CRTSII型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿劣化特征與更換技術研究

王 峰 中國鐵路上海局集團有限公司上海高鐵基礎設施段

1 前言

至2020 年底，中國高速鐵路網運營總里程已超過3.8 萬km。其中采用CRTSⅡ型板式無砟軌道的高速鐵路有京津城際、京滬高鐵、滬杭高鐵、寧杭高鐵等，總長約為4772 雙線公里，設計時速基本為350 km/h。這些高鐵線路建設期為2007年至 2014 年 11 月，并于 2008 年 8 月至 2015 年 6 月先后開通運營，其中投入運營年限最短7 年，最長達14 年，大部分時速350 km的主干線路運行了10年以上。

CRTSⅡ型板式無砟軌道結構自上至下主要由鋼軌、扣件、軌道板、水泥乳化瀝青砂漿充填層、水硬性支承層/混凝土底座等組成，其中，水泥乳化瀝青砂漿是軌道板與水硬性支承層/混凝土底座板之間的填充層，其在軌道結構中起到“承上啟下”的關鍵作用（如圖1 所示）。充填層的服役性能對軌道結構的平順性與穩定性具有重要影響，若該結構發生嚴重病害，軌道結構的平順性、耐久性及列車運營的安全性和舒適性將很難保證。

圖1 CRTS II型板式無砟軌道結構

當前，維護高速鐵路安全可靠、快速舒適、服役持久的運營狀態是鐵路運營管理的主要任務。因此，本文通過對運營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層服役現狀進行了調查研究，揭示了水泥乳化瀝青砂漿充填層的病害特征，分析了劣化原因；對于劣化嚴重的砂漿充填層，通過模擬試驗與工程實踐，在高鐵修規規定的養護維修技術的基礎上，提出了水泥乳化瀝青砂漿充填層天窗內更換成套技術，為運營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿的養護維修提供借鑒與參考。

2 水泥乳化瀝青砂漿劣化特征

通過對運營中砂漿充填層服役現狀的調查研究表明，當前該結構主要劣化特征體現在層間離縫、冒漿和豎向開裂三個方面，其劣化特征具體表現為：

（1）層間離縫

在高鐵服役過程中，因溫度荷載、列車動載和雨水等因素的耦合作用，軌道板與充填層層間離縫已成為普遍現象；部分軌道板與充填層的粘結已完全失效，如圖2 所示。研究表明：若砂漿充填層與軌道板間吊空，軌道板加速度可增大10 余倍，位移可增大20 余倍，鋼軌對軌道板的壓應力急劇增大，并可能出現拉應力現象；當砂漿充填層與軌道板間的離縫較大時，軌道板豎向位移和充填層壓應力都將急劇增大。可見，層間粘結失效將直接影響CRTSⅡ型軌道結構的傳力特征，甚至影響高速鐵路線路的平順性，對高速鐵路運營安全造成重大威脅。

圖2 砂漿充填層與軌道板、底座板間的層間離縫現象

（2）冒漿

隨著服役時間的延長，水泥乳化瀝青砂漿充填層普遍出現不同程度的冒漿現象，且線路服役時間越長，冒漿現象越嚴重，表現為支承層/底座板以及線間、外封閉層表面的白色或褐色的溶蝕物越多、分布面積越大，如圖3 所示。CRTSⅡ型板式軌道結構中冒漿實際為動力水造成的表層砂漿磨蝕及水泥水化產物的溶出，如圖4所示，而磨蝕導致充填層厚度減薄，離縫寬度增大，影響了軌道結構的平順性；水泥水化產物的溶出降低了表層砂漿的力學性能及耐久性，影響了軌道結構的服役壽命。

圖3 水泥乳化瀝青砂漿充填層冒漿現象

（3）豎向開裂

現場調查發現：運營中砂漿充填層出現了較多垂直于底座板/支承層的貫穿性裂縫，如圖4 所示，充填層的豎向貫穿性裂縫影響其整體受力性能，隨著運營時間的延長，可能導致充填層進一步碎裂，從而完全失效。

