嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道養護維修技術研究

滕德巍

(沈陽鐵路局工務處，遼寧 沈陽 110001)

隨著交通和運輸業的快速發展，我國高速鐵路技術迅速發展，高速鐵路以穩定性、可靠性、平順性更好的無砟軌道為主。目前，高速鐵路無砟軌道結構分板式無砟軌道和現澆混凝土式兩種類型，其中，板式無砟軌道分為CRTSⅠ型、CRTSⅡ型和CRTSⅢ型板式無砟軌道。其中CRTSⅠ板式無砟軌道是首次大范圍應用于北方嚴寒地區的無砟軌道結構。為嚴寒地區高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道養護維修提供支撐。

1 CRTSⅠ型板式無砟軌道結構

嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道結構從上至下依次為鋼軌、扣件、預制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層以及混凝土底座等，如圖1。

圖1 CRTSⅠ型板式無砟軌道結構示意(單位:mm)

1)鋼軌:正線鋼軌采用60 kg/m定尺長100 m的U71Mn(k)無螺栓孔新鋼軌，線路按一次鋪設跨區間無縫線路設計。

2)扣件:鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道地段采用WJ-7B型扣件，其中橋梁需設置小阻力扣件地段采用X2型彈條并配用復合墊板，其他地段采用W1型彈條并配用橡膠墊板。嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道采用的是WJ-7B型扣件。結構及剖面如圖2所示。

圖2 WJ-7B型扣件結構及剖面(單位:mm)

無砟軌道由于上部結構層等均為混凝土結構層，剛度較大，整個軌道系統的彈性主要由扣件系統提供。在提速后，由于列車動荷載作用，鋼軌產生轉動和軌頭外翻，使扣件的彎矩增大;另外，單層彈性墊層在列車重復荷載作用下，產生疲勞松弛，使彈性下降，甚至會發生墊板破損，嚴重影響行車安全。因此，我國高速鐵路無砟軌道扣件應采用雙層彈性墊層，彈性主要由彈性墊板提供，彈性墊板剛度可適當加大，使鋼軌在列車高速運行中穩定性增強。使用中ω型彈條的彈性與彈性墊板的彈性應該互相匹配，符合鋼軌扣件的跟隨性。當列車通過時，墊板被壓縮，彈條應有足夠的彈性緊扣鋼軌，列車通過后墊板恢復原狀，彈條也緊扣鋼軌回復原位［1］。

錨固螺栓是彈條扣件的重要部件，主要提供橫向約束力，防止扣件上拔。螺栓設計中安全系數取8.0，一般情況下可滿足高速行車對加緊力、上拔力、扭矩等的要求，但若使用不當，也會使螺栓傷損。螺栓在使用中由于列車動力作用會逐漸松弛，如果維護不及時，螺栓松動使加緊摩擦力不足或為負值，列車動荷載作用下螺栓可能直接承受橫向作用力并處于受彎狀態，容易拉壞螺栓使其失效。

嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道采用的WJ-7B型扣件使用預埋套管式，使鋼軌與軌下基礎絕緣增強，增大道床泄漏電阻，延長軌道電路傳輸長度。套管在使用中必須保持清潔，避免水的侵入，防止冬季產生凍脹，造成套管損壞。為了保證降雨時兩鋼軌間不形成水膜，橡膠墊板要采取割邊處理，把墊板周圍高出的部分切開一角，使墊板內的積水順利流走，水膜電阻既而增大，有效提高扣件的絕緣性能。

3)預制軌道板:采用嚴寒地區CRTSⅠ型雙向預應力軌道板，標準長度4 962 mm，寬度2 400 mm，厚度200 mm，承軌臺高20 mm，混凝土強度為C60。

