CRTSⅠ型板式無砟軌道凸形擋臺病害整治方案

蘇雅拉圖

（中鐵三局集團有限公司，太原 030001）

凸形擋臺是CRTSⅠ型板式無砟軌道的限位結構，主要功能是限制軌道板的縱向和橫向位移，保證軌道結構穩(wěn)定性，承受溫度力、軌道橫向阻力、輪軌橫向力、制動力、牽引力等水平荷載［1]。凸形擋臺設置于底座板兩端的中間，在橋梁端部為半圓形，在梁體中部為圓形。與普通CRTSⅠ型板式無砟軌道相比，連續(xù)梁橋段鋪設的CRTSⅠ型框架板式無砟軌道自重較小，與下部結構接觸面較小，影響了軌道板向底座板傳遞荷載，致使大部分荷載集中在凸形擋臺上。梁端處的半圓形凸形擋臺承載力較其他位置的圓形凸形擋臺有較大削減，因此成了無砟軌道結構受力的薄弱環(huán)節(jié)，也是結構損傷較為集中的部位，影響軌道系統(tǒng)穩(wěn)定性和列車安全運營［2-3]。

在運營過程中，我國CRTSⅠ型板式無砟軌道梁端凸形擋臺的主要損傷類型有凸形擋臺周圍填充樹脂離縫分離、梁端凸形擋臺開裂、凸形擋臺與底座板連接處拉裂等。任勃等［4]通過理論分析得出扣件縱向阻力是梁端凸形擋臺剪切破壞的主要影響因素，橋梁溫度跨度、橋墩線剛度對凸形擋臺縱向受力影響很小。王彪等［5]通過建立連續(xù)梁橋凸形擋臺模型分析了伸縮、撓曲和制動工況下凸形擋臺的受力特征，結果表明，伸縮和制動工況下連續(xù)梁橋凸形擋臺受力最大值分別產生在離連續(xù)梁固定支座距離最遠的活動端附近和連續(xù)梁橋跨中，撓曲工況下凸形擋臺受力較小。柴文博等［6]從改變凸形擋臺尺寸及其周圍填充材料參數的角度分析了凸形擋臺受力情況。謝鎧澤等［7]基于線-板-橋-墩一體化有限元模型，發(fā)現梁端凸形擋臺與底座板連接處拉裂、樹脂大離縫等病害成因是扣件縱向阻力過大以及樹脂層的強度未達到設計強度，鋼軌與橋梁溫度變化使凸形擋臺周圍樹脂層受力過大。何建平［8]通過進行不同形式連續(xù)梁在升降溫情況下道床板端及鋼軌縱向應力理論計算并配合現場實測，給出連續(xù)梁上CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道的重點養(yǎng)護維修部位建議。蘇乾坤等［9]建立CRTSⅠ型板式軌道力學模型分析橋梁路段凸形擋臺周圍樹脂層受力，結果表明梁端轉角和列車振動荷載會使樹脂離縫進一步發(fā)展，較大扣件縱向阻力會導致軌道板下表面與樹脂層接觸處發(fā)生剪切破壞。

既有凸形擋臺病害研究多以其成因及發(fā)展規(guī)律的理論分析為切入點，較少從養(yǎng)護維修實踐角度進行論述。本文以實際工程為依托，總結分析CRTSⅠ型板式無砟軌道梁端半圓形凸形擋臺病害成因，制定針對性整治方案，以期對新建高速鐵路設計、施工及既有高速鐵路養(yǎng)護維修工作提供參考。

