縱連式無砟軌道端刺區結構服役穩定特征分析

劉浩 江成 姜子清 黃安寧 張志遠 鄭新國 李培剛

（1.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；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.中國鐵路上海局集團有限公司上海高鐵基礎設施段，上海 200439；4.上海應用技術大學軌道交通學院，上海 201418）

高鐵路橋過渡段縱連式無砟軌道臺后錨固體系由摩擦板、端刺、路基填料等組成，以減小橋梁區段軌道結構縱向荷載對路基區段軌道結構的影響，降低不同構筑物間的剛度差異，實現了底座板和軌道板跨梁縫連續鋪設［1-3］，并嚴格控制臺后錨固體系中端刺結構的縱向位移，保證不同結構物間的協調變形與縱向剛度的平順性。路橋過渡段范圍的結構受力特征較為復雜，不僅承受橋梁結構傳來的縱向溫度荷載作用［4-5］，還受到由于路基-橋梁剛度差異而引起的列車動力荷載沖擊作用，是軌道結構的薄弱環節。隨著運營時間的延長，部分線路端刺錨固區不可避免地出現影響結構服役穩定性的問題。

端刺錨固結構受力及變形研究多集中于設計和建設階段［6-8］，針對運營期端刺錨固結構受力變形規律的研究相對較少。同時，由于錨固限位結構位于軌道結構下方路基中，屬于隱蔽結構，在運營條件下難以進行檢查維修。因此，縱連式無砟軌道臺后錨固結構變形特征及其對軌道結構的影響是線路運營維護中應重點關注的問題，對于保證路橋結合部縱連式無砟軌道的服役穩定，以及合理制定專項養護維修措施具有較好的現實意義和應用價值。

本文對運營期縱連式無砟軌道臺后錨固區結構服役狀態進行了現場調研及監測，分析運營條件下臺后錨固結構體系受力變形特征，掌握運營條件下無砟軌道臺后端刺區結構傷損形式，在此基礎上，提出了運營期臺后錨固結構變形控制措施，以期為臺后錨固區結構養護維修提供指導。

1 縱連式無砟軌道錨固結構設計及功能需求

對于縱連板式無砟軌道結構，由于橋梁上無砟軌道底座板采用縱向連續配筋，在溫度力及制動力下縱向荷載可達11 MN，并且要求縱向位移不超過3 mm［4，6］，常規的錨固地梁難以滿足縱連板式結構后臺錨固的需要。為此，原鐵道部工程管理中心組織開展了縱連板式無砟軌道端刺錨固結構設計及應用研究，并相繼在京津城際、京滬高鐵、滬杭高鐵等線路中進行了應用。

臺后錨固限位體系主要由土工布隔離層、摩擦板、小端刺、主端刺及過渡板組成［9］，摩擦板、端刺和過渡板為連續整體，混凝土設計強度C30。摩擦板下設置一定量的小端刺，并在其未尾設立主端刺。底座板與摩擦板間鋪設兩層土工布，摩擦因數控制在0.5 ～0.8。為進一步減小路橋過渡段的差異沉降，實現線路基礎剛度平順過渡，向路基土體中摻入一定量的水泥對土體進行改良，以提高承載力和抗疲勞性能，降低土體的壓縮性。路基填料分為兩類，近橋臺區域（約20 m）采用級配碎石摻水泥填筑，其余區段采用AB填料。Ⅱ型端刺區過渡段平面圖見圖1［9］。

圖1 Ⅱ形端刺過渡段平面圖（單位：mm）

端刺錨固結構受力較為復雜，主要利用摩擦板與土體、端刺底板與土體的摩擦力抵抗無砟軌道縱向力。溫度、列車荷載作用下縱向水平力經摩擦板傳遞至錨固于土體的端刺結構，避免了單一主端刺集中受力的問題。設計檢算主要控制端刺頂部水平位移和結構的受力穩定性。為加強端刺過渡板與路基支承層結合部地段的變形協調性及受力均衡性，Ⅱ型端刺區、過渡板及相鄰支承層上的三塊軌道板與基礎間設置4排16根φ28剪力筋以加強錨固。軌道板剪力筋布置見圖2。

圖2 軌道板剪力筋布置（單位：mm）

2 運營期臺后端刺區結構穩定特征

對于縱連板式無砟軌道端刺錨固結構，由于橋上底座板與臺后錨固體系縱連，溫度交變荷載、列車制動荷載以及下部基礎的不可控變形等均會對錨固體系位移傳遞、應力水平產生不利影響，可能會導致錨固結構變形超限，端刺與路基間的作用力不足以平衡溫度變化等荷載作用引起的水平力［10］，使得端刺過渡板與路基支承層連接處產生離縫，影響結構穩定性。

