高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道預(yù)防性加固方案及應(yīng)用

趙虎 李秋義 黃傳岳 姜子清 王永華 劉文

（1.西南交通大學(xué)，成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，武漢 430063；3.中國鐵路上海局集團有限公司，上海 200071；4.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

CRTSⅡ型板式無砟軌道是我國應(yīng)用最多的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一，全路共鋪設(shè)8858 km，約占高速鐵路總運營里程的30%，涉及多條長大干線。受多種因素影響，高溫脹板上拱病害的發(fā)生時間、地點存在一定的隨機性，已成為CRTSⅡ型板式無砟軌道安全運營的主要風(fēng)險源。

高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道采用現(xiàn)澆寬窄接縫和6 組張拉鎖件實現(xiàn)預(yù)制軌道板的縱連，與縱連CA 砂漿層以及縱連底座板/支承層共同形成縱連軌道體系，實際形成了多層縱連體系。隨著CA 砂漿黏結(jié)性能逐漸劣化，軌道板與底座板/支承層不能完全形成整體受力，削弱了軌道結(jié)構(gòu)豎向抗彎剛度，穩(wěn)定性下降。隨著寬窄接縫破損、CA 砂漿脫黏粉化等軌道結(jié)構(gòu)病害［1-6]逐年積累，盡管原設(shè)計中已充分考慮溫度荷載的影響［7-8]并將其作為主控荷載之一，但在極端連續(xù)高溫條件下仍會發(fā)生軌道高溫脹板上拱病害，直接影響線路平順性。

CRTSⅡ型板式無砟軌道脹板問題已經(jīng)引起各方高度重視。2018年之前，主要采取加密巡檢、重點盯防、及時處置的處理方式，總體屬于應(yīng)急模式，未能預(yù)防風(fēng)險及有效遏制脹板發(fā)生的不確定性。中國鐵路總公司多次對脹板預(yù)防和徹底整治技術(shù)開展專項研究，尚未形成徹底整治方案。本文對CRTSⅡ型板式無砟軌道開展預(yù)防性加固技術(shù)研究，在維持既有縱連體系前提下，從結(jié)構(gòu)上控制軌道結(jié)構(gòu)變形尤其是板端上拱變形，對軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性尤其是豎向穩(wěn)定性進行預(yù)防性補強，降低脹板風(fēng)險及危害。

1 預(yù)防性加固方案

1.1 方案定位

預(yù)防性加固方案定位為形成徹底整治方案之前的過渡性方案，旨在主動開展預(yù)防性防脹工作，增強軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，以預(yù)防突發(fā)性脹板為主要目標(biāo)，保證過渡期間安全運營。

預(yù)防性加固方案在既有結(jié)構(gòu)體系上作防脹加固和補強，控制軌道板上拱變形，最大限度保證行車安全，并沒有消除軌道板中的溫度應(yīng)力，也并非徹底整治方案。同時要為徹底整治預(yù)留條件，不對軌道結(jié)構(gòu)體系作重大調(diào)整與改變。

1.2 方案內(nèi)容

借鑒建設(shè)期植筋及近年來高溫脹板整治經(jīng)驗，對華東地區(qū)夏季典型高溫區(qū)域內(nèi)的CRTSⅡ型板式無砟軌道進行預(yù)防性加固。針對路基、橋梁、隧道及過渡段等不同線下基礎(chǔ)的實際條件，在現(xiàn)有防脹技術(shù)的基礎(chǔ)上優(yōu)化軌道板加固植筋的數(shù)量及位置。預(yù)防性植筋錨固可以補強軌道結(jié)構(gòu)抵抗溫度變形的能力，一定程度上降低高溫脹板的安全風(fēng)險及危害，有效控制可能影響行車安全的突發(fā)性、大位移量的軌道板上拱變形，實現(xiàn)對軌道板的全面補強和加固。

常規(guī)區(qū)段預(yù)防性植筋加固方案如圖1所示。在每塊軌道板兩端分別植入2根銷釘。路基和橋梁區(qū)段均采用長350 mm 的HCC-DCTφ27 銷釘，植筋孔徑最大為32 mm，孔內(nèi)灌植筋膠固定銷釘。由于路基上支承層厚度大于橋上底座板，路基區(qū)段鉆孔深度設(shè)計為400 mm，橋梁區(qū)段為390 mm，其余各項參數(shù)均一致。由于軌道板與底座板存在一定幅值的相對錯動，在CA砂漿層位置處形成銷釘?shù)募袅ζ趨^(qū)。