1 工程概況

廣珠（廣州—珠海）城際鐵路ZH-1 標段自廣州南站起，至小欖站止。正線主要鋪設CRTSⅠ型板式無砟軌道，全線為跨區(qū)間無縫線路。

ZH-1 標段內共有連續(xù)梁32 聯(lián)，其中單線連續(xù)梁2聯(lián)，雙線連續(xù)梁30聯(lián)。橋上鋪設CRTSⅠ型框架板式無砟軌道（圖1），由鋼軌、彈性分開式扣件、軌道板、CA 砂漿層、混凝土底座板、凸形擋臺及其周圍填充樹脂等組成。鋼軌采用60 kg/m 標準新鋼軌，100 m 定尺長，無螺栓孔。扣件采用WJ-7B 型扣件，配置X2 型彈條和復合墊板，扣件墊板靜剛度為20 ～30 kN/mm，扣件系統(tǒng)節(jié)點靜剛度為35 kN/mm，每組扣件扣壓力大于12 kN，鋼軌縱向阻力4 kN。軌道板采用鋼筋混凝土框架板，寬2400 mm，厚190 mm，板縫間距一般為70 ～90 mm。軌道板下設CA 砂漿層，設計厚度50 mm。底座板和凸形擋臺采用C40 混凝土?；炷恋鬃鍖?800 mm，高260 mm；每隔1個板單元設1個橫向伸縮縫，伸縮縫對應凸形擋臺中心位置，并按行車方向向前繞過凸形擋臺；伸縮縫寬20 mm，縫中心用泡沫塑料板或泡沫橡膠板填縫，采用聚氨酯或瀝青軟膏密封。梁端采用半圓形凸形擋臺，其他位置采用圓形凸形擋臺；凸形擋臺直徑520 mm，高250 mm；周圍填充樹脂材料，設計厚度40 mm。

2 病害情況調研及分析

2.1 病害類型及分布

廣珠城際鐵路ZH-1標段開通運營后，橋上大跨度梁端出現了不同程度的損傷病害。2018年7月—9月，采用目測、尺量等手段排查了連續(xù)梁122 處梁端半圓形凸形擋臺的外觀、填充樹脂、CA 砂漿層、凸形擋臺與底座板連接處。檢查發(fā)現主要病害類型包括凸形擋臺斷裂、凸形擋臺與填充樹脂之間離縫、CA 砂漿層斷裂竄出、凸形擋臺與底座板連接處混凝土裂縫，如圖2所示。

圖2 梁端凸形擋臺病害類型

1）外觀

1處凸形擋臺外側有掉角；1處特大橋墩處凸形擋臺頂面存在18 cm 長、2 mm 寬的裂縫，且凸形擋臺外側有掉塊；其余120 處凸形擋臺頂面及側面無裂縫等缺陷。

2）填充樹脂

77處凸形擋臺與填充樹脂之間有離縫，其中41處縫寬在5 mm 以內，21 處縫寬6 ～10 mm，8 處縫寬11 ～18 mm，4 處縫寬20 mm，2 處縫寬30 mm，1 處縫寬35 mm。其余45處凸形擋臺與填充樹脂之間無離縫。

3）CA砂漿層

1 處凸形擋臺的CA 砂漿層斷裂，縫寬7 cm；14 處凸形擋臺的CA 砂漿層移動竄出，其中8 處移動5 cm以內，6 處移動8 ～12 cm。其余108 處凸形擋臺的CA砂漿層完好無損。

4）凸形擋臺與底座板連接處混凝土

70 處凸形擋臺與底座板連接處混凝土有裂縫，均為從凸形擋臺兩側根部與底座板連接處沿底座板呈八字形開裂。其中7 處為細微裂紋（裂紋寬度小于0.1 mm），27處裂紋寬度為0.1 ～1.0 mm，25處裂紋寬度為1.5～3.0 mm，11 處裂紋寬度為5.0 ～20.0 mm。其余52處凸形擋臺與底座板連接處混凝土無裂縫。