針對運營期縱連式無砟軌道臺后Ⅱ型端刺錨固區軌道結構的服役穩定性，通過現場定期跟蹤測試、監測等手段，分析外部荷載長期作用下結構的變形特征。

2.1 端刺區軌道結構變形情況

根據縱連式無砟軌道臺后端刺錨固區軌道結構及附屬設施狀態的周期性檢查結果，在每年的高溫季節7—8月份（最高氣溫超過35 ℃），端刺區軌道板層間離縫、上拱等傷損較為明顯。為進一步明確錨固結構變形特征及其引起的結構傷損形式，2018—2019年對某高鐵線路針對性地開展了專項調研分析。

1）2018年調研分析

由前述分析可知，縱連式無砟軌道結構溫度效應特征明顯，錨固結構的變形特征與季節性溫度周期的變化相關。因此，針對低溫至高溫環境條件下端刺區結構變形狀態展開調研分析，見表1。

表1 2018年Ⅱ型端刺區結構變形情況

根據高速鐵路縱連式無砟軌道臺后錨固區功能設計及軌道結構特點，結合前期研究成果可知［4，6］，溫度、列車荷載作用下端刺過渡板末端的變形量最大（圖3），且當溫度升高時端刺最大縱向位移遠離橋臺，降溫時則朝向橋臺。為保證結構穩定，需嚴格控制溫度荷載作用下的端刺水平位移。然而根據現場長期檢查結果可知，隨著運營時間的增加端刺過渡板與路基支承層處容易產生離縫，且高溫季節時較大，而在溫度降低時離縫逐漸減小，與外部縱向荷載作用下的結構變形規律一致。另外，端刺錨固結構變形會影響過渡板與支承層連接部位附近的寬窄接縫狀態，即低溫季節產生板間離縫，高溫季節可能存在縱向偏心受壓，增大板端上拱風險。

2）2019年調研分析

為繼續跟蹤分析端刺區結構服役穩定特征，2019年1—6月，對某路橋過渡段范圍內端刺錨固區軌道結構變形情況進行了現場調研分析。結果發現，端刺錨固區軌道結構同樣存在支承層離縫、寬窄接縫破損開裂等問題。其中，離縫主要位于Ⅱ形端刺尾部過渡板與路基段支承層間連接處，且存在混凝土破損剝落現象。根據工務部門長期檢測結果，連接部位離縫存在季節性伸縮變化，見圖4。溫度較低時，在路基段支承層與過渡段底座交界處出現支承層離縫現象。當溫度較高時離縫閉合，造成支承層擠壓破裂。另外，支承層與過渡板開裂處均伴隨板間接縫離縫現象。

圖3 過渡板與路基支承層間離縫主要位置（單位：mm）

圖4 過渡板與路基段連接位置離縫變化情況

2.2 端刺區結構變形監測結果

通過在過渡板、軌道板及路基支承層布置變形觀測標識，基于長期觀測和微視頻監測相結合的方案，分析端刺錨固區軌道結構離縫及其變化規律。監測工點為K1022+800—K1023+300 處路橋過渡段范圍內端刺過渡板與路基支承層處，端刺過渡板與路基支承層間離縫隨季節性溫度（2018年11月至2019年9月）變化曲線見圖5。

圖5 過渡板與路基支承層離縫隨季節性溫度變化曲線

從圖5可知，離縫與溫度荷載關系明顯，且與現場專項檢查分析所得的變化規律一致，具體表現為：冬季低溫條件下的離縫較大，隨著溫度升高，過渡板與路基支承層間離縫逐漸減小，當溫度達到37.5 ℃以上時離縫閉合。從2018年12月至2019年7月，在端刺過渡板和路基支承層水平間距測試過程中發現，隨著溫度降低端刺水平位移朝向橋臺，間距明顯增大，當環境溫度從8 ℃降至-1 ℃時間距從3.8 mm 增大至7.2 mm；隨著溫度升高，端刺變形遠離橋臺，當溫升幅度為38.5 ℃時，離縫已降低為0，溫度繼續升高則產生閉合擠壓現象。

另外，縱連式無砟軌道受層間黏結強度下降、縱向剛度不連續等因素的影響，溫度荷載下的結構變形特征主要表現為低溫條件下板端接縫離縫、高溫季節板端上拱等。對于端刺錨固區軌道結構，在層間傳力體系的影響下，端刺縱向水平位移會對過渡板與路基支承層附近的寬窄接縫狀態產生不利影響，不同溫度條件下板端寬窄接縫間離縫變化見表2。