圖1 常規(guī)區(qū)段軌道板植筋方案（單位：mm）

對于特殊區(qū)段，如端刺區(qū)路橋結(jié)合部、大跨度連續(xù)梁梁縫位置處、小曲線半徑大超高地段、路隧過渡段、軌道病害較突出區(qū)段等，植筋數(shù)量略有提高。端刺區(qū)以建設(shè)期既有的每塊板16根銷釘為基礎(chǔ)，以漸變遞減的方式分別向線路兩端進行植筋加固；大跨度連續(xù)梁梁縫位置處以建設(shè)期8 根銷釘為基礎(chǔ)，以漸變遞減的方式分別向線路兩端進行植筋加固。植筋分布以軌道板兩端均勻分布為原則。

2 有限元仿真分析

2.1 確定溫度荷載

為掌握軌道結(jié)構(gòu)溫度的特性和規(guī)律，在華東典型高溫區(qū)域內(nèi)對多個路基及橋梁地段分別進行布點測試。以滬杭（上海—杭州）高速鐵路海寧西站測試結(jié)果為例，路基地段的軌道結(jié)構(gòu)溫度曲線見圖2。統(tǒng)計各線路測試結(jié)果表明，在華東典型高溫地區(qū)，軌道板的整體升溫幅值及溫度梯度幅值在夏季都將達到明顯峰值。整體升溫幅值在全年周期內(nèi)接近60 ℃，正溫度梯度最大可達到甚至超過100 ℃/m。

圖2 路基地段軌道結(jié)構(gòu)溫度曲線（海寧西站）

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，溫度荷載選取為軌道板整體升溫55 ℃+底座升溫30 ℃+鋼軌升溫50 ℃。

2.2 建立有限元模型

為了驗證植筋錨固的力學(xué)性能，建立有限元模型，對連續(xù)80 m 長的軌道板及植筋受力進行分析。建模時，采用標(biāo)準(zhǔn)60 kg/m 鋼軌，扣件為WJ-8 型；軌道板長6.45 m，寬2.55 m，厚0.20 m；CA 砂漿層厚30 mm；支承層寬2.95 m，厚0.30 m；軌道板和支承層密度為2500 kg/m3；銷 釘 長350 mm，直 徑27 mm，采 用HRB500鋼筋。軌道結(jié)構(gòu)部分主要性能參數(shù)見表1。

表1 軌道結(jié)構(gòu)部分主要性能參數(shù)

模型中，鋼軌采用梁單元模擬；扣件系統(tǒng)采用彈簧單元模擬；軌道板采用梁單元模擬（考慮彎壓）；砂漿層僅考慮其支承效應(yīng)，采用彈簧單元模擬；支承層采用梁單元模擬。各計算參數(shù)按照設(shè)計值輸入。根據(jù)現(xiàn)場情況，模型中同時考慮下列因素：每道窄接縫存在20%的傷損初始缺陷，即高度方向20%的混凝土失效；軌道板與CA 砂漿層間存在不小于4 mm 的離縫；4根銷釘?shù)腻^固效應(yīng)。有限元模型如圖3所示。

圖3 軌道結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 計算結(jié)果及分析

輸入溫度荷載，計算軌道結(jié)構(gòu)及銷釘?shù)氖芰η闆r。軌道結(jié)構(gòu)豎向截面及銷釘?shù)膽?yīng)力云圖見圖4。

圖4 溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)及銷釘應(yīng)力云圖（單位：MPa）

由圖4可知：①在溫度荷載作用下，銷釘周圍的軌道結(jié)構(gòu)混凝土存在一定的應(yīng)力集中，但影響范圍很小且應(yīng)力集中所帶來的應(yīng)力增加幅度不大，總應(yīng)力處于材料強度安全范圍內(nèi)。植入銷釘對軌道結(jié)構(gòu)整體受力影響十分有限。②在溫度荷載作用下，銷釘?shù)氖芰χ饕憩F(xiàn)為上下兩端受拉、中部受剪。由于軌道板與底座板/支承層存在空間相對位移，銷釘受力本質(zhì)上是拉、剪、彎的三向應(yīng)力狀態(tài)，分別對應(yīng)銷釘錨固體系的抗拔性能、限制軌道板與底座板/支承層之間的縱向相對位移的能力、軌道結(jié)構(gòu)空間變形下銷釘?shù)膮f(xié)調(diào)變形能力。由于銷釘自身的受力安全系數(shù)較高，在溫度荷載條件下起控制作用的是銷釘周圍混凝土的破壞。

