CRTSⅢ型先张法预应力混凝土轨道板平整度控制措施试验研究

王梦 王继军 樊齐旻 王培 施成

1.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；2.京沈铁路客运专线辽宁有限责任公司， 沈阳 110001； 3.中铁九局集团有限公司， 沈阳 110051

CRTSⅢ型板式无砟轨道是我国自主研发的无砟轨道系统，具有环境适应性强、结构耐久性好、养护维修工作量少等特点［1-2］，广泛应用于我国高速铁路。截至2022年底，CRTSⅢ型板式无砟轨道运营里程已超过5 400 km，其规模化应用为我国高速铁路建设提供了有力支撑。

近年来，我国正在开展CRTSⅢ型板式无砟轨道对更高运营速度的适应性研究［3-5］。运营速度提高对轨道平顺性提出更高要求，然而轨道平顺性控制是一个系统工程，需从轨道板预制、无砟道床铺设、钢轨精调等多方面进行全过程管控。对于CRTSⅢ型板式无砟轨道系统而言，轨道板是最上层结构，主要采用先张法预应力混凝土体系，起固定钢轨、保持轨道几何形位等作用，其平整度直接影响轨道平顺性［6-7］。工程应用中，个别线路部分轨道板脱模时已出现中部拱起现象，单侧承轨面中央翘曲量超出了Q/CR 567—2017《高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板》中2 mm的限值要求，显著增加了实现轨道高平顺性的难度和成本。因此，轨道板预制阶段平整度控制是轨道平顺性控制的关键环节。

学者们对CRTSⅢ型先张法预应力混凝土轨道板预制过程中平整度控制进行了持续探索。文献［8-10］建立了轨道板-模具一体化有限元模型，分析了预应力施加、预应力筋偏心、轨道板自顶面至底面混凝土弹性模量差异、混凝土收缩、养护阶段板体温度梯度等因素对轨道板预制平整度的影响，提出混凝土在底模约束下的收缩作用是形成轨道板中部拱起的主要原因，减小脱模前混凝土收缩和设置预应力筋偏心可减小轨道板单侧承轨面中央翘曲量。文献［11］进行了养护过程中静置时间、升温速率、恒温温度、降温速率对轨道板平整度的影响试验，提出了长静置、缓升温、低恒温、慢冷却的蒸汽养护控制原则。文献［12］开展了轨道板顶面和底面温差对轨道板平整度的影响试验，提出温差10 ℃时轨道板单侧承轨面中央翘曲量变化量约为1.0 mm。文献［13］通过分析长期监测数据发现，随混凝土龄期增长，轨道板单侧承轨面中央翘曲量不断增大，但增幅逐渐减小。

本文根据预应力筋偏心、混凝土收缩对轨道板预制平整度的影响及水养完成后轨道板平整度经时演化规律，基于文献［5］中CRTSⅢ型先张法预应力混凝土轨道板的结构设计和固定台座法生产工艺，针对轨道板预制过程，提出四种平整度控制措施，并通过试验评估各措施有效性，可为后续工程轨道板平整度控制提供参考。

1 试验方案

1.1 试验工况

设置五种工况，具体内容如下。

工况1：轨道板生产过程中不采取辅助措施。

工况2：根据Q/CR 567—2017中预应力筋位置容许偏差2 mm的要求，将预应力筋中心向轨道板顶面偏移2 mm。

工况3：轨道板混凝土养护早期两次洒水，以减小收缩。

工况4：对模具设置0.5 mm朝向轨道板底面的反向预拱度，以减小轨道板中部拱起量。

工况5：除了对模具设置0.5 mm反向预拱度，还在轨道板混凝土养护早期洒水两次。

各工况均生产32块P5600型轨道板进行对比试验。

1.2 评价指标

轨道板平整度可采用四角承轨面水平和单侧承轨面中央翘曲量表征。其中，单侧承轨面中央翘曲量由同侧一列承轨台垂向位置偏差综合计算得出，更能反映轨道板平整度，因此选用单侧承轨面中央翘曲量对轨道板平整度进行评价。单侧承轨面中央翘曲量为正值，表示轨道板中部高于端部，中部上拱；为负值则相反。

1.3 检测方法

根据Q/CR 567—2017要求，水养完成时采用全站仪及配套工装对轨道板外形尺寸进行检测，计算得到单侧承轨面中央翘曲量。检测时轨道板处于平放状态，条形支承设置在轨道板起吊套管下方，见图1。

