淺談無(wú)砟軌道板脹拱變形形態(tài)及其影響因素

錢金龍 田驪瑋 王楷燾 馬馭榮 何穎

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)采納了混合料整體基礎(chǔ)替代散粒碎石道床的軌道結(jié)構(gòu)，比較于有砟軌道，無(wú)砟軌道在一定程度上有效避免了道砟飛濺的產(chǎn)生，具備高平順性、高穩(wěn)定性、高耐久性、低維修率等優(yōu)勢(shì)，已在我國(guó)京滬、滬杭、寧杭等多條高速鐵路線路中大規(guī)模運(yùn)用。從目前運(yùn)營(yíng)狀況來(lái)看，無(wú)砟軌道整體使用情況較好，但其在列車荷載和溫度等因素的循環(huán)作用下，出現(xiàn)了較為普遍的脹拱變形現(xiàn)象，嚴(yán)重影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和旅客乘車的舒適性，也嚴(yán)重影響了列車高速通行的安全性。

1 板式無(wú)砟軌道總體要求

CRTS型板式無(wú)砟軌道相比較于CRTS型雙塊式無(wú)砟軌道而言，其無(wú)砟軌道的軌枕在預(yù)制廠內(nèi)便已通過(guò)混凝土連接，施工現(xiàn)場(chǎng)利用精調(diào)設(shè)備調(diào)整軌道板的架設(shè)位置后，只需向軌道板下方灌注CA砂漿即可完工，從而降低了施工和管理難度，提高了工作效率。

1.1 CRTSⅠ型和CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道組成

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道由混凝土凸形擋臺(tái)及底座板、CA砂漿、預(yù)制軌道板、扣件、鋼軌等組成。具有軌道較為輕便，節(jié)約建筑材料，施工簡(jiǎn)單快速，且減震效果好的特點(diǎn)。

CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)是由防凍層、混凝土支承層、CA砂漿層、軌道板、扣件、鋼軌等組成。CRTSⅡ型板要求板間連接度高，使其板端不易變形，提高了列車通行的平穩(wěn)度流暢度，具有較高的行車舒適度。

1.2 CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道和CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道的區(qū)別

1）技術(shù)特點(diǎn)、制造施工：Ⅰ型板式軌道結(jié)構(gòu)高度低，道床寬度小。在不降低軌道板承受列車荷載的有效強(qiáng)度范圍之內(nèi)減少了鋼筋混凝土料的使用量，降低了二次造價(jià)，施工相對(duì)簡(jiǎn)便快捷；Ⅱ型板式結(jié)構(gòu)為橫向預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，軌道板具有唯一性。工地測(cè)量工作量較小，鋼軌調(diào)整工作量低，施工速度快。

2）對(duì)CA砂漿要求不同，兩類軌道板對(duì)CA砂漿要求區(qū)別類型見(jiàn)表1。

表1 兩類軌道板對(duì)CA砂漿要求區(qū)別類型表

序號(hào) 項(xiàng)目 單位1拌合物溫度 ℃2流動(dòng)度 s 3含氣量 %4彈性模量 MPa 5膨脹率 %6表現(xiàn)密度 Kg m-3 7抗壓強(qiáng)度（1d） MPa 8抗壓強(qiáng)度（7d） MPa 9抗壓強(qiáng)度（28d）MPa

3）對(duì)線下路基、橋梁、隧道等工程設(shè)計(jì)要求不同。

2 無(wú)砟軌道板脹拱變形形態(tài)

2.1 受溫度影響的無(wú)砟軌道板脹拱形態(tài)

目前由溫度引起的無(wú)砟軌道板脹拱具有多種形態(tài)，其中主要形成原因是溫度荷載引起的軌道板的伸縮及翹曲變形。軌道板脹拱后的形態(tài)受軌道板本身自重、應(yīng)力、軌道板結(jié)構(gòu)、使用時(shí)間及熱量分布影響而有所不同；夜間軌道板在橫向上受熱，當(dāng)軌道板上冷下熱時(shí)，板上表面發(fā)生一定間距的開(kāi)裂現(xiàn)象；當(dāng)軌道板上熱下冷時(shí)，則板下表面呈間距性開(kāi)裂；軌道板在豎直方向上受熱，當(dāng)軌道板上冷下熱時(shí)，則軌道板上拱呈“凹字形”；當(dāng)軌道板上熱下冷時(shí)，則呈“凸字形”。有時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)單邊與中心一同上拱的形態(tài)。這種上拱現(xiàn)象會(huì)加速層間分離從而造成軌道板更嚴(yán)重的脹拱變形。當(dāng)無(wú)砟軌道在均布溫度荷載作用下時(shí)，軌道板中心發(fā)生膨脹上拱，層間不產(chǎn)生分離現(xiàn)象。

2.2 受平順性影響的無(wú)砟軌道板脹拱形態(tài)

