补。

3 无砟道床伤损等级判定标准优化

3.1 CRTSⅠ型板式无砟道床砂浆层伤损等级判定标准

CRTSⅠ型板式无砟道床砂浆层的主要功能是保证轨道板均匀支承、承受并传递荷载，协调轨道板温度翘曲变形。然而，受长期列车荷载、温度梯度荷载作用，现场发现Ⅰ型板式无砟道床砂浆层存在离缝、开裂问题。TG/GW 115—2012中CRTSⅠ型板式无砟道床砂浆层离缝判定指标为宽度、横向深度、对角线长度，但砂浆层离缝的对角线长度在现场难以测量。考虑天窗时间及工务人员维修的可操作性，建议将其替换为离缝长度。优化后的CRTSⅠ型板式无砟道床砂浆层伤损等级判定标准如下。

1）Ⅰ型板式无砟道床砂浆层离缝判定标准：①按离缝宽度d划分，1.5 mm≤d＜2.0 mm时为Ⅰ级，d≥2.0 mm时为Ⅱ级；②按离缝深度h划分，50 mm≤h＜100 mm时为Ⅰ级，h≥100 mm时为Ⅱ级；③按离缝长度l划分，200 mm≤l＜800 mm时为Ⅰ级，l≥800 mm时为Ⅱ级。

2）Ⅰ型板式无砟道床砂浆层裂缝判定标准。按裂缝宽度w划分，0.5 mm≤w＜1.0 mm时为Ⅰ级，w≥1.0 mm时为Ⅱ级。

3.2 CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层伤损等级判定标准

CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层作为轨道板和混凝土底座或支承层之间的垫层，主要起填充、支撑、承力、传力作用，并为轨道板提供适当的刚度和韧性。现场调研发现砂浆层离缝现象较为普遍，对轨道结构整体性和耐久性影响较大，TG/GW 115—2012中CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层离缝判定指标为宽度、深度、对角线长度。

为更加准确判定CRTSⅡ型板式无砟道床砂浆层离缝伤损程度，采用无砟道床砂浆层状态检测仪对砂浆层离缝情况进行检测，直接获取砂浆层离缝百分比，显著提高天窗检测精度和效率，节省人力物力。根据京沪、京津、京广、沪昆、津秦、合福等多条高速铁路线路（总里程超过30 km，轨道板数量5 000余块）的现场实测结果，按照离缝面积比划分为［0，40）、［40，70）、［70，100］三个区间，统计每个区间轨道板数量占比。结果表明：［0，40）区间轨道板约占3.73%，［40，70）区间轨道板约占53.90%，［70，100］区间轨道板约占42.37%。

基于此，将TG/GW 115—2012中砂浆层伤损等级判定指标中的“离缝深度、离缝对角线长度”修改为“离缝面积比”，并给出了其等级判定标准。

1）Ⅱ型板式无砟道床砂浆层离缝判定标准：①按离缝宽度划分，1.5 mm≤d＜2.0 mm时为Ⅰ级，d≥2.0 mm时为Ⅱ级；②按离缝面积比b划分，30%≤b＜60%时为Ⅰ级，b≥60%时为Ⅱ级。

2）Ⅱ型板式无砟道床砂浆层裂缝判定标准。按裂缝宽度划分，0.5 mm≤w＜1.0 mm时为Ⅰ级，w≥1.0 mm时为Ⅱ级。

3.3 无砟道床混凝土挡肩伤损等级判定标准

TG/GW 115—2012中仅提出对无砟道床混凝土掉块、缺损或剥落应适时修补，对挡肩失效应及时修补。无砟道床混凝土缺损的部位、深度、面积不同，其产生的影响相差较大，因此难以给出统一的缺损等级判定指标，但轨道板挡肩或双块式轨枕挡肩的缺损等级判定指标较为明确。经过调研和试验，挡肩缺损面积不超过50%时可满足承载力要求。

综合考虑高速铁路的安全性和可靠性要求，建议将轨道板挡肩缺损面积比的维修限值取30%。不超过30%时适时维修，超过30%时及时修补。CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟道床轨道板挡肩和双块式轨枕挡肩裂缝、缺损等级判定标准：①挡肩裂缝按裂缝宽度划分，0.2 mm≤w＜0.3 mm时为Ⅰ级，w≥0.3 mm时为Ⅱ级；②挡肩缺损按缺损面积比t划分，10%≤t＜30%时为Ⅰ级，t≥30%时为Ⅱ级。

3.4 无砟道床混凝土粉化判定标准

在无砟道床检查维护中发现，无砟道床混凝土存在粉化现象，而粉化会对无砟道床结构耐久性和可靠性产生不利影响。在对不同区域无砟道床混凝土粉化情况进行调研和总结分析的基础上，提出了无砟道床混凝土粉化等级判定标准：混凝土表面大面积粉化，粉化深度在20～25 mm，并有发展趋势时判定为Ⅰ级。混凝土粉化深度超过25 mm或达到钢筋表面，或混凝土抗压强度低于设计值时判定为Ⅱ级。

3.5 无砟道床嵌缝失效判定标准

无砟道床底座间设置20 mm的伸缩缝，并采用硅酮、聚氨酯等材料密封。其主要功能是防水。受气候环境、材料老化等因素影响，现场发现伸缩缝嵌缝材料存在离缝、开裂、缺损问题，其均会导致嵌缝材料防水功能失效，并且与伤损程度无关，但是TG/GW 115—2012中仅规定伸缩缝离缝等级判定标准（1.0 mm≤d＜2.0 mm时为Ⅰ级，2.0 mm≤d＜3.0 mm时为Ⅱ级，d≥3.0 mm时为Ⅲ级）。因此，为确保无砟道床结构稳定性和耐久性，将无砟道床伸缩缝嵌缝材料的离缝、开裂、缺损统一判定为失效。