無砟軌道路基持續上拱整治技術

張新岡 張千里 蔡德鉤 陳鋒 李中國 閆宏業 王鵬程

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

近年來高速鐵路無砟軌道路基出現了不同程度的上拱病害，上拱高度遠遠大于軌下墊板調節高度［1］，嚴重影響軌道平順性及行車安全。目前成渝高速鐵路、武黃高速鐵路、武岡高速鐵路、成綿樂高速鐵路、蘭渝高速鐵路、蘭新高速鐵路等均有上拱病害發生，在特殊環境及特殊土條件的影響下蘭新高速鐵路及成渝高速鐵路內江北站附近出現路基持續變形10余處，總長度超過1 700 m，每年上拱量高達40 mm［2-6］。目前高速鐵路無砟軌道路基上拱病害整治的方法有切割、換填、拆除重建等［7-9］。其中切割整治主要是切除支撐層混凝土，從而達到降低軌道標高的作用。該方法由于支撐層厚度有限，切割次數受到限制［10］。換填混凝土一般是挖除路基填料后將軌道板標高調整到設計標高后灌注高性能聚合物。該方法適用于路基上拱變形已經穩定，變形不再持續發生的情況［11-12］。以上方法存在的通病是整治完成后一旦再發生路基變形，整治難度將大大增大且費用較高。

對于高速鐵路無砟軌道路基持續上拱變形發生的病害情況，目前尚沒有有效的方法。本文主要針對高速鐵路無砟軌道路基上拱變形持續發生的情況，提出變梯度結構板置換技術，后期維護簡單易行，對無砟軌道路基持續上拱變形具有一定應用價值。

1 變梯度結構板整治方案

1.1 方案總述

變梯度結構整治技術方案主要用于解決無砟軌道路基持續上拱，超出軌下墊板調節范圍，變形不收斂的問題。該方案在夜間天窗點施工，不影響高速鐵路正常運營，主要工序包括破除線間及路肩封閉層、挖除支撐層下基床級配碎石、變梯度結構EPS混凝土板預制，基床表層EPS混凝土預制板置換、恢復封閉結構及后期調整預制板維修。結構橫斷面如圖1所示。

圖1 結構橫斷面示意（單位：m）

1.2 變梯度結構板設計及制作

圖2 變梯度結構板示意

變梯度結構板中設貫穿孔洞，孔洞直徑從下至上依次遞減，如圖2所示。變梯度結構板長度和支撐層寬度相同（具體按每條高速鐵路支撐層寬度確定），寬度1.5 m，厚度分別為0.15，0.08，0.09，0.06 m，中間孔洞直徑為0.15～0.09 m。

變梯度結構板具體施工程序如下：采用定型鋼模板，表面平整、整潔及密實，表面涂脫模劑，為保證安裝精度，平整度控制在1 mm以內，盡量減小板在預制過程中的翹曲變形；混凝土采用EPS混凝土，減小結構板自重，澆筑時嚴格控制入模溫度，振搗采用平板振搗器；混凝土蒸汽養護21 d，表面噴涂聚氨酯預聚體薄層。

變梯度結構EPS混凝土預制板的優點主要為：①EPS混凝土重量較輕，安裝及維修拆裝方便；②預制板結構中的圓孔除了能減輕預制板結構重量，還能允許填料膨脹時進行填充，減緩路基上拱速度；③變梯度結構可以很好地從支撐層的剛度逐漸過渡到路基填料剛度，即一次性減弱。

1.3 置換方案實施

首先通過上拱變形的測量數據，確定路基置換及順坡范圍。將路肩及線間封閉層破除，范圍與開挖整治范圍一致，如圖3所示。每個軌道板間設置限位裝置，限位裝置采用反力墩形式，做好限位裝置后再暗挖基床。