表2 板端寬窄接縫間離縫

由表2 可知，板間接縫離縫總體上呈現出隨季節性溫度周期性變化的規律。冬季低溫條件下離縫較大，隨著溫度升高板間接縫離縫逐漸減小，且當溫度達到35 ℃以上時離縫閉合。從2018年12月至2019年7月，寬窄接縫在測量期間隨著溫度的降低，離縫明顯增大，當環境溫度從7 ℃降至-2 ℃時離縫已增大至約8.0 mm；當溫升至37.5 ℃及以上時寬窄接縫開始出現閉合擠壓現象。另外，現場監測結果發現，受端刺水平位移的影響，過渡板與軌道板間存在相對位移，且溫度越高相對位移越大。根據前期設計資料可知［9］，在端刺過渡板范圍內已進行植筋預加固，兩者之間的相對位移不利于植筋限位受力及砂漿層黏結狀態。

考慮縱連式無砟軌道結構特性及端刺水平位移的影響，臺后端刺錨固區板端寬窄接縫離縫問題應引起足夠的重視。在冬季低溫季節板端離縫下的雨水浸入會弱化層間黏結性能，而高溫環境下寬窄接縫擠壓破損容易導致結構縱向剛度不連續，進而影響線路平順性。

綜上可知，縱連式無砟軌道臺后端刺錨固區結構變形特征主要為支承層與過渡板間、軌道板與軌道板間的縱向相對位移，主要集中在過渡板末端靠近路基側，且呈現出隨季節性溫度而周期性變化的規律。

3 臺后端刺錨固區結構傷損形式

通過現場調研分析可知，運營期Ⅱ型端刺區主要為錨固結構變形引起的區域性傷損。主要表現為：結合部離縫、寬窄接縫擠壓破碎、軌道板上拱、支承層/底座板裂縫、路基線間封閉層開裂等，集中分布在過渡板末端靠近路基側。

3.1 軌道板傷損

臺后端刺區軌道板傷損主要表現為裂縫和掉塊，其中軌道板表面裂紋較為典型，在路基等普通區段同樣存在。根據TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》關于無砟道床傷損形式及傷損等級判定標準的規定［11］：軌道板除預裂縫處以外，其他部位不得有裂縫，且當裂縫寬度在0.3 mm 及以上時，傷損等級判定為Ⅲ級。軌道板預裂縫在結構設計中是允許開裂的，部分情況下有利于溫度荷載作用下的結構應力釋放，但應限制裂縫寬度，避免開裂影響結構耐久性與穩定性。

端刺區軌道結構力學行為與錨固體系傳力特征有關，錨固結構水平位移會對軌道板受力產生不利影響，具體表現為應力過大或集中導致的混凝土結構開裂。現場專項檢查發現，端刺錨固區軌道板傷損形式為板面橫向裂紋，裂紋在靠近板端第三根軌枕處，距端刺過渡板最右側約5 m，且該處裂紋位于預加固植筋位置。目前，工務部門采用了裂紋表面封閉的措施進行維護，建議加強日常檢查，對該類型軌道板傷損的發展情況進行定期觀測，尤其是在夏季高溫季節。

3.2 砂漿層傷損

端刺錨固區砂漿病害與普通地段的傷損形式相同，主要表現為裂縫和破損。裂縫病害包括垂直裂縫及斜裂縫，破損主要發生在寬窄接縫和精調爪支撐位置。另外，作為縱連式無砟軌道的一種典型傷損形式，在結構整體溫度荷載變形、溫度翹曲以及端刺縱向水平位移的影響下，臺后錨固區軌道結構存在砂漿與軌道板層間離縫（圖6），且同時伴隨砂漿析出泛漿問題。

針對此類傷損，TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》中規定［11］：水泥乳化瀝青砂漿充填層應與軌道板底部和支承層底座板密貼。臺后端刺錨固區砂漿層間離縫引起的黏結強度下降不利于縱連式無砟軌道層間傳力和承載，再加上端刺水平位移的影響，可能會加大板端上拱變形的概率。另外，為準確評判運營期縱連式無砟軌道砂漿層使用性能，基于沖擊回波法的砂漿層狀態快速檢測儀（已通過上道試用評審），在京滬、京津、滬杭等高鐵線路進行了現場檢測應用，實現了天窗時間內對砂漿層離縫的快速檢測。

根據砂漿層黏結狀態的檢測結果，可為進一步開展端刺區結構變形機理分析及軌道板高溫季節上拱變形、低溫條件下板端結合部離縫的影響提供數據支撐。

3.3 板端接縫傷損

已有研究成果表明，軌道板端接縫材料傷損導致偏心受力是引起軌道板上拱的主要原因之一。臺后端刺錨固區寬窄接縫傷損主要表現為：窄接縫缺損破碎、寬接縫破碎以及其與軌道板之間界面離縫過大等，且在過渡板與路基支承層附近較為明顯。寬窄接縫開裂、離縫見圖7。