2.2 成因分析及改進措施

2.2.1 設計方面

廣珠城際鐵路設計時采用小編組、輕荷載，橋梁結構輕盈，橋梁墩臺線剛度低于客運專線。該線路設計列車類型為動車組，最大軸重小于等于15 t，橋梁結構設計檢算采用的設計活載為0.6UIC。根據設計，編組形式初期為6輛編組（4動2拖），列車長度為158 m；編組形式遠期為9輛編組，列車長度約240 m。而實際運營中該線路上有大編組動車運行（長度約420 m），所產生的列車制動和牽引附加力高于設計值，鋼軌、軌道板和橋梁之間的相對位移隨之增加，而扣件、凸形擋臺、CA 砂漿層等的阻力作用致使鋼軌、軌道板、凸形擋臺等結構產生的變形量增大。

同時該線路大部分連續(xù)梁位于大坡道地段，對框架板式無砟軌道結構影響較大，受溫度伸縮和梁端轉角的影響，大坡道地段梁端扣件的上拔力比小坡道的大甚至可能超過扣件上拔力容許值，同時凸形擋臺與軌道板之間的受力點發(fā)生位移而產生偏心，致使梁縫處出現錯臺。當橋梁收縮時，軌道板與CA 砂漿層之間的摩擦力降低，凸形擋臺受力增大。

針對上述問題，在設計時可作如下改進：

1）為了提高軌道板、CA 砂漿層及底座板之間的摩擦力，減輕凸形擋臺所受承載力，建議在連續(xù)梁上采用自重更大的CRTSⅠ型預應力普通軌道板，以增加軌道板自重及與底座板的接觸面積；或在梁段第一塊軌道板對應的底座板上（即軌道板框架內兩端）增加2個異形擋臺。

2）在大跨度連續(xù)梁兩端設置伸縮調節(jié)器，解決梁端梁軌相對位移較大的問題。

2.2.2 施工方面

凸臺斷裂與施工環(huán)境及施工質量控制有關。廣珠城際鐵路無砟軌道結構于2010年5月開工，6月10日線上施工底座板，8月7日完成無砟軌道施工，2011年1月開通運營。無砟軌道施工期間正值廣東珠三角地區(qū)溫度較高時段，連續(xù)梁處于熱脹狀態(tài)。根據凸形擋臺拉裂機理，判斷為最不利施工時間段。

根據現場實測，出現斷裂的梁端凸形擋臺鋼筋數量、長度及布置與設計要求存在一定差異，主要表現在，由于凸形擋臺豎向鋼筋綁扎位置偏差大，影響模板安裝或保護層厚度不夠，工人將個別鋼筋截斷或隨意彎曲；存在底座板頂面沒有鑿毛、混凝土保護層厚度較大等情況，使凸形擋臺的抗彎、抗剪能力降低，導致凸形擋臺從鋼筋頂部斷裂。

建議施工時進行如下改進：

1）夏季連續(xù)梁底座板混凝土澆筑及軌道板鋪設選擇夜間溫度相對較低的環(huán)境下施工。

2）采用底座板與凸形擋臺一次澆筑的工藝。

3）加強施工工序質量控制，對測量放樣、鋼筋綁扎、模板安裝、混凝土澆筑、扣件安裝與緊固等工序加強管控。

2.2.3 結構方面

凸形擋臺開裂、CA 砂漿層竄出斷裂、填充樹脂離縫等與扣件生銹老化而失去小阻力功效有關。無砟軌道底座板通過橋上預留的連接鋼筋與橋梁固結在一起。在夏季高溫下，梁體活動端膨脹延伸，帶動底座板與凸形擋臺一起移動。橋梁端部鋪設的小阻力扣件生銹老化而失去小阻力功效，致使縱向阻力增大，軌道板的縱向位移也隨之增加，從而導致填充樹脂的壓縮量增加。冬季氣溫降低，連續(xù)梁降溫回縮，帶動底座板一起回移，填充樹脂的壓力得到釋放。填充樹脂被壓縮期間在列車荷載作用下產生的壓縮量過大，超出其彈性范圍而產生了塑性變形，不能夠完全恢復原狀，導致軌道板和填充樹脂之間產生了離縫［9]。

