無砟軌道路基持續(xù)上拱整治技術(shù)

張新岡 張千里 蔡德鉤 陳鋒 李中國 閆宏業(yè) 王鵬程

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)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(xiàn)了不同程度的上拱病害，上拱高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軌下墊板調(diào)節(jié)高度［1］，嚴(yán)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(fā)生，在特殊環(huán)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(nèi)江北站附近出現(xiàn)路基持續(xù)變形10余處，總長度超過1 700 m，每年上拱量高達(dá)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(dá)到降低軌道標(biāo)高的作用。該方法由于支撐層厚度有限，切割次數(shù)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(biāo)高調(diào)整到設(shè)計標(biāo)高后灌注高性能聚合物。該方法適用于路基上拱變形已經(jīng)穩(wěn)定，變形不再持續(xù)發(fā)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(fā)生路基變形，整治難度將大大增大且費(fèi)用較高。

對于高速鐵路無砟軌道路基持續(xù)上拱變形發(fā)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(xù)發(fā)生的情況，提出變梯度結(jié)構(gòu)板置換技術(shù)，后期維護(hù)簡單易行，對無砟軌道路基持續(xù)上拱變形具有一定應(yīng)用價值。

1 變梯度結(jié)構(gòu)板整治方案

1.1 方案總述

變梯度結(jié)構(gòu)整治技術(shù)方案主要用于解決無砟軌道路基持續(xù)上拱，超出軌下墊板調(diào)節(jié)范圍，變形不收斂的問題。該方案在夜間天窗點(diǎn)施工，不影響高速鐵路正常運(yùn)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(jié)構(gòu)EPS混凝土板預(yù)制，基床表層EPS混凝土預(yù)制板置換、恢復(fù)封閉結(jié)構(gòu)及后期調(diào)整預(yù)制板維修。結(jié)構(gòu)橫斷面如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)橫斷面示意（單位：m）

1.2 變梯度結(jié)構(gòu)板設(shè)計及制作

圖2 變梯度結(jié)構(gòu)板示意

變梯度結(jié)構(gòu)板中設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shí)，表面涂脫模劑，為保證安裝精度，平整度控制在1 mm以內(nèi)，盡量減小板在預(yù)制過程中的翹曲變形；混凝土采用EPS混凝土，減小結(jié)構(gòu)板自重，澆筑時嚴(yán)格控制入模溫度，振搗采用平板振搗器；混凝土蒸汽養(yǎng)護(hù)21 d，表面噴涂聚氨酯預(yù)聚體薄層。

變梯度結(jié)構(gòu)EPS混凝土預(yù)制板的優(yōu)點(diǎn)主要為：①EPS混凝土重量較輕，安裝及維修拆裝方便；②預(yù)制板結(jié)構(gòu)中的圓孔除了能減輕預(yù)制板結(jié)構(gòu)重量，還能允許填料膨脹時進(jìn)行填充，減緩路基上拱速度；③變梯度結(jié)構(gòu)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(shí)施

首先通過上拱變形的測量數(shù)據(jù)，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(shè)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(jié)構(gòu)示意（單位：m）

基床暗挖高度為0.6 m，由線間及路肩兩側(cè)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(diǎn)開始時拆除，天窗點(diǎn)完畢時安裝，保證白天高速鐵路正常運(yùn)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(shè)線間排水管道，埋設(shè)完成后安裝變梯度結(jié)構(gòu)板；②安裝完畢后開挖第2批單元，開挖時采用千斤頂設(shè)備進(jìn)行支撐，千斤頂支撐及變梯度結(jié)構(gòu)板安裝與第①步相同，如圖4所示。

