雙塊式無砟軌道糾偏修復時道床板結構受力變形行為研究*

劉 競，鄭新國，盧克明，張立彬，王 晨，潘 鋒，田 億

(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.山東大萊龍鐵路有限責任公司，山東 煙臺 265401；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州高鐵基礎設施段，甘肅 武威 733000； 4.中國鐵路烏魯木齊局集團有限公司烏魯木齊高鐵維修段，新疆 烏魯木齊 830000； 5.中鐵上海工程局集團第四工程有限公司，天津 300450)

0 引言

由于復雜地質環境、列車長期作用等原因，個別路基地段CRTS I型雙塊式無砟軌道結構出現一定的橫移現象[1]，產生較大的軌道橫向不平順，對正常行車產生一定影響[2-3]，需利用天窗時間對產生偏移的無砟軌道結構進行橫向頂推糾偏修復，以恢復軌道結構平順性[4-7]。

路基段CRTS I型雙塊式無砟軌道是將預制的雙塊式軌枕，以現場澆筑混凝土的方式澆入均勻連續的鋼筋混凝土道床內的無砟軌道結構形式[8-9]，其道床板下方為采用滑模攤鋪或立模澆筑方式施工的連續的水硬性混凝土料或低塑性混凝土支承層[10]。該形式無砟軌道縱向連續的結構特征及橫向寬度大于豎向高度的斷面特征決定了其橫向剛度較大，加上路基基床表層摻水泥級配碎石層對其的阻力，橫向頂推糾偏時所需的糾偏力較大，在進行頂推糾偏時，若控制不良，可能出現軌道結構混凝土開裂或壓碎破壞問題；同時，雙塊式無砟軌道支承層與道床板組合的層狀軌道結構特征也決定了在進行頂推糾偏過程中可能出現層間水平錯位損傷的風險。

為避免上述問題出現，依托中國鐵路總公司科研開發計劃課題(2017G002-D)支持，中國鐵道科學研究院集團有限公司系統研究了采取逐級加載、支承層與道床板同步橫向頂推糾偏的技術方案，為系統驗證該技術方案的有效性和可靠性，本文以某線路路基段CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構糾偏修復為工程依托，同時對糾偏過程中雙塊式無砟軌道結構中的道床板進行了應變規律測試，以研究橫向糾偏時雙塊式無砟軌道的受力演變行為，確保在滿足一定糾偏量的情況下，無砟軌道結構受力合理并未受損開裂[11-12]，各層同步變形不發生錯動滑移。

1 試驗方案

1.1 試驗段情況

本試驗選取某客運專線一段47m長線路為測試對象，其中頂推糾偏段長27m。該段線路為路基段CRTS Ⅰ型雙塊式無砟軌道結構，如圖1所示。其支承層寬3 400mm、厚265mm，設計為C15低塑性素混凝土結構，采用立模澆筑施工，每隔3.9m設1道橫向假縫，深90mm、寬5mm。其道床板寬2 800mm、厚260mm，設計為C40鋼筋混凝土結構，每19.5m為1個單元，單元與單元間設30mm伸縮縫(真縫)，通過7根傳力桿連接。道床板單元內每隔3.9m設1道橫向假縫，深65mm、寬10mm。該段線路軌枕間距為650mm。

1.2 軌道橫向頂推方案

在軌道一側均勻設置頂推反力結構，在軌道和反力結構之間布置千斤頂，千斤頂間隔為5根軌枕距離。在頂推點處千斤頂與軌道間設置墊塊，確保道床板基本均勻承受糾偏頂推力。頂推試驗按不同頂推力值逐級加載，直至試驗段中間斷面最大糾偏量達20mm時停止加載。該段雙塊式無砟軌道結構橫向頂推試驗橫斷面如圖1a所示、平面如圖1b所示。

圖1 雙塊式無砟軌道結構頂推試驗橫斷面、平面及應變測點布置

1.3 應變測試系統

應變測試系統采用DH3816N靜態應變測試系統。試驗采用連續采樣方式，采樣頻率為2Hz，試驗時記錄整個受力過程中軌道結構應變。試驗采用的應變片型號為BX120-100AA，敏感柵尺寸為100mm(長)×3mm(寬)，電阻值為(120±0.2)Ω，靈敏系數為2.08±1%。