4)水泥乳化瀝青砂漿層:軌道板下水泥乳化瀝青砂漿層厚度為50 mm;減振型軌道板下水泥乳化瀝青砂漿厚度為40 mm。

5)混凝土底座:路基上混凝土底座在路基表層分段設置，標準底座寬3 000 mm，厚度300 mm，通常每2塊板設置1條20 mm伸縮縫。橋上底座標準寬度2 800 mm，厚度200 mm，每塊底座設置伸縮縫。混凝土強度為C40。

針對北方嚴寒地區特殊的地理環境，主要在以下方面進行了結構優化:預制軌道板采用雙向預應力結構，厚度由190 mm變為200 mm，增強了軌道板的整體結構強度，減少軌道板變形量。預制軌道板設置20 mm高的承軌臺，以便于雨雪能夠在板間及時排出。

2 軌道結構主要傷損形式及維修方法

2.1 鋼軌的傷損及維修

2.1.1 鋼軌的傷損

無砟軌道由于行車速度高、密度大，鋼軌作為直接承受荷載的結構傷損最為明顯，主要有垂直的焊縫傷損和水平的表面傷損，而東北地區溫差大，鋼軌接頭拉開也是目前出現較多的主要病害。

1)焊縫傷損。為提高線路平順性，減少車輪沖擊鋼軌作用，我國高速鐵路均采用焊接無縫線路。由于焊接質量不良，個別鋼軌接頭處會出現原始不平順;焊接設備差異，焊縫處存在軌頂面的硬度與母材硬度不匹配而形成的低塌現象，嚴重時焊接接頭處斷裂等影響列車平順運行，因此，改進現有鋁熱焊、閃光焊，發展新型焊接設備，提高焊接及打磨工藝是高速鐵路焊接技術勢在必行的選擇。

2)表面傷損。高速鐵路軸重輕、線路曲線半徑大、軌下基礎穩固，鋼軌傷損以波浪型磨耗為主要形式。

3)接頭拉開。東北地區冬季晝夜溫差將達到15℃左右，鋼軌膠結絕緣接頭因膠結工藝及環境溫度等現場多種因素影響，導致岔區鋼軌膠結絕緣接頭拉開，嚴重時將導致軌道電路產生紅光帶，影響列車運行。

2.1.2 鋼軌的維修

高速鐵路鋼軌傷損的最主要維修方法是對鋼軌進行預防性和維修性打磨，使輪軌接觸關系發生變化，從而使鋼軌的受力、變形分布在不同的地點，減少鋼軌應力集中，達到延長使用壽命的目的，同時加強鋼軌接頭的日常結構性檢查。

1)預防性打磨。新鋪設軌打磨也稱為“預防性打磨”，主要是對鋼軌在運行中由輪軌接觸引起的鋼軌變形提前進行打磨，從而提高鋼軌耐久性。

正常運行中輪軌接觸為一點接觸，接觸斑大約為拇指面大小，由于線路平順性和曲線等特殊地段，車輪會不時地發生蛇形運動或靠貼鋼軌運行，使輪軌接觸變為兩點接觸，輪緣處靠貼鋼軌從而摩擦鋼軌軌頭邊緣處，使其出現插傷。輪軌接觸時車輪仍然會擠壓鋼軌表面，使其發生鋼軌軌頂材料塑性流動，形成軌角和輪緣共形接觸，破壞了基準鋼軌要求的理想斷面，改變線路平順性，不利于行車平穩和安全。

針對我國采用的60 kg/m鋼軌，軌頭頂面弧線均為R13 mm-R80 mm-R300 mm-R80 mm-R13 mm 5段式，5段長度分別為 11.15 mm，15.35 mm，20.00 mm，15.35 mm，11.15 mm。打磨區主要集中在鋼軌斷面的R13和少許R80處。通過打磨使接觸新鋼軌使用時保留軌角處有一定的間隙，保證兩點接觸時不再插傷鋼軌，塑性流動時有一定的流動空間不發生共形接觸。新軌打磨前后示意圖如圖3所示。