冬季氣溫降低時，軌道板受上部鋼軌和扣件限制，阻止無砟軌道底座板及凸形擋臺向固定支座移動，使凸形擋臺承受向外的擠壓荷載，并傳遞給底座板。當擠壓荷載超出設計荷載最大值時，凸形擋臺與底座板連接處的混凝土開裂。荷載傳遞如圖3所示。

圖3 凸形擋臺與底座板連接處荷載傳遞示意

軌道板縱向移動過程中，對部分CA 砂漿層施加水平荷載，致使砂漿層斷裂。在反復摩擦推動作用下，砂漿層逐漸竄出。

在線路養(yǎng)護維修時，建議對大跨度連續(xù)梁范圍內的小阻力扣件進行重點檢查，發(fā)現軌下復合墊板損壞竄出等現象應及時更換，同時對鋼軌底部采取除銹抹油等措施。

3 病害整治措施

3.1 傷損等級判定

根據鐵運〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》，無砟道床傷損等級分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ三級。對Ⅰ級傷損應做好記錄；對Ⅱ級傷損應列入維修計劃并適時進行修補；對Ⅲ級傷損應及時修補。高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟道床凸形擋臺傷損形式及傷損等級判定標準見表1。如凸形擋臺和底座板混凝土出現掉塊、缺損或封端，CA 砂漿層出現掉塊、缺損或剝落，填充樹脂出現缺損，應適時修補。

表1 凸形擋臺傷損形式及等級判定標準 mm

根據ZH-1 標段連續(xù)梁122 處梁端半圓形凸形擋臺損傷排查結果可知，該標段在養(yǎng)護維修前大跨梁端凸形擋臺傷損為Ⅲ級，傷損較為嚴重。

3.2 總體整治方案

根據鐵運〔2012〕83 號制定總體整治方案。按施工流程，主要整治項目包括：鋼軌及扣件處理或更換新型小阻力扣件；軌道板離縫注漿或更換軌道板下CA 砂漿；框架板中心植筋并澆筑混凝土；框架板中心混凝土與軌道板之間澆筑填充樹脂；底座板裂紋注膠修復或鑿除凸形擋臺及底座板傷損混凝土并重新澆筑；凸形擋臺周邊填充樹脂重新澆筑。

3.3 傷損整治工藝

根據現場損傷嚴重程度及原因分析，確定具體的整治工藝。

1）鋼軌及扣件處理或更換新型小阻力扣件

若不更換新型小阻力扣件，對鋼軌及扣件進行如下處理：拆除梁端軌道板及前后各1 塊軌道板上的鋼軌扣件，對軌底上下邊進行除銹、涂油，對新更換的復合墊板不銹鋼面涂油，重新安裝扣件到位。

更換新型小阻力扣件時，具體工藝為：拆除舊鋼軌扣件，用砂紙打磨鋼軌除銹，原位安裝新型小阻力扣件。

2）CA砂漿層離縫處理

若CA 砂漿層未破損，可在其與軌道板之間的離縫處進行注膠。修補步驟為：①沿軌道板外側布設注膠孔并鉆孔，沿軌道板周邊和框架內進行打磨清理，安裝注膠管并封邊；②對離縫進行注膠填充；③待注入材料固化后，清除注膠管及封邊膠。

若CA 砂漿層已破損，應進行更換。步驟為：①在軌道板周邊底座板上植入螺桿或套筒；②用精調爪微抬軌道板，清除板下砂漿；③精調到位后在板周邊安裝模板和扣壓裝置；④按比例配制CA 砂漿并灌注入板下；⑤待CA砂漿強度達到1 MPa后，迅速拆除模板。