圖4 置換結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

整治范圍內(nèi)全部挖空后，對軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行落道調(diào)整，采用全站儀及安伯格軌檢小車對高程和平面位置進(jìn)行精確調(diào)整，逐根軌枕進(jìn)行測量，通過支撐層下千斤頂調(diào)整軌道高程，直至滿足設(shè)計要求。軌道標(biāo)高調(diào)整至預(yù)定高程后，利用反力墩提供橫向反力進(jìn)行軌道平面位置調(diào)整，采用頂推裝置對支承層施加橫向推力，并實(shí)時監(jiān)測，逐步使軌道板恢復(fù)到目標(biāo)平面位置。線間砌筑集水井與預(yù)埋排水管施工與暗挖同時進(jìn)行，線間及路基回填采用預(yù)制砌塊填充，后期調(diào)整路基高程時方便快速。線間及路肩封閉結(jié)構(gòu)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(jìn)行排水，如圖5所示。

圖5 恢復(fù)后單線結(jié)構(gòu)示意（單位：mm）

1.4 維修方案

整治完成后路基上拱持續(xù)發(fā)生，首先調(diào)節(jié)軌下墊板，超出軌下墊板調(diào)整范圍時，再調(diào)整支撐層下預(yù)制板數(shù)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(yù)制砌塊，用千斤頂頂起支撐層，抽出變梯度結(jié)構(gòu)板調(diào)整至設(shè)計標(biāo)高，最后恢復(fù)線間及路肩封閉層。

2 變梯度結(jié)構(gòu)板有限元分析

2.1 模型參數(shù)確定

變梯度結(jié)構(gòu)板幾何尺寸為：1.7 m×1.5 m×0.15 m，板中間均勻布設(shè)4×4個變梯度孔，內(nèi)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(jié)構(gòu)板中混凝土彈性模量和泊松比按照GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［13］取值，所受荷載按 TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》［14］取值。以CRTSⅠ型板式無砟軌道為例，具體參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能指標(biāo)及荷載參數(shù)

通過有限元軟件建立變梯度結(jié)構(gòu)板實(shí)體模型，分析其應(yīng)力、變形及不同厚度時的應(yīng)力集中。網(wǎng)格類型采用實(shí)體網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為28 974，單元總數(shù)為17 538。

2.2 應(yīng)力及變形分析

變梯度結(jié)構(gòu)豎向載應(yīng)力分布見圖6，圖中壓應(yīng)力為正?？芍畲髴?yīng)力為349 Pa，最小應(yīng)力為8.143 Pa，板中應(yīng)力較大，隨著向四周擴(kuò)散應(yīng)力逐漸減小，滿足EPS混凝土強(qiáng)度要求。

變梯度結(jié)構(gòu)板豎向應(yīng)變分布見圖7?？芍畲笞冃螢?.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(yīng)變云圖（單位：mm）

2.3 應(yīng)力集中分析

取不同厚度的變梯度結(jié)構(gòu)板分析板中孔洞應(yīng)力集中問題，取變梯度孔1/4進(jìn)行應(yīng)力和變形分析，應(yīng)力分布見圖8。可知，6 mm厚的預(yù)制板應(yīng)力最大，最大應(yīng)力為8 358 Pa，變形不足1 mm，滿足EPS混凝土強(qiáng)度要求。

圖8 孔板應(yīng)力集中應(yīng)力和變形云圖

3 結(jié)論

1）該整治技術(shù)可應(yīng)用于無砟軌道路基上拱變形不收斂情況下，通過天窗點(diǎn)時間進(jìn)行置換，后期調(diào)整簡單易行，在不影響列車運(yùn)行的同時，還可有效避免對不收斂區(qū)段反復(fù)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(jié)構(gòu)孔洞設(shè)計可實(shí)現(xiàn)路基結(jié)構(gòu)從上至下強(qiáng)度依次遞減，同時，變結(jié)構(gòu)梯度板中的圓孔可以在路基填料膨脹時進(jìn)行填充，以有效減緩路基上拱變形的速率。

3）通過數(shù)值計算得到變梯度結(jié)構(gòu)板最大應(yīng)力為349 Pa，最大變形為8.581×10-8mm。對計算不同厚度預(yù)制板應(yīng)力集中問題進(jìn)行分析，得出厚6 mm時預(yù)制板應(yīng)力最大，最大應(yīng)為8 358 Pa，滿足強(qiáng)度要求。