圖3 破除封閉結構示意（單位：m）

基床暗挖高度為0.6 m，由線間及路肩兩側同時開挖，寬度為1.5 m。采用間隔暗挖，間隔距離為1.5 m，開挖完成后用千斤頂支撐在鋼軌正下方。每次天窗點開始時拆除，天窗點完畢時安裝，保證白天高速鐵路正常運營。置換分2步：①置換第1批1.5 m單元，基床暗挖完成后在基床底部埋設線間排水管道，埋設完成后安裝變梯度結構板；②安裝完畢后開挖第2批單元，開挖時采用千斤頂設備進行支撐，千斤頂支撐及變梯度結構板安裝與第①步相同，如圖4所示。

圖4 置換結構示意（單位：mm）

整治范圍內全部挖空后，對軌道結構進行落道調整，采用全站儀及安伯格軌檢小車對高程和平面位置進行精確調整，逐根軌枕進行測量，通過支撐層下千斤頂調整軌道高程，直至滿足設計要求。軌道標高調整至預定高程后，利用反力墩提供橫向反力進行軌道平面位置調整，采用頂推裝置對支承層施加橫向推力，并實時監測，逐步使軌道板恢復到目標平面位置。線間砌筑集水井與預埋排水管施工與暗挖同時進行，線間及路基回填采用預制砌塊填充，后期調整路基高程時方便快速。線間及路肩封閉結構采用防水混凝土罩面，線間通過集水井排水，路肩采用4%坡度進行排水，如圖5所示。

圖5 恢復后單線結構示意（單位：mm）

1.4 維修方案

整治完成后路基上拱持續發生，首先調節軌下墊板，超出軌下墊板調整范圍時，再調整支撐層下預制板數量及厚度。具體方法如下：首先破除防水混凝土，然后取出路肩及線間預制砌塊，用千斤頂頂起支撐層，抽出變梯度結構板調整至設計標高，最后恢復線間及路肩封閉層。

2 變梯度結構板有限元分析

2.1 模型參數確定

變梯度結構板幾何尺寸為：1.7 m×1.5 m×0.15 m，板中間均勻布設4×4個變梯度孔，內部孔洞孔徑由上而下依次遞增，從0.1 m至0.2 m，梯度為0.67。變梯度結構板中混凝土彈性模量和泊松比按照GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》［13］取值，所受荷載按 TB 10621—2014《高速鐵路設計規范》［14］取值。以CRTSⅠ型板式無砟軌道為例，具體參數見表1。

表1 材料力學性能指標及荷載參數

通過有限元軟件建立變梯度結構板實體模型，分析其應力、變形及不同厚度時的應力集中。網格類型采用實體網格，節點總數為28 974，單元總數為17 538。

2.2 應力及變形分析

變梯度結構豎向載應力分布見圖6，圖中壓應力為正。可知，最大應力為349 Pa，最小應力為8.143 Pa，板中應力較大，隨著向四周擴散應力逐漸減小，滿足EPS混凝土強度要求。

變梯度結構板豎向應變分布見圖7。可知，最大變形為8.581×10-8mm，變形量由板中向四周逐漸增加，板中變形量很小，滿足行車要求。

圖7 豎向應變云圖（單位：mm）

2.3 應力集中分析

取不同厚度的變梯度結構板分析板中孔洞應力集中問題，取變梯度孔1/4進行應力和變形分析，應力分布見圖8。可知，6 mm厚的預制板應力最大，最大應力為8 358 Pa，變形不足1 mm，滿足EPS混凝土強度要求。

圖8 孔板應力集中應力和變形云圖

3 結論

1）該整治技術可應用于無砟軌道路基上拱變形不收斂情況下，通過天窗點時間進行置換，后期調整簡單易行，在不影響列車運行的同時，還可有效避免對不收斂區段反復整治，通過簡單的天窗維修即可改善軌道平順性。

2）變梯度結構孔洞設計可實現路基結構從上至下強度依次遞減，同時，變結構梯度板中的圓孔可以在路基填料膨脹時進行填充，以有效減緩路基上拱變形的速率。

3）通過數值計算得到變梯度結構板最大應力為349 Pa，最大變形為8.581×10-8mm。對計算不同厚度預制板應力集中問題進行分析，得出厚6 mm時預制板應力最大，最大應為8 358 Pa，滿足強度要求。