圖4 砂漿充填層豎向開裂現象

3 水泥乳化瀝青砂漿劣化原因分析

通過對已運營CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化特征調研分析發現，砂漿充填層的劣化主要以溫度應力引起的層間離縫開始。有研究指出：隨著正負溫度的交替出現，軌道板與砂漿充填層逐漸產生離縫。由于CRTSⅡ型板式無砟軌道屬于縱向連續結構，當溫度發生變化時，內部將產生較大的溫度力；若連續出現極端高溫天氣，軌道結構將承受較大的溫度壓應力，導致在溫度結構薄弱處發生上拱變形；而當連續出現極端低溫天氣時，軌道結構又將承受明顯的溫度拉應力，縱向溫度力的交替出現容易造成CRTSⅡ型板式無砟軌道的軌道板與充填層之間產生離縫。另外，運營中在列車動荷載的作用下，軌下結構容易產生變形，加速了離縫的發展。

當軌道板與水泥乳化瀝青砂漿充填層發生離縫后，外界水分很容易進入軌道板與充填層或充填層與底座混凝土之間的縫隙，縫隙中的水在列車動荷載的長期作用下會持續對水泥乳化瀝青砂漿作用極大的動水壓力，引起水泥乳化瀝青砂漿表面侵蝕。水泥水化產物的溶蝕降低了水泥乳化瀝青砂漿本身具有的力學性能，同時，離縫的存在加速了軌道板的振動加速度，加之動水壓力的作用，隨著服役時間的延長，水泥乳化瀝青砂漿充填層便會發生開裂脫落與碎裂潰散。

水泥乳化瀝青砂漿充填層劣化的原因非常復雜，除上述因軌道板與砂漿充填層界面粘結缺陷、以及混凝土材料與水泥乳化瀝青砂漿熱變形行為差異引起離縫的產生而導致水泥乳化瀝青砂漿充填層的主要病因外，有研究從材料自身性能特性出發，探究光、氧、熱引起水泥乳化瀝青砂漿中瀝青組分老化導致水泥乳化瀝青砂漿的性能衰變現象，以及瀝青的低溫脆性和凍融循環等引起的水泥乳化瀝青砂漿充填層的劣化現象。

4 水泥乳化瀝青砂漿天窗更換技術

由于CRTSⅡ型軌道結構縱連的特點，充填層一旦失效，其養護維修難度極大。對于劣化嚴重的水泥乳化瀝青砂漿充填層，通過模擬試驗與工程實踐，在《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》規定的水泥乳化瀝青砂漿相關養護維修技術的基礎上，研究提出了天窗時間內對砂漿充填層進行更換的成套技術。

4.1 主要工藝流程

通過模擬試驗與工程實踐，提出了水泥乳化瀝青砂漿充填層天窗內進行更換的工藝流程為：初始數據采集→施工起終點補強植筋→側向擋塊局部鑿除→軌道板解鎖→既有植筋取出→抬升鋼軌并提升軌道板→鑿除既有砂漿層→軌道板落位及精調→灌注砂漿層→恢復寬窄接縫→側向擋塊恢復→植筋錨固→軌道精調。其工藝流程如圖5所示。

圖5 CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層更換工藝流程

4.2 關鍵工藝控制

在進行CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層更換時，須對以下工序進行重點控制：

（1）抬升鋼軌作業

為鑿除清理砂漿提供作業空間，須松開待更換砂漿層對應軌道板及其前后一定范圍內的扣件，扣件松開長度應結合施工溫度、鋼軌鎖定溫度和最大抬升高度等，通過線下工藝試驗確定；豎直頂升鋼軌后須可靠支撐，同時，為了便于鋼軌抬升后恢復，鋼軌抬升施工溫度不得高于鎖定軌溫。抬升鋼軌及軌道板如圖6所示。