無(wú)砟軌道板本身的平順性對(duì)脹拱形態(tài)也有影響；在溫度影響下造成的無(wú)砟軌道脹拱常具有波形變化特征，波形的脹拱程度與軌道板本身的平順性成正比，其中分為有單波形與多波形兩種，單波形特征是在一段長(zhǎng)距離軌道上只有一到兩個(gè)嚴(yán)重的明顯上拱病害，多波形則有多個(gè)明顯上拱病害，實(shí)驗(yàn)表明每個(gè)波峰的間隔約為6.5m左右。此時(shí)每塊軌道板具有明顯的整體上拱趨勢(shì)。

2.3 受其他因素影響的無(wú)砟軌道板形態(tài)

軌道板填料膨脹與微生物繁殖也是引起無(wú)砟軌道板不規(guī)則上拱的重要原因。存在多處無(wú)規(guī)則的微生物繁殖與板內(nèi)離子反應(yīng)沉淀膨脹的位置，會(huì)導(dǎo)致軌道板呈現(xiàn)塊狀多處凹凸不平的脹拱形態(tài)。這種不規(guī)則的上拱形態(tài)主要受當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及軌道板本身用料比例的影響。若是微生物繁殖則可能造成層間斷裂，若為沉淀膨脹一般不會(huì)發(fā)生層間斷裂。軌道板上拱形態(tài)及其成因的多樣性使得無(wú)砟軌道上拱防控與治理變得更加困難。

3 無(wú)砟軌道軌道脹拱變形影響因素

3.1 溫度荷載

3.1.1 整體溫度

《高速鐵路無(wú)碓軌道線路維修規(guī)則（最終稿）》規(guī)定，無(wú)砟軌道軌道板的最大允許上拱度為8 mm，根據(jù)建立有限元模型反復(fù)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，溫度在一定范圍內(nèi)升至最高時(shí)，從軌道模型跨中截面開(kāi)始，底座板會(huì)相對(duì)梁體產(chǎn)生負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，縱向最大位移可達(dá)92 mm，遠(yuǎn)超于規(guī)定的8mm。因此，在持續(xù)高溫或太陽(yáng)輻射較強(qiáng)的地區(qū)，軌道板會(huì)產(chǎn)生較大的脹拱變形的危害。通過(guò)觀測(cè)上海8月份高溫下某客運(yùn)專線的CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的溫度數(shù)據(jù)，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論：高溫的持續(xù)時(shí)間和板溫成正比，和氣溫溫差成正比，和軌道板與底座板與鋼軌的相對(duì)位移存在明顯的線性關(guān)系。而當(dāng)溫度達(dá)到某臨界溫度時(shí)，軌道板板端處會(huì)出現(xiàn)上拱現(xiàn)象，并由板端向板中擴(kuò)散，使軌道板發(fā)生翹曲位移現(xiàn)象，以至于擠碎連接處寬窄接縫結(jié)構(gòu)，甚至導(dǎo)致軌道板與砂漿層因粘結(jié)失效而分離，從而形成離縫病害，增加行車風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 溫度梯度

實(shí)驗(yàn)小組利用Ansys有限元軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镃RESⅡ型軌道板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有著明顯滯后的傳熱性能，容易在軌道板縱向方向上形成不均勻的溫度梯度，而這種溫度梯度會(huì)導(dǎo)致離縫的產(chǎn)生，最終導(dǎo)致軌道板翹曲變形。并且，該變形會(huì)隨著溫度梯度值的增大不斷擴(kuò)大。接著通過(guò)分析無(wú)砟軌道在溫度作用下的擾度曲線，發(fā)現(xiàn)軌道板不論在晴天時(shí)處于正溫度梯度的白天高溫時(shí)段，還是在陰雨天處于負(fù)溫度梯度的夜間低溫時(shí)段，都容易產(chǎn)生翹曲變形。

3.2 寬窄接縫

軌道板寬窄接縫處損傷可大致分為寬窄接縫處混凝土彈性模量與軌道板處混凝土彈性模量不同、寬接縫和窄接縫兩處混凝土彈性模量不同、窄接縫處破壞和寬窄接縫界面損傷四種工況。當(dāng)寬窄接縫處混凝土彈性模量與軌道板處混凝土彈性模量之比不斷降低，即寬窄接縫整體損傷越來(lái)越嚴(yán)重時(shí)，軌道板位移量不斷增大。且當(dāng)彈性模量之比小于五分之一時(shí)，上拱矢度與上表面應(yīng)力均達(dá)到最大值。此時(shí)的應(yīng)力未超過(guò)軌道板強(qiáng)度，軌道板斷裂的風(fēng)險(xiǎn)較小。當(dāng)窄接縫獨(dú)自發(fā)生破損彈性模量不斷降低后，軌道板將呈現(xiàn)帶尖角狀的波形，隨著損傷程度不斷增大，波形愈加明顯，由于放大效應(yīng)對(duì)軌道板的影響，導(dǎo)致無(wú)砟軌道兩塊軌道板交界處受窄接縫破壞損傷影響最大，窄接縫自下而上損傷長(zhǎng)度與板中（兩板交界處）垂向位移呈正比，軌道板豎向最大上拱位移可達(dá)6mm。此外寬窄接縫損傷會(huì)大幅度降低無(wú)砟軌道的工況，軌道許可最大升溫隨著寬窄接縫破壞相差可達(dá)50°C。