圖3 新軌預防性打磨示意

2)修理性打磨。新鋼軌雖已進行過“預防性打磨”，但是在高速度、高密度的車輛運行中，會發生軌頭龜裂、壓潰、蜂窩狀裂紋，波浪形磨耗等表面接觸性疲勞傷損。這就需要在運營中進行修理性打磨。

根據傷損的類型和程度，采用不同的打磨要求。傷損越嚴重打磨量越大，軌面質量也就越差。打磨宜遵從3個原則:①根據城市環保要求，控制噪音;②根據曲線半徑、制動區間、路橋過渡段、焊接接頭情況，控制傷軌;③根據列車軸重、速度、列車對數，控制輪軌接觸疲勞度，分線路、區間計算打磨作業需求。

對打磨后的質量也有基本的要求如下:①對龜裂、壓潰等所形成的裂紋要將表面微裂紋消除。②高速鐵路鋼軌僅發生長波波磨。波長 ＞250 mm，波深＜1 mm，打磨后殘余波深要 ＜0.3 mm;波深 ＞1 mm，打磨后殘余波深要 ＜0.4 mm;應打磨掉0.6～0.7 mm。③軌頂打磨帶較平直，無明顯寬窄不直，無明顯棱角。④軌頂表面無嚴重發藍現象，形狀符合規定要求，粗糙度為12.5;另外，大型打磨機械車通過未傷損區鋼軌時，可對鋼軌進行保養性打磨，每累計通過5 000～10 000 t宜打磨0.05 mm，無傷損區域打磨車速度可提高，且只要打磨一次，即可有效延長鋼軌壽命。

3)接頭維護。對鋼軌膠結絕緣接頭加強日常結構性檢查，發現接頭拉開后及時進行登記，并聯合電務部門增加定期電阻檢測，同時制定整治方案，提報作業計劃，經路局審批后進行重新膠結處理。

2.2 扣件的傷損及維修

扣件是無砟軌道中的主要聯結部件，我國CRTSⅠ型高速鐵路主要選取WJ-7型扣件，并對其進行完善，使其擁有了通用性強、調整量大、無級調整、良好的減震性能和絕緣性能等新特殊功能。

2.2.1 傷損形式

嚴寒地區WJ-7B型扣件使用中主要傷損形式有預埋套管失效和鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂等。

1)預埋套管失效。東北地區凍融循環，如在日常維修作業中有雨雪等雜物進入預埋套管，經過凍融后將導致套管脹裂，螺紋失效，從而失去固定鋼軌的作用。

2)鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂。軌道精調過程中，為滿足負調整量要求，將10 mm厚度絕緣緩沖墊板更換為6 mm厚度薄墊板。由于厚度減少，經過凍融后橡膠硬化開裂，失去彈性緩沖作用。

2.2.2 維護方法

針對套管失效、鐵墊板下絕緣緩沖墊板硬化開裂的問題目前只能采取更換措施。

2.3 無砟道床傷損及維修

2.3.1 傷損形式

1)軌道板傷損及成因

①板面裂紋。嚴寒地區由于環境溫差較大，軌道板傷損主要表現為混凝土開裂問題，裂縫一旦形成，尤其是貫穿性裂縫危害最大，它會降低結構的耐久性，降低軌道的絕緣性，削弱軌道板承載力，嚴重時甚至會危及行車安全。裂縫產生的原因主要分兩類:一類是結構型裂縫，是由承載外荷載引起的;第二類是材料型裂縫，主要是由溫度應力和混凝土收縮徐變引起的，屬非受力變形引起。

②預應力鋼棒錨端碎裂。主要表現為錨端爆炸性碎裂。主要成因為預應力鋼棒斷裂而形成的巨大應力所致。

③承軌臺裂紋。主要表現為以預埋套管為中心的擴散性裂紋。主要成因為精調過程中錨固螺栓扭力過大，造成套管拔錨而引起的環狀裂紋。

2)砂漿層傷損及成因。主要表現為裂縫、剝離和碎裂3種傷損類型。大多是起因于水從四周侵入砂漿層表面而形成凍融循環，在列車反復荷載作用下疲勞所致。又因受到軌道位移、梁體撓曲和氣候變化等影響，促使板下砂漿層的進一步傷損、劣化。

