高速鐵路無砟軌道主要病害分析與無損檢測

陳 偉

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116000）

0 引言

目前，無砟軌道在國內高速鐵路建設中有著非常廣泛的應用。因此，無砟軌道的病害分析以及無損檢測，對高速鐵路的安全與穩定運行具有至關重要的意義。由于技術層面因素的影響，高速鐵路無砟軌道的運行過程中依然存在著方方面面的問題與不足。為有效規避這種運行風險，并且對無砟軌道運行過程中存在的問題進行及時處理，需要結合現代無損勘測技術手段對高速鐵路無砟軌道的病害成因進行分析，從而提升軌道整體的運行穩定性與安全性。

1 高速鐵路無砟軌道情況評估的重要意義

隨著現代科學技術的不斷發展與進步，高速鐵路也實現了技術層面的優化與完善。其中，無砟軌道目前已經成為我國高速鐵路軌道運行的重要模式，并且在全國范圍內得到了廣泛的應用。在高速鐵路無砟軌道的實際運行過程當中，軌道的平順性以及安全性能對于軌道的正常運行起著非常關鍵的作用。然而，由于受到多方面人為以及環境因素的影響，高速鐵路無砟軌道在投入運行之后會出現不同程度的病害問題，對軌道的穩定性以及安全性都具有非常不利的影響。因此，為了有效規避以及解決高速鐵路無砟軌道出現的病害問題，需要建立起一套完善的軌道評估與整治體系，避免可能出現的安全問題，并且對無砟軌道運行過程中存在的安全問題進行及時合理的處理，保障高速鐵路無砟軌道運行的安全性及穩定性，促進我國高速鐵路無砟軌道的長遠發展。目前，針對高速鐵路無砟軌道運行的特殊性，主要采用的是相對安全的病害無損檢測法。高速鐵路無砟軌道整治與評估體系的建立，對于我國高速鐵路的整體運行與發展具有十分重要的現實意義，因此需要相關部門以及人員給予充分的關注與重視，為高速鐵路的安全穩定運行奠定堅實的基礎。

2 高速鐵路無砟軌道主要病害分析

2.1 正常無砟軌道

分析高速鐵路無砟軌道的常見病害之前，首先需要明確正常性能的無砟軌道運行情況。一般而言，正常無砟軌道在檢測過程中，可以顯示出非常明顯的界面分層結構，包括軌道板層、基床表層以及砂漿層。同時，正常的無砟軌道在進行地質雷達監測時，會呈現出光滑平整的電磁波形，軌道板內側面的電磁脈沖反射也可以實現非常清楚的觀測。此外，在正常的高速鐵路無砟軌道中，配筋粗細程度均勻穩定。穩定均一的信號波形，表明軌道內部混凝土的密實性良好，軌道各層之間沒有出現間隙與孔洞，軌道的性能良好且正常，可以保證高速鐵路的穩定與安全運行。

2.2 病害成因

目前，國內運行的高速鐵路無砟軌道主要包括板式以及雙塊式兩大類型，這兩種軌道在實際運行過程中產生病害的原因也呈現出多元化的特質。一般而言，出現軌道病害的原因主要是混凝土澆筑過程中存在氣泡、軌道底板破裂、軌道層間孔洞裂隙以及基床層面出現裂隙等。在進行軌道上層混凝土澆筑過程中，下層混凝土附著的粉塵、沉渣等雜質需要進行完全的清理掃除，以防止混凝土內部出現孔洞與裂隙，降低無砟軌道的安全性能。此外，軌道混凝土澆筑的時間間隔不宜過長，防止不同層面的混凝土之間出現難以融合的問題。這些問題在前期施工過程中，需要加大監管力度，否則在高速鐵路正式投入運行后，強大的沖擊力度以及負載會引起嚴重軌道病害的發生，對高速鐵路無砟軌道的整體運行造成嚴重危害。

2.3 常見病害類型

2.3.1 砂漿層裂隙與損壞

目前國內的高速鐵路無砟軌道的砂漿層主要采用結構單一、不含配筋的混凝土，這種單一結構的混凝土構造導致軌道在實際運行承重的情況下，容易產生軌道砂漿層的破損與裂隙[1]。其中，在軌道混凝土澆筑均勻性較差的位置，軌道的損壞與裂隙成為非常容易出現的病害。

2.3.2 軌道層配筋不均

在高速鐵路無砟軌道混凝土配筋時，由于配筋位置交錯、混凝密實性較差以及配筋粗細不均等原因，在軌道正式投入運行后，會對軌道整體的承重以及軌道各層之間的結構位置造成不良影響，最終影響軌道層的運行性能，降低軌道的平滑性與負載強度。

2.3.3 軌道板內部結構損壞

在高速鐵路無砟軌道前期混凝土澆筑過程中，由于混凝土密實性不佳等多種因素的影響，在軌道各層之間會形成位置的交錯以及區域結構穩定性降低。由于實際運營過程給高速鐵路無砟軌道帶來的高強度負載，鋼筋結構之間錯開的位置以及密實性較差的部分可能會在巨大壓力下演變成破損的孔洞以及裂縫，最終引發十分嚴重的安全問題。