溫度荷載作用下，計算預(yù)防性加固后軌道板豎向位移，并與未加固時進行對比，結(jié)果見圖5。其中節(jié)點號為分析模型節(jié)點編號，表征軌道板節(jié)點位置。

圖5 溫度荷載作用下軌道板豎向位移

由圖5可知，預(yù)防性加固后，軌道板板端及板中變形均顯著下降，植筋錨固有效限制了軌道板豎向位移，軌道板更加穩(wěn)固。這是因為植入銷釘后，軌道板與底座板/支承層在縱向、橫向、豎向上的耦合受力均得以增強。

3 加固方案的應(yīng)用

將加固方案應(yīng)用于華東地區(qū)京滬、滬杭等多條高速鐵路。在進行預(yù)防性加固工程時，在端刺區(qū)路橋過渡段等特殊區(qū)段埋設(shè)傳感器，實時監(jiān)測表征預(yù)防性加固效果的關(guān)鍵參數(shù)，包括軌道結(jié)構(gòu)溫度、軌道板與底座板縱向相對位移、軌道板板端與底座板豎向相對位移、寬接縫寬度變化量、銷釘受力等，并與未加固地段進行對比。端刺區(qū)典型測試結(jié)果見圖6。

圖6 端刺區(qū)典型測試結(jié)果

由圖6（a）可知：預(yù)防性加固后的端刺區(qū)軌道板與底座板的縱向相對位移顯著減小，這表明預(yù)防性植筋錨固可以有效抑制軌道板由于CA 砂漿黏結(jié)失效導(dǎo)致的縱向竄動，緩解軌道板接縫處由于高溫導(dǎo)致的縱向相對擠壓；加固后的軌道板與底座板縱向相對位移日變化量低于未加固地段，這表明加固后軌道板與底座板的縱向相對位置關(guān)系更加穩(wěn)定，二者的縱向同步性得以增強。

由圖6（b）可知：預(yù)防性加固后的端刺區(qū)軌道板板端與底座板豎向相對位移顯著減小，軌道板上拱趨勢得到有效削減；板端豎向相對位移日變化量明顯低于未加固地段，這表明預(yù)防性加固可以有效增強軌道板的豎向穩(wěn)定性，降低脹板上拱風(fēng)險。

由圖6（c）可知：預(yù)防性加固后的端刺區(qū)寬接縫寬度變化峰值低于未加固地段，寬接縫的幾何狀態(tài)更加穩(wěn)定；加固后寬接縫寬度日變化量明顯低于未加固地段，這表明預(yù)防性加固可以有效緩解寬接縫的受力，明顯降低寬接縫擠潰風(fēng)險。

由圖6（d）可知：預(yù)防性加固后，端刺區(qū)銷釘受力絕對值及變化值均較小，遠小于設(shè)計受力，銷釘處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。這也證明加固后軌道結(jié)構(gòu)狀態(tài)更加穩(wěn)定，尤其是豎向穩(wěn)定性得以加強。

4 結(jié)語

為降低CRTSⅡ型板式無砟軌道在持續(xù)高溫條件下軌道板高溫上拱的風(fēng)險及危害，本文提出了軌道板防脹植筋預(yù)防性加固方案。通過建立有限元仿真模型，計算了溫度荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)及銷釘?shù)氖芰η闆r和軌道板的豎向位移。結(jié)果顯示，該方案可有效限制軌道板豎向位移，滿足抑制脹板的技術(shù)需求。

將該方案應(yīng)用于實際線路，并測試了表征軌道結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)果顯示，采用軌道板植筋錨固可有效限制軌道板與底座板/支承層的縱向相對位移，軌道板縱向竄動趨勢顯著下降，相鄰軌道板之間的相互擠壓得以有效緩解；可顯著降低軌道板與底座板/支承層的豎向相對位移，加強二者耦合受力，提高軌道穩(wěn)定性，降低高溫脹板風(fēng)險；可削減寬接縫寬度的變化幅度，改善寬接縫受力，降低其擠潰風(fēng)險。

對2018年完成預(yù)防性加固的CRTSⅡ型無砟軌道進行跟蹤調(diào)查，結(jié)果顯示，高溫期間運營狀態(tài)良好，整體達到了覆蓋性全面補強軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的預(yù)期目標(biāo)。