高鐵無砟軌道結(jié)構(gòu)病害與維修技術(shù)探討

孫 濤

中交第一公路工程局有限公司

高鐵無砟軌道結(jié)構(gòu)病害與維修技術(shù)探討

孫 濤

中交第一公路工程局有限公司

道岔是高速鐵路軌道的薄弱環(huán)節(jié)和限制列車通過速度的關(guān)鍵設(shè)備。道岔由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輪軌相互作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致其病害較多，歷來是鐵路養(yǎng)修的重點(diǎn)和難點(diǎn)。滬昆客專聯(lián)調(diào)聯(lián)試逐級提速時(shí)，動(dòng)檢車檢測某站8#道岔輪軸橫向力54.36，通過速度318km/h，超過輪重橫向力上限48KN，影響下行線逐級提速。當(dāng)晚天窗，由主管副經(jīng)理帶隊(duì)對8#岔進(jìn)行檢查、整治，取得了較好的效果。下面是我單位整治影響高速道岔動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)病害的具體做法。

高速鐵路；無砟軌道；病害與維修

1 國內(nèi)外同類技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀、專利等知識產(chǎn)權(quán)情況分析，目前國外對于此項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展正處于研究試用階段；國內(nèi)對于此項(xiàng)技術(shù)正處于可行性研究階段，無專利和知識產(chǎn)權(quán)。80年代初曾試鋪過瀝青整體道床，由瀝青混凝土鋪裝層與寬軌枕組成的整體道床，以及由瀝青灌注的固化道床等，但未正式推廣。進(jìn)入90年代以來，開始針對高速鐵路無砟軌道技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。為適應(yīng)我國發(fā)展高速鐵路的需求，初步提出了幾種高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)型式，雖然我國在高速鐵路的建設(shè)中和建成的總里程長度上都處于世界領(lǐng)先水平，但是無砟軌道的的研制工作又進(jìn)入了一個(gè)新階段。

國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢，無砟軌道結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了有砟軌道存在的穩(wěn)定性差、維修工作量大的問題，為高速度、高密度的鐵路運(yùn)輸提供了有利的條件。經(jīng)過40多年的國內(nèi)外鐵路發(fā)展和100多種結(jié)構(gòu)形式的試驗(yàn)，最后遴選出30多種軌道類型進(jìn)行現(xiàn)場試鋪，形成了適合不同運(yùn)輸條件下的無砟軌道體系，為無砟軌道的發(fā)展墊定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是我們必須看到，無砟軌道的還應(yīng)用存在局限性和缺陷性，在國內(nèi)外許多鐵路上還處于試驗(yàn)階段，在高速鐵路大面積的推廣也只有30年時(shí)間，無砟軌道結(jié)構(gòu)的發(fā)展，還存在很大的空間和優(yōu)化提高。

國內(nèi)外的施工研究項(xiàng)目。2006年第一個(gè)高速鐵路無縱向鋼筋雙塊式軌枕道床試驗(yàn)項(xiàng)目在西班牙被執(zhí)行；同時(shí)，在德國的試驗(yàn)項(xiàng)目和商業(yè)項(xiàng)目特別是在城市交通領(lǐng)域(輕軌交通/捷運(yùn))已經(jīng)成功地實(shí)現(xiàn)了；在希臘和臺灣等地已經(jīng)意識到此項(xiàng)研究的價(jià)值，并有各自跟蹤的項(xiàng)目。

2 存在的結(jié)構(gòu)病害問題

2.1 砂漿墊層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫

砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫是高鐵板式無砟軌道的常見傷損之一，這類離縫深度不等，一般在1mm以下，最長可達(dá)十幾米。此離縫缺陷的原因比較復(fù)雜，軌道板溫度梯度引起的板端翹曲、軸向溫度荷載導(dǎo)致軌道板伸縮、砂漿層灌注不飽滿、列車動(dòng)力荷載及基礎(chǔ)不均勻沉降等都會造成這類離縫傷損。產(chǎn)生離縫之后，砂漿墊層與軌道板之間的粘結(jié)會逐漸失效，無砟道床的整體性被嚴(yán)重削弱，嚴(yán)重影響軌道的靜態(tài)幾何形位和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。