图1 轨道板平整度检测

2 试验结果分析

2.1 检测结果统计

以0.1 mm为一级对检测结果进行分级，得到五种工况轨道板单侧承轨面中央翘曲量不同量值所占百分比，见图2。可知：五种工况单侧承轨面中央翘曲量近似服从正态分布。

图2 单侧承轨面中央翘曲量不同量值所占百分比

对各工况单侧承轨面中央翘曲量最大（小）值、平均值等进行统计，结果见表1。

表1 单侧承轨面中央翘曲量统计结果mm

由表1可知：①工况1中央翘曲量最大值为2.50 mm，已超出2.00 mm限值，平均值为1.33 mm，已达限值的66.5%，且标准差为0.43 mm，易出现平整度超标情况。②与工况1相比，工况2中央翘曲量最大值减小0.40 mm，平均值减小0.19 mm，量值变化较小，最大值超出限值，对平整度的改善效果有限。③与工况1相比，工况3中央翘曲量最大值减小1.40 mm，平均值减小0.64 mm，且标准差由0.43 mm减至0.23 mm，说明洒水养护不仅可以有效减小中央翘曲量，而且可以减小不同批次间平整度差异。④与工况1相比，工况4中央翘曲量最大值减小1.50 mm，最小值减小1.70 mm，平均值减小1.46 mm，且平均值已为负值，说明轨道板已由中部上拱变为中部下凹，轨道板顶面线形已发生明显变化。由于受模具刚度、混凝土浇筑、振捣等后续工序影响，中央翘曲量标准差由0.43 mm增至0.58 mm，离散程度增大。⑤与工况1相比，工况5中央翘曲量最大值减小2.10 mm，最小值减小2.00 mm，平均值减小1.88 mm，中部下凹比工况4更明显，达到了-0.55 mm，说明工况5平整度调控效果最显著。⑥不论是采取轨道板混凝土养护早期两次洒水、对模具设置0.5 mm反向预拱度，还是同时采取这两种措施均能够保证水养完成时轨道板平整度满足限值要求。

2.2 轨道板长期平整度控制措施探讨

王梦等［14］对轨道板平整度长期监测结果分析得出，与水养完成时相比，轨道板混凝土180 d龄期时单侧承轨面中央翘曲量平均值增大1.18 ~ 1.36 mm，且单侧承轨面中央翘曲量已处于相对稳定状态。因此，为了保证轨道板长期中央翘曲量小于2.00 mm限值，水养完成时中央翘曲量宜按小于0.50 mm控制。

为明确采取不同措施时轨道板长期平整度保证率，由表1中五种工况平均值和标准差计算得到水养完成时对应工况轨道板单侧承轨面中央翘曲量的累计概率，见图3。单侧承轨面中央翘曲量0.50 mm对应的累计概率即为对应工况轨道板长期平整度保证率。

图3 五种工况轨道板单侧承轨面中央翘曲量累计概率

由图3可知：①工况1—工况5轨道板长期平整度保证率分别为2.7%、6.4%、21.0%、86.3%和99.5%。②就单一措施而言，模具设置0.5 mm反向预拱度时轨道板长期平整度保证率较高，其次是混凝土养护早期洒水两次，由于预应力筋中心仅偏移2 mm，偏移量较小，对轨道板长期平整度保证率提升较少。③模具设置0.5 mm反向预拱度时轨道板长期平整度保证率仅86.3%，同时采取混凝土养护早期洒水措施时，轨道板长期平整度保证率可达99.5%。若要实现更高保证率，可进一步增大模具反向预拱度，并在轨道板混凝土养护早期多次洒水。

3 结论

本文针对个别线路CRTS Ⅲ型先张法预应力混凝土轨道板在预制阶段出现的平整度超标问题，以不采取辅助措施工况为基准，对四种平整度控制措施进行试验研究。主要结论如下：

1）不采取辅助措施时轨道板易出现平整度超标情况。

2）就单一措施而言，模具设置0.5 mm反向预拱度对轨道板平整度控制效果较好，其次是轨道板混凝土养护早期洒水两次，预应力筋中心偏移2 mm对轨道板平整度控制效果较差。

3）为保证轨道板长期平整度，轨道板预制过程中宜采取模具设置反向预拱度+轨道板混凝土养护早期洒水的综合措施。