軌道板與砂漿層之間的離縫填充采用樹脂材料，砂漿層更換采用樹脂砂漿作為砂漿層修補材料，性能均須滿足鐵運〔2012〕83號中的相關規(guī)定。

3）凸形擋臺及底座板傷損處理

當凸形擋臺本身無傷損時而底座板存在裂紋時，須對底座板裂紋進行修補。步驟為：①正對底座板裂紋鉆孔，每側不小于1 個；②打磨裂紋周邊，清理干凈后安裝注膠管并封邊；③對裂紋進行注膠填充；④清除注膠管及封邊膠。

當凸形擋臺斷裂破損時，應鑿除凸形擋臺及底座板傷損混凝土并重新澆筑。步驟為：①徹底鑿除凸形擋臺混凝土；②鑿除底座板端部開裂混凝土，并向梁中方向延伸，將松動石子以及軟弱混凝土層鑿除干凈，使混凝土露出新面，形成規(guī)整的新舊混凝連接面；③對鋼筋進行檢查，調整鋼筋位置，對長度不足的鋼筋通過焊接延長，并根據需要補植鋼筋，使凸形擋臺內鋼筋滿足設計要求；④安裝模板，灑水潤濕（或涂刷界面劑）后按比例配制混凝土并進行澆筑；⑤待混凝土強度達到30 MPa后進行打磨清理。

4）凸形擋臺周圍填充樹脂傷損修補

修補步驟為：①拆除原凸形擋臺周邊樹脂材料灌注袋；②安裝下部泡沫板和樹脂袋；③按比例配制彈性較好的樹脂材料，攪拌均勻后澆筑入樹脂袋。

原凸形擋臺周圍樹脂拆除后，采用較之前彈性更好的聚氨酯類材料進行填充。新填充材料的7 d 彈性系數為（4±2）kN/mm，其他性能指標均須滿足鐵運〔2012〕83號中的相關規(guī)定。

3.4 整治效果

廣珠城際鐵路已于2018年完成梁端凸形擋臺傷損整治施工。經過半個月的觀測，修復后凸形擋臺及底座新舊混凝土界面無開裂，凸形擋臺周圍填充樹脂未出現離縫，CA 砂漿層未斷裂和出現離縫，軌下墊板未出現明顯位移和串出現象，經過全站儀及軌道幾何狀態(tài)測量儀連續(xù)檢測，精度滿足相關標準要求。經過相關單位和部門的驗收合格，恢復了正常運營速度。

4 結論與建議

對廣珠城際鐵路ZH-1標段CRTSⅠ型板式無砟軌道梁端凸形擋臺病害進行調查，從設計、施工、結構三方面總結分析病害產生機理并相應地提出預防和改進措施，給出養(yǎng)護維修建議。根據病害類型及損傷嚴重程度制定系統(tǒng)的整治方案，針對性地開展維修作業(yè)。主要結論及建議如下：

1）主要病害有凸形擋臺斷裂傷損、凸形擋臺與填充樹脂之間離縫、CA 砂漿層斷裂竄出、凸形擋臺與底座板連接處混凝土裂縫。

2）設計上，建議在連續(xù)梁上采用自重更大的CRTSⅠ型預應力普通軌道板或在梁段第一塊軌道板中間對應的底座板上增加2個異形擋臺以減輕凸形擋臺所受的承載力；在大跨度連續(xù)梁兩端設置伸縮調節(jié)器來解決梁端梁軌相對位移較大的問題。

3）施工上，建議夏季連續(xù)梁底座板混凝土澆筑及軌道板鋪設選擇夜間溫度相對較低時施工；底座板與凸形擋臺采用一次澆筑的工藝；加強施工質量控制。

4）結構上，建議在線路養(yǎng)護維修時重點檢查大跨度連續(xù)梁范圍內的小阻力扣件，及時更換軌下?lián)p壞竄出的復合墊板，同時對鋼軌底部采取除銹抹油等措施。

根據整治方案進行整治后，廣珠城際鐵路恢復了正常運營速度，整治效果良好。本文可為高速鐵路連續(xù)梁橋段無砟軌道的設計、施工、運營維護提供借鑒。