2.2 砂漿層結(jié)構(gòu)缺損

滬昆線無砟軌道試驗(yàn)段的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)水泥砂漿層的破損。砂漿層病害主要包括砂漿層的斷裂和剝落，一般在軌道板板間接縫部位和軌道板精調(diào)爪附近較為突出，并且會日趨嚴(yán)重。砂漿層缺損病害是由砂漿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度直接決定的，與砂漿的配合比、生產(chǎn)工藝、施工工藝、運(yùn)營條件和溫度變化等因素密切相關(guān)，同時(shí)是在列車荷載作用下產(chǎn)生的離縫和豎向裂縫等傷損下誘發(fā)產(chǎn)生的。施工中補(bǔ)灌砂漿與原砂漿層無法有效粘結(jié)的情況下，極易出現(xiàn)砂漿層缺損掉塊，嚴(yán)重影響到砂漿層的性能和軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

2.3 道床板混凝土傷損

主要包括底座及路基混凝土裂縫和軌道板混凝土掉塊等。在高鐵客運(yùn)專線中出現(xiàn)的混凝土裂縫，主要是由于變形作用導(dǎo)致形成。變形受到約束后引起的壓力超過混凝土的抗壓強(qiáng)度從而導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。材料不均勻、施工溫度、收縮變形、鋼筋異常、地基不均勻沉降、混凝土骨料沉落等，都會引起混凝土裂縫。混凝土道床板出現(xiàn)裂縫以后，板中鋼筋容易銹蝕，并對混凝土不斷擠脹，使裂縫不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致混凝土的掉塊傷損。在長期服役的環(huán)境下，混凝土?xí)c大氣中的二氧化碳作用發(fā)生反應(yīng)，碳化后混凝土的脆性增大，加速了混凝土的掉塊剝離，大大降低了無砟軌道混凝土道床的耐久性以及承載能力。

3 結(jié)構(gòu)病害的維修技術(shù)與策略

3.1 無砟軌道損傷的修復(fù)方法

針對不同病害損傷，應(yīng)根據(jù)不同誘發(fā)原因采取不同的針對性措施，從根本上避免修復(fù)后再次出現(xiàn)損傷的可能。具體維修修補(bǔ)工藝應(yīng)按相關(guān)技術(shù)規(guī)程要求實(shí)施。對于砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫，最普遍有效的方法是注漿修補(bǔ)法。由溫度荷載引起的砂漿層與軌道板離縫，應(yīng)對軌道板進(jìn)行應(yīng)力放散和重新鎖定，然后采用低黏度的樹脂材料對離縫進(jìn)行注漿修補(bǔ)。對于基礎(chǔ)不均勻沉降引起的離縫傷損，首先要解決基礎(chǔ)的沉降問題然后再進(jìn)行離縫修補(bǔ)。對于砂漿層缺損掉塊傷損，應(yīng)根據(jù)砂漿層缺損面積的大小，采用直接修補(bǔ)或者立模修補(bǔ)的方法來進(jìn)行處理。目前比較成熟的方案是首先清除破損的砂漿層，然后加塞混凝土塊或者樹脂支承塊，再灌注環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)材料。對于混凝土的傷損，應(yīng)及時(shí)對其傷損面進(jìn)行植筋，涂刷底漆之后根據(jù)原混凝土的形狀制模并填入樹脂。維修部位在強(qiáng)度上應(yīng)達(dá)到原混凝土要求，新植入的材料應(yīng)具備良好的耐腐蝕性能，且與原混凝土粘結(jié)良好。

3.2 高速道岔結(jié)構(gòu)病害的防治

高速道岔結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，簡單的幾何尺寸病害很容易被發(fā)現(xiàn)，但造成動(dòng)力學(xué)病害的原因是很多種小病害共同導(dǎo)致的，往往很隱蔽，有時(shí)甚至是幾何參數(shù)良好的地段偏偏出現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)病害，所以找到產(chǎn)生病害的根本原因才是徹底整治動(dòng)力學(xué)病害的關(guān)鍵。