3.3 脫空長(zhǎng)度

在理論理想情況下，軌道板支承層之間緊密貼合，共同受力，各層之間不存在離縫，軌道板完全處于支撐狀態(tài)。然而由于軌道結(jié)構(gòu)構(gòu)件在材料、力學(xué)特性等方面的差異，軌道力學(xué)性能改變，這種現(xiàn)象就是軌道板脫空現(xiàn)象。

根據(jù)運(yùn)營(yíng)實(shí)際調(diào)研資料可知，軌道板脫空病害常出現(xiàn)在軌道板的末端和中間位置。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)板端出現(xiàn)脫空病害時(shí)，橫向位移隨著支承層脫空長(zhǎng)度的增加而呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，當(dāng)脫空長(zhǎng)度處于1～3個(gè)扣件間距時(shí)橫向變形位移增長(zhǎng)速度明顯。由于軌道板的橫向正負(fù)位移大小近似，說(shuō)明板端出現(xiàn)脫空病害對(duì)軌道板橫向變形影響較小。脫空長(zhǎng)度增加時(shí)，垂向負(fù)位移呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，垂向正位移幾乎不產(chǎn)生變化。當(dāng)脫空長(zhǎng)度處于3～9個(gè)扣件間距時(shí)，垂向負(fù)位移增長(zhǎng)速度較快。綜上所述，可以看出，支承層脫空對(duì)軌道板下沉位移的影響最為明顯，容易誘發(fā)軌道板表面出現(xiàn)開(kāi)裂，并危害軌道結(jié)構(gòu)正常使用。當(dāng)板邊出現(xiàn)脫空病害時(shí)，橫向正位移增長(zhǎng)幅度是橫向負(fù)位移增長(zhǎng)幅度的1.5倍左右，可見(jiàn)軌道板下支承層出現(xiàn)板邊脫空易導(dǎo)致橫向位移的不均勻變化，對(duì)軌道板橫向穩(wěn)定性存在不利影響。在垂向位移方面，板邊脫空的作用導(dǎo)致只產(chǎn)生垂向負(fù)位移，即軌道板在垂直方向上受壓變形。從整體來(lái)看，軌道板邊緣脫空長(zhǎng)度對(duì)軌道板垂向變形有顯著影響。

3.4 軌道板厚度

通過(guò)采用有限元方法研究了軌道板厚度對(duì)軌道板受力的影響。在軌道板厚度增加的同時(shí)，軌道板的縱向彎矩隨之增大，而邊應(yīng)力則隨著板截面的增加而減小。除此之外，隨著軌道板厚度的增加，路基表面壓應(yīng)力變化不明顯，但軌道板彎曲剛度呈正比增加。從變形位移方面來(lái)看，最大位移點(diǎn)由軌下部位逐漸移至軌道板邊角處，由此可知，適當(dāng)增加軌道板厚度對(duì)軌道板垂向變形有良好的控制作用，但應(yīng)注意防止出現(xiàn)軌道板端出現(xiàn)翹曲變形病害。

3.5 路基不均勻沉降

路基是軌道系統(tǒng)的底部結(jié)構(gòu)，是軌道以及路面的基礎(chǔ)。由于不同地區(qū)路基承受荷載大小，所處土方性質(zhì)和水分分布以及施工工藝的差異，會(huì)導(dǎo)致無(wú)砟軌道路基產(chǎn)生差別性沉降，在路基不均布沉降作用下，軌道板以及其他軌道結(jié)構(gòu)會(huì)在自身重力作用下產(chǎn)生具有一定跟隨性的垂向變形，變形曲線與沉降曲線相似但不重合。CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道軌道板在接縫處的約束作用力較小，軌道板與砂漿層、底座板黏結(jié)較牢，軌道板會(huì)因底座板發(fā)生變形而產(chǎn)生跟隨性沉降，其最大豎向位移可達(dá)到路基沉降幅值的90%以上。而CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道是整體連續(xù)結(jié)構(gòu)，整體約束作用效果相對(duì)于CRTSⅠ板式無(wú)砟軌道較強(qiáng)，跟隨性相對(duì)較弱，軌道板最大豎向位移僅達(dá)到沉降幅值的60%左右。

4 結(jié)語(yǔ)

無(wú)砟軌道作為當(dāng)今世界先進(jìn)的軌道技術(shù)，取代了過(guò)去的散粒碎石道床軌道結(jié)構(gòu)，提升了軌道運(yùn)輸?shù)陌踩裕€(wěn)定性以及其運(yùn)輸速度，在我國(guó)的軌道運(yùn)輸方面具有不可估量的價(jià)值。而無(wú)砟軌道板作為無(wú)砟軌道的重要組成部分，其變化無(wú)疑會(huì)影響無(wú)砟軌道整體的運(yùn)輸效率及壽命。因此，了解無(wú)渣軌道板變形造成的影響及其成因，以及推進(jìn)對(duì)無(wú)砟軌道板養(yǎng)護(hù)方法和變形治理的研究都具有非常重要的意義。