3)混凝土底座傷損及成因。主要表現為裂紋、剝落。一般情況下混凝土底座不容易產生裂縫，由于是現場澆注，因含水量過大和施工質量問題也都可能產生裂紋，所以裂紋寬度限制為≤0.5 mm(上表面)，這些裂紋部位進水后，經過長期凍融，將會造成封閉層的進一步快速破壞，其他多起因于安設軌道板精調模具時在底座上預埋固定裝置所致。

2.3.2 維修方法

1)軌道板傷損修復

①板面裂紋。軌道板上出現細小裂紋，在不影響列車運行的情況下只需進行修補裂縫，防止裂縫擴展;如果軌道板只是出現局部的混凝土剝落，對整體使用影響不大，仍然能提供鋼軌扣件完整的承載面，那么可以采用混凝土結構修補砂漿對剝落處進行修復;如果軌道板的受損面較大，有嚴重網狀龜裂和掉塊，承軌槽壓潰等嚴重傷損時，應及時進行大修。

②預應力鋼棒錨端碎裂。目前針對軌道板橫向鋼棒斷裂需直接更換鋼棒，現場張拉，對錨端重新修補封堵;縱向預應力鋼棒斷裂需將鋼軌抬起，將軌道板抬升露出錨端，進行更換鋼棒及修補錨端作業。

③承軌臺裂紋。裂紋較小時同軌道板裂紋處理;裂紋較大，扣件已失去固定作用時，應更換軌道板。

2)砂漿調整層傷損修復

水泥乳化瀝青砂漿因在軌道板下，裂紋無法及時發現，但有縱橫向通裂或環狀裂紋、嚴重掉塊等失效現象而不能繼續保證鋼軌扣件的正確位置時，應對其進行整體更換。

3)混凝土底座傷損修復

在裂紋產生初期一般采用聚合物水泥基材料進行封縫處理，后期造成的剝落則采用對剝落面鑿毛并使用專用混凝土修補材料進行修復。

嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道雖然在設計、施工過程中可以通過優選材料、優化混凝土配合比、改進施工工藝等大大減少初期裂縫，但運營時間一長，加上惡劣地理環境影響，不可避免地會出現各類裂縫及其他傷損，裂縫過大或繼續擴展貫通就會影響軌道穩定性，這就要求在維修保養中加強對裂縫的初期整治，確保線路的正常運營。

3 結束語

對嚴寒地區CRTSⅠ型板式無砟軌道各結構部件傷損形式進行了分析，提出了相應的維修方法，其中鋼軌和扣件的傷損在雙塊式無砟軌道等其他類型無砟軌道中也有所表現，維修方法也有相似之處，而軌道板、水泥乳化瀝青砂漿層等無砟道床的裂縫維修是板式無砟軌道主要傷損形式，也是無砟軌道養護維修技術研究的重點。目前，我國高速鐵路大量采用板式無砟軌道，對于各種類型無砟軌道維修方法還缺乏經驗和數據，因此，應進行深入的研究、探索和創新，為我國無砟軌道養護維修制定出一套安全、可行的方法。

［1］盧祖文.客運專線鐵路軌道［M］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［2］趙國堂.高速鐵路無碴軌道結構［M］.北京:中國鐵道出版社，2006.

［3］王其昌.高速鐵路土木工程［M］.成都:西南交通大學出版社，1999.

［4］易思蓉.高速鐵路線路［M］.成都:西南交通大學出版社，2007.

［5］許永賢，曾樹谷.客運專線鋼軌打磨驗收標準概述［J］.鐵道建筑，2006(6):62-65.

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