3.3 無鋼筋混凝土道床裂紋的控制

在這種情況下，通過添加纖維改善混凝土性能防止裂紋的出現(xiàn)，但是連續(xù)的無砟軌道混凝土道床受施工和復(fù)雜的外界環(huán)境影響，在道床的薄弱環(huán)節(jié)還是會出現(xiàn)一些自由的裂紋，且出現(xiàn)裂紋的位置不受控制，自由發(fā)展。當(dāng)沒有配筋而脆弱的混凝土受到張力的時(shí)候，道床開始變形，繼續(xù)有微裂縫，局部大裂縫。加入纖維后，混凝土?xí)牧计屏押蟮臓顟B(tài)。改良程度要依據(jù)很多因素，例如基礎(chǔ)的強(qiáng)度，纖維類形，纖維模量，纖維長寬比率，纖維強(qiáng)度，黏結(jié)特性，纖維劑量，纖維黏聚性及骨料的級配和外界環(huán)境。也根據(jù)裂紋自由發(fā)展不受控制的狀態(tài)，提出了道床單元的設(shè)計(jì)，單元式結(jié)構(gòu)使無砟軌道形成相對獨(dú)立的單元，基本消除了長大混凝土收縮及溫度的影響，局部的損壞對整體影響小，可方便實(shí)現(xiàn)軌道單元的維修和重建。由此裂紋被限制在某些特定的位置出現(xiàn)，例如在軌道板每3-4米間隔設(shè)置接縫，引導(dǎo)道床開裂，裂化只發(fā)生在這些接縫位置，在獨(dú)立的軌道單元內(nèi)裂紋幾乎不存在。如此措施就很好的解決了裂紋的發(fā)展，也滿足軌道道床結(jié)構(gòu)的承載力要求。

3.4 纖維混凝土的選用

纖維混凝土是由水泥，骨料及松散纖維料組成，適合用于加強(qiáng)混凝土的纖維物料有鋼、玻璃或有機(jī)聚合物制成。對于摻加纖維素纖維的混凝土質(zhì)量檢驗(yàn)與控制尚無國家標(biāo)準(zhǔn)，纖維素纖維在混凝土中的應(yīng)用存在使用不規(guī)范的情況。通過由5個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別在5個(gè)施工點(diǎn)對C30，C35，C40強(qiáng)度等級的混凝土進(jìn)行摻加纖維素試驗(yàn)，檢測摻加纖維素纖維前后混凝土試件的力學(xué)和耐久性指標(biāo)并進(jìn)行對比分析。研究結(jié)果表明，C30，C35混凝土摻加纖維后強(qiáng)度變化不明顯，電通量略有下降，C40混凝土摻加纖維后強(qiáng)度有下降趨勢，電通量則有上升趨勢，這種現(xiàn)象應(yīng)引起高度重視。因此選擇正確類型的纖維是纖維混凝土的關(guān)鍵問題，從幾種類型的纖維其特點(diǎn)進(jìn)一步研究，根據(jù)無砟軌道道床的結(jié)構(gòu)性能從而選出最合適的聚丙烯纖維滿足雷達(dá)軌道使用。在2012年10月第一次通過批準(zhǔn)后，評審程序在一座30米長的橋上系統(tǒng)測試，2013年2月，經(jīng)過幾周的操作，得到一個(gè)詳細(xì)的檢查結(jié)果，沒有發(fā)現(xiàn)橋上合成纖維混凝土道床上有裂紋。總之，(1)高鐵無砟軌道病害主要涉及砂漿墊層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫、砂漿層缺損和混凝土傷損等，必須經(jīng)過全面整治后才能恢復(fù)正常使用。(2)高鐵無砟軌道病害的修復(fù)要堅(jiān)持快速維修和可二次維修的原則，在修復(fù)過程中應(yīng)根據(jù)不同原因采取不同的針對性措施，具體修補(bǔ)工藝應(yīng)按照相關(guān)的技術(shù)規(guī)范要求實(shí)施。(3)高鐵無砟軌道目前的維修材料主要包括快干水泥砂漿、水泥乳化瀝青材料等無機(jī)材料和環(huán)氧樹脂和有機(jī)硅材料等有機(jī)材料。這些材料存在著一些固有的缺陷，開發(fā)一種新型無機(jī)快速修復(fù)材料迫在眉睫。

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[2]趙磊.高速鐵路無砟軌道空間精細(xì)化分析方法及其應(yīng)用研究[D].北京交通大學(xué),2015.

[3]楊薪.高架橋基礎(chǔ)上高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)受力分析[D].東南大學(xué),2015.