2.3.4 軌道層間結構破損

在上層混凝土澆筑過程中，可能由于砂漿層粉塵、沉渣等沒有進行徹底清理，造成砂漿層與軌道板之間出現裂隙或孔洞。尤其在軌道承受高速負載的情況下，在砂漿層與軌道板之間會出現層間裂縫與損壞[2]。對于縱深的裂隙，由于長期承載高負荷的壓力，可能會出現裂縫的貫穿與斷裂，在惡劣的氣象條件下會造成非常不利的后果。例如，在降水環境中，雨水從軌道的貫穿裂隙中流入，影響軌道的整體結構安全，同時由于高速鐵路無砟軌道的特殊性，對于滲透軌道內部的雨水很難進行清除，這對軌道的使用壽命及運行安全都將造成非常不利的影響。

2.3.5 軌道板表面磨損

高速鐵路在實際運行中必須保證軌道板表面的平整與光滑，然而由于施工過程中存在的諸多問題，會導致軌道板平整性受損。在正式投入使用后，由于較高的負載與重力，導致軌道板出現破損甚至無法使用，從而對高速鐵路的安全運行造成嚴重危害。

3 高速鐵路無砟軌道的無損檢測方式

目前，我國對于高速鐵路無砟軌道常用的無損檢測方法主要包括地質雷達法、多道瞬態瑞雷面波法、沖擊回波法以及地震映像法[3]。不同的檢測方法所適應的環境背景與作用特點存在著一些差異，因此在選擇高速鐵路無砟軌道的無損檢測方法時，要充分考慮不同檢測方法的特性，選擇最優的無損檢測技術手段，提升高速鐵路無砟軌道病害無損檢測的效能。

3.1 地質雷達法

地質雷達法在高速鐵路無砟軌道無損檢測中的應用最為廣泛。地質雷達法主要是通過向目標物發射電磁脈沖信號，一般多采用頻率較高的電磁波，通過連續發射高頻電磁脈沖，對目標物的特性進行勘測[4]。在連續的高頻電磁脈沖傳播過程中，遇到存在電性差異的物體表面時，通常會發生反射與透射。電磁脈沖信號接收器則將反射的電磁波信號進行接收與記載。一方面，通過接收器接收的電磁波信號的頻率、波幅以及波形等要素，可以對目標物體的特性進行判斷分析，從而得出目標物的特征。另一方面，根據接收器接收到電磁波信號的間隔時間以及該頻率電磁波在目標介質中傳播的速度，可以對目標物的深度進行推斷與計算。地質雷達法對于高速鐵路無砟軌道中混凝土內部的裂隙孔洞以及配筋結構的病害檢測具有著非常重要的意義，因此也是進行相關病害檢測的首選技術手段。然而，由于軌道板內配筋的影響，電磁信號比較容易發生衰減，因而對于軌道板與機床層之間界面的檢測效果不理想，難以產生清晰的檢測信號。

3.2 多道瞬態瑞雷面波法

瞬變電磁法的檢測原理主要是利用物體質點之間慣性與彈性的相互作用，從而對體波產生干涉，然后在物體界面與內部進行波的傳播，進一步衍生出面波。其中，由于面波的能量特點，通常利用面波進行目標物的檢測與勘察，從而實現檢測過程中信噪比的有效提升。同時，瑞雷波會沿著地球表面進行擴散與傳播，瑞雷波的傳播深度主要取決于瑞雷波的波長，而傳播的速度則主要與瑞雷波的頻率相關。瑞雷波的這種傳播特性被稱為面波傳播的頻散，這也是面波勘探檢測的重要原理。然而，受到測量精度的影響，當前的多道瞬態瑞雷面波法對板式高速鐵路無砟軌道的病害檢測相對受限。

3.3 沖擊回波法

沖擊回波法是指通過發生彈性沖擊時瞬時產生的應力波在目標物內部進行傳播，并且在裂隙與孔洞的位置發生波的反射，這種反射波會造成結構表面發生位移，這一位移可以被設置的接收器記錄，并且產生電壓與時間相關的信號，再經過一系列轉換，最終得到振幅與頻率圖形，對目標物的內部結構進行反映[5]。通過對振幅與頻率圖形的分析，可以得到目標物的厚度以及內部破損的位置深度。沖擊回波法對于板式高速鐵路無砟軌道離縫病害的檢測具有非常重要的意義。一般而言，沖擊回波對于目標物不同的介質之間阻抗的差異具有較高的靈敏性，因而在存在離縫病害的板式軌道的離縫界面會發生強度較大的反射，這一反射波的信號可以通過接收器以及傳感器呈現，最終實現板式高速鐵路無砟軌道離縫病害的無損檢測。

3.4 地震映像法

地震映像法主要是針對于較淺層的地震勘測方法，因此在應用過程中存在著一定程度的局限性[6]。地震映像法是從反射波勘測技術衍生出來的勘測方法，主要是通過發射固定偏移距的信號對剖面的目標物進行勘察，再通過接收器對反射波的傳播時間以及放置在地表的各個接收器之間的位置數據，對目標物的深度進行推斷與勘測。顯然，地震映像法也無法滿足板式高速鐵路無砟軌道離縫相關的病害檢測。

4 結束語

受到發展時間的限制，目前我國高速鐵路無砟軌道的病害無損檢測依然處于相對滯后的階段，相關勘測經驗也較為欠缺。由于高速鐵路運行過程中的高負荷以及高速度特性，軌道表面以及內部存在的小問題也會成為威脅軌道安全運行的大危害。因此，需要對高速鐵路無砟軌道的常見病害建立完善的認知，在前期施工過程中進行科學合理的規避。同時，對軌道進行定期的無損檢測，及時排除軌道運行過程中存在的問題，保證軌道的安全與穩定運行。