1.4 應變測點布置

分別在道床板兩側側面間隔平均2.5根軌枕間距設置應變監測點。道床板側部共布置測點120個。測試范圍為27m頂推糾偏段(21～63枕)及其前后各10m范圍，總長為47m(06～77枕)。應變測點布置如圖1b所示。

1.5 測試內容

無砟軌道結構橫向頂推糾偏試驗時，通過千斤頂壓強表監控各千斤頂的同步分級頂推；通過全站儀、拉線位移傳感器測量逐級加載頂推時各千斤頂對應位置的橫向糾偏量；通過應變測試系統自動采集各測點應變時程曲線。

試驗時，從零開始逐級同步加載，同時連續采集各測點應變、觀察軌道結構狀態。每加載至一級后穩定千斤頂，待所有數據測量完畢后繼續加載。開始時按5MPa為公差逐級加載，當加載至>25MPa時減小公差并繼續逐級加載；當加載至最大33MPa，試驗段中間斷面軌道橫向糾偏量達20mm，此時停止加載。頂推糾偏過程中，連續測試并記錄整個過程中試驗段120個測點位置處道床板混凝土的應變時程曲線，其中以頂推區段中間斷面的道床板左側DL41、右側DR41為例，其應變時程曲線如圖2所示。

圖2 頂推糾偏時軌道測點應變時程曲線

2 試驗結果分析

逐級加載頂推過程中，所測得的道床板左側DL06～DL76測點、道床板右側DR06～DR76測點位置處的混凝土應變如圖3所示。

圖3 逐級加載控制下道床板側面應變曲線

由圖3可看出，隨著頂推力的增加，道床板左、右兩側混凝土應變絕對值增加。當軌道頂推區段中間斷面的糾偏量達20mm時停止加載，此時頂推力達到最大值33MPa，道床板混凝土應變也達到最大值，所測得的道床板左側混凝土最大拉應變為41.68×10-6，最大壓應變為-50.83×10-6；道床板右側混凝土最大拉應變為61×10-6，最大壓應變為-90.48×10-6。根據胡克定律，道床板混凝土所受最大壓應力為：

道床板混凝土所受最大拉應力為：

由以上兩式可看出，道床板混凝土實測最大拉、壓應力均小于道床板C40混凝土抗拉、壓強度標準值。這一點和現場觀察結果相吻合，頂推糾偏過程中未發生道床板混凝土開裂或壓碎破壞。

由圖3還可看出，道床板左側混凝土應變曲線呈現“M”形，道床板右側混凝土應變曲線呈現“W”形，且均存在明顯的拉、壓區域和反彎點。由此可見，試驗段道床板變形類似于連續梁彎曲變形。這說明道床板伸縮縫部位傳力桿和裂縫處鋼筋能傳遞一部分彎矩，使這些位置兩側道床板能協調變形。這一點也通過現場觀察和測量結果得到驗證。在頂推過程中，軌道結構的伸縮縫及既有混凝土裂縫寬度有明顯變化，即受壓區變窄趨于閉合，受拉區變寬；但隨著糾偏完成千斤頂卸載后，基本恢復到糾偏前寬度，未出現錯臺及破壞跡象。但值得注意的是，道床板右側混凝土應變曲線局部存在不平滑現象，經分析認為道床板右側部分應力在伸縮縫及既有裂縫這些薄弱處得到釋放，導致道床板在這些剛度不均勻的位置出現一定的變形不協調問題。

通過逐級加載控制直至最大糾偏量達20mm，在實現軌道結構橫向糾偏修復的同時軌道結構未因施加較大的糾偏荷載而出現軌道混凝土開裂和壓碎破壞問題，軌道伸縮縫及既有裂縫處也未出現錯位破壞。

3 結語

1)通過逐級加載控制，在最大糾偏量20mm的情況下，雙塊式無砟軌道道床板產生最大拉、壓應力均未超過混凝土的極限拉、壓應力，糾偏修復不會造成無砟軌道混凝土產生開裂或壓碎破壞。

2)橫向頂推時，無砟軌道道床板應變曲線均呈“M”和“W”形，類似于連續梁的彎曲變形，有明顯的受拉區、受彎區及反彎點；糾偏結束卸載后，該部分變化量基本恢復，即頂推糾偏不會造成無砟軌道結構在既有裂縫和伸縮縫等薄弱處進一步破壞。

3)通過采取逐級加載控制，在確保軌道結構不受損情況下，實現對無砟軌道結構的橫向頂推糾偏。