圖7 寬窄接縫開裂、離縫

板端接縫狀態改變會影響結構軸向傳力機制，接縫處混凝土鋼筋截面削弱、界面黏結破壞及接縫離縫等引起結構縱連剛度、受力及約束條件發生變化。TG/GW 115—2012 規定［11］：軌道板間接縫處混凝土裂縫不得大于0.2 mm，接縫現澆混凝土與軌道板間離縫不得大于0.3 mm。綜合現場檢查及監測結果，板端接縫狀態隨溫度變化呈現出明顯的周期性變化規律，具有典型的區域性傷損特征。低溫條件下接縫離縫接近10 mm，高溫季節則為擠壓破損。工務維護部門現場檢查發現季節性變化特征較為穩定，未出現較大的波動。未采取離縫填充、防水封閉等整治技術措施的原因是考慮到高溫條件下端刺區錨固結構水平位移的影響，避免處理措施不當引起結構破損、線路高低變化超限等。

3.4 支承層/底座板傷損

通過2019年對某路橋過渡段端刺錨固區結構狀態專項檢查結果可知，支承層/底座板主要為裂紋類傷損，且裂縫位置存在混凝土破損脫落現象（圖8）。從裂縫形式和發生位置初步判斷是由于低溫拉應力引起的斷裂。縱連式無砟軌道結構設計中允許底座板和支承層開裂，但要求限制裂紋寬度及裂縫形式，按TG/GW 115—2012：橋梁地段連續底座板混凝土裂縫寬度不得大于0.3 mm；路基地段支承層不得有豎向貫通裂縫。然而臺后端刺錨固區部分支承層裂紋寬度及貫穿斷裂形式已超出該標準限值，高速列車經過時會加速其疲勞破壞，且雨水的浸入會導致基礎不穩定。

圖8 路橋過渡段支承層開裂

此外，臺后端刺過渡板與路基上支承層離縫處伴隨著線間防水封閉層出現貫穿裂縫（圖9），初步分析其原因同樣為溫度荷載作用下拉應力過大。

圖9 線間封閉層貫穿裂縫

4 運營期臺后端刺錨固區變形控制措施建議

隨著運營時間的增加，外部荷載作用下錨固結構變形以及結構區域性傷損會成為路橋過渡段無砟軌道運營過程中面臨的主要問題。一旦快速發展會影響軌道結構穩定性，增大軌道幾何形位變化，降低高速列車運行的安全性、舒適性等。針對臺后端刺錨固結構變形特征及傷損表現形式，提出了運營維護技術措施的建議。具體如下：

1）針對無砟道床裂縫、離縫等多發共性傷損，建議按照TG/GW 115—2012 關于表觀病害整治技術的規定，采用合適的材料進行修復，如軌道板開裂、擋肩裂縫可采用表面封閉法或低壓注漿法，砂漿層離縫采用低黏度樹脂注漿材料填充。

2）對于季節性溫度荷載作用引起的端刺過渡板與路基支承層間、軌道板間接縫離縫等典型區域性傷損，可采用高彈韌性材料進行離縫填充，在確保位移變形協調的基礎上進行應力釋放，避免接縫剛度不匹配引起的結構破損及線路高低變化超限等。

3）為進一步分析臺后端刺錨固結構力學傳遞及變形協調機制，建議對錨固區結構服役狀態進行系統監測，重點關注循環溫度荷載下端刺縱向變形及土體錨固力變化，為針對性地制定養護維修措施提供支撐。

4）針對端刺錨固結構季節性變形問題，建議開展路基錨固力增強材料及工藝工裝的專項研究，提出加強錨固體系自身變形控制方案。

5 結論

通過運營期臺后端刺錨固結構變形特征的專項檢查及分析，主要得到以下結論：

1）縱連式無砟軌道結構溫度效應明顯，臺后端刺錨固區結構變形特征表現為支承層與過渡板間、軌道結構關鍵連接部件的水平位移，且呈現出隨季節性溫度而周期性變化的規律。端刺錨固結構變形會影響過渡板與支承層連接部位附近的寬窄接縫狀態，低溫季節產生板間離縫，高溫條件下存在縱向偏心受壓情況。

2）根據現場專項調研及監測結果，端刺過渡板和路基支承層水平間距在低溫條件下較大，且隨著溫度的升高而逐漸減小，直至結合部離縫閉合。當溫降9 ℃時相對水平位移從3.8 mm增大至7.2 mm；當溫升幅度為38.5 ℃時離縫已降低為0。溫度從7 ℃降至-2 ℃時支承層-過渡板連接部位附近板間接縫離縫約8.0 mm；當溫升38.5℃時寬窄接縫開始出現擠壓，且伴隨接縫混凝土開裂、破損。

3）考慮端刺水平位移的影響，不同于普通地段軌道結構，路橋過渡段端刺錨固區結構傷損具有的典型區域性分布特征，主要集中在過渡板末端靠近路基范圍。目前，結構傷損主要影響耐久性，對結構穩定性及線路平順狀態的影響不大，但對于其產生機理及發展規律，需進一步跟蹤分析。