圖6 抬升鋼軌及抬升軌道板

（2）軌道板落位及精調

軌道板復位并精調，軌道板精調時的測量采用精密水準儀及全站儀進行控制，軌道板精調定位精度控制需滿足表1要求。

表1 軌道板精調定位允許偏差

軌道板精調完成后需使用夾持限位裝置進行橫縱向限位，從而避免因各類因素道岔軌道板擾動，同時確保在灌注砂漿至砂漿初凝過程中不出現軌道板上浮、偏移等情況，重點需對軌道板的兩端和中部同時進行扣壓，夾持限位裝置如圖7所示。

圖7 夾持限位裝置示意圖

（3）灌注砂漿層

在完成板底清潔、軌道板精調和軌道板夾持限位工序后，需對軌道板四周進行封邊處理，以上工作完成并驗收合格后，才可進行聚合物水泥砂漿的灌注，聚合物水泥砂漿需滿足無砟軌道結構特性、高速鐵路露天服役環境（潮濕環境、溫濕度變化）、周期疲勞荷載、高速鐵路運營特點、水泥乳化瀝青砂漿材料特性及功能需求、修補材料與水泥乳化瀝青砂漿匹配性、施工便捷性和技術經濟性等多個方面要求。砂漿灌注應飽滿，無空洞。砂漿灌注完成后，灌注孔內的砂漿表面距離軌道板上沿約150 mm。砂漿需達到初期強度后方可拆除軌道板下面的精調校正裝置和承重。

根據施工期間天窗時間情況，可以選擇當日天窗灌注，也可以在后續天窗灌注。如果鋪板后天窗時間不足以完成砂漿灌注及等強等工序，則可以在后續天窗進行砂漿灌注，但需在當日天窗間隔灌注臨時砂漿袋對軌道板進行臨時支撐，同時在軌道板兩側安裝緊壓限位裝置對軌道板進行扣壓及左右限位。臨時砂漿袋沿軌道板兩側按650 mm 間隔鋪設灌注，并位于軌枕正下方。

砂漿灌注過程中需對軌道板高程及中線進行實時監測，發現異常應立即停止灌注并處理。充填層砂漿灌注完成并達到砂漿初凝后需要立即對軌道板高程、中線空間狀態進行復測，確保滿足要求，允許偏差為±2 mm，如不滿足應返工重鋪。

（4）恢復寬窄接縫

砂漿充填層灌注完成后恢復寬窄接縫。如充填層為成區段更換時，從中間至兩邊對稱張拉軌道板張拉鎖，安裝接縫鋼筋并進行絕緣處理，安裝側模后灌注寬窄接縫及灌漿孔混凝土，混凝土初凝后，進行潤濕養護。

5 結論與建議

（1）通過調查研究表明：運營中CRTSⅡ型板式無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿充填層主要劣化特征體現在層間離縫、冒漿和豎向開裂三個方面。

（2）水泥乳化瀝青砂漿充填層的劣化自層間離縫開始；離縫后，外界水分更容易進入軌道板與充填層或充填層與底座混凝土之間的縫隙，在動荷載的長期作用下，水會持續對水泥乳化瀝青砂漿作用極大的動水壓力，引起水泥乳化瀝青砂漿表面侵蝕；離縫的存在又加速了軌道板的振動加速度，加之動水壓力的作用，水泥乳化瀝青砂漿充填層便會發生開裂脫落與碎裂潰散。

（3）對于劣化嚴重的水泥乳化瀝青砂漿，提出了利用天窗時段完成對水泥乳化瀝青砂漿充填層更換的成套技術，該技術也可完成CRTSⅡ型板式無砟軌道線路沉降、偏移地段成區段抬升和糾偏整治。

（4）為進一步確保勞動安全和施工工效，有必要研究在鋼軌或軌道板提升更低高度的情況下即可完成對劣化水泥乳化瀝青砂漿充填層的鑿除清理作業的配套技術、關鍵裝備。