寒區(qū)無砟軌道服役性能演化與提升技術(shù)研究進展

任娟娟, 張書義, 許雪山, 杜俊宏, 杜威

（1.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室, 四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院, 四川 成都 610031）

0 引言

速追求、從空間上向寒區(qū)環(huán)境邁進, 多維作用下其長期服役能力更應(yīng)得到精準把控[1］。我國寒區(qū)面積約占陸地國土面積的43%[2］, 寒區(qū)具體是指我國最冷月平均溫度≤0℃, 日平均氣溫≤5℃的天數(shù)≥90 d的地區(qū)[3］。目前已投入運營的寒區(qū)鐵路線路總里程已超過7 000 km, 包括哈大、哈齊、沈丹、蘭新、寶蘭等多條高速鐵路線路。隨著我國川藏鐵路項目[4］的積極推進, 新建高速鐵路不斷向甘肅、內(nèi)蒙、東北等寒冷省份/地區(qū)延伸, 寒區(qū)無砟軌道在高頻強振的列車荷載和寒區(qū)復(fù)雜環(huán)境耦合作用下, 結(jié)構(gòu)的長期服役壽命受到嚴峻挑戰(zhàn)。因此, 科學(xué)揭示寒區(qū)無砟軌道在列車荷載

高速鐵路作為重大交通工程的重要組成部分, 正逐步從大規(guī)模建造轉(zhuǎn)向穩(wěn)定運營, 截至2021年底, 我國高鐵運營里程突破4萬km。其中, 無砟軌道作為直接支承高速列車運行的重要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu), 從功能上向高與環(huán)境作用耦合下的服役性能演化規(guī)律, 進而針對新建、在役無砟軌道提出相應(yīng)的服役性能提升技術(shù), 成為有效保障寒區(qū)無砟軌道長期運營的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

針對寒區(qū)高速鐵路無砟軌道, 從典型環(huán)境作用特征、服役性能演化與提升技術(shù)3個方面進行重點論述, 同時指出相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展趨勢及需要重點關(guān)注的核心科學(xué)問題, 為提升我國寒區(qū)高速鐵路無砟軌道服役性能提供參考。

1 典型環(huán)境作用特征

寒區(qū)無砟軌道普遍面臨年平均氣溫低、晝夜溫差大、冬季雨雪多、反復(fù)凍融等極端條件[5］, 如何準確、量化描述無砟軌道承受的溫度荷載、路基凍脹及凍融循環(huán)等典型環(huán)境作用特征是探究寒區(qū)無砟軌道服役性能演化與提升技術(shù)的前提。

1.1 寒區(qū)無砟軌道溫度荷載作用特征

對于溫度荷載, 寒區(qū)年溫差大, 無砟軌道承受的較大整體溫度荷載致使軌道板發(fā)生整體伸縮, 產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力；在遮蔽物遮擋效應(yīng)作用下引起縱向溫度場致軌道板脹縮；晝夜溫差大會導(dǎo)致無砟軌道產(chǎn)生較大的溫度梯度, 溫度場引起無砟軌道板翹曲變形（見圖1）?；诠蟾咚勹F路部分區(qū)段溫度場觀測數(shù)據(jù)[6］、達坂城地區(qū)無砟軌道試驗段長期觀測數(shù)據(jù)[7］的統(tǒng)計分析, 無砟軌道溫度和近地表氣溫呈現(xiàn)以日和年為周期的變化特征, 無砟軌道日溫度梯度變化幅值近似與氣溫變化幅值成正比。為進一步明晰極端天氣條件下無砟軌道內(nèi)部溫度場分布特征, 基于熱傳導(dǎo)基本原理與無砟軌道瞬態(tài)溫度場數(shù)值模型分析驗證[8-9］, 軌道板溫度場隨時間、空間非線性周期性變化, 且內(nèi)部溫度場變化滯后于大氣溫度變化, 隨距離道床板頂面深度的增加, 溫度變化幅值逐漸減小, 道床板內(nèi)不同深度處溫度隨時間變化統(tǒng)計見圖2；夏、冬季極端天氣下溫度梯度方向相反, 數(shù)值也存在較大差異。

圖1 溫度場引起無砟軌道板翹曲變形[10］

圖2 道床板內(nèi)不同深度處溫度隨時間變化統(tǒng)計[11］

1.2 寒區(qū)無砟軌道路基凍脹作用特征

對于路基凍脹, 由于寒區(qū)氣候、工程和水文地質(zhì)條件在時間和地域上存在較大差異導(dǎo)致軌道路基結(jié)構(gòu)凍脹具有隨機性和不確定性[12］, 盡管針對路基凍脹采取了非凍脹或弱凍脹路基填料以及其他防凍脹措施, 我國寒區(qū)高速鐵路路基凍脹變形依然普遍存在[13］。路基凍脹是一個緩慢積累和發(fā)展的過程, 整個凍脹過程按照凍脹量變化基本可劃分為初始波動、快速發(fā)展、穩(wěn)定凍脹以及融化回落4個階段[14-15］, 典型路基斷面凍脹發(fā)展過程見圖3, 不同時期、不同運營線路的凍脹量及其增速有所不同。為確保無砟軌道整個服役過程中線路運營安全, 相繼開展了一系列現(xiàn)場監(jiān)測工作以研究無砟軌道路基凍脹變形特點、凍脹量和分布特征[16-17］。同時, 依托哈大高速鐵路路基凍脹長期監(jiān)測數(shù)據(jù)[18］以及典型路段凍脹監(jiān)測數(shù)據(jù)[19］, 分析各層凍脹量的分布變化特征, 得出凍脹的主要部位為基床表層。

圖3 典型路基斷面凍脹發(fā)展過程[19］

1.3 寒區(qū)無砟軌道凍融循環(huán)作用特征

對于凍融循環(huán)作用, 寒區(qū)秋冬交替、春融時溫度幅值快速變化, 導(dǎo)致無砟軌道隨溫度變化發(fā)生凍融現(xiàn)象。混凝土凍融是材料內(nèi)部加載、卸載循環(huán)作用, 導(dǎo)致混凝土韌度和斷裂性能降低, 當(dāng)材料力學(xué)性能退化到一定程度發(fā)生破壞[20］。對于我國北方季節(jié)性冰凍區(qū), 1年內(nèi)會經(jīng)受多次凍融循環(huán)作用[21］。其中既包括短期高頻率凍融循環(huán), 也包括1年乃至數(shù)年內(nèi)的凍融大循環(huán)。通過對我國北方受凍地區(qū)的混凝土凍融現(xiàn)象進行監(jiān)測, 得到1年內(nèi)的天然凍融循環(huán)次數(shù), 同時按照混凝土部件抗凍等級進行相應(yīng)的室內(nèi)凍融試驗, 基于設(shè)計耐久年限得到天然凍融循環(huán)次數(shù)與室內(nèi)凍融循環(huán)次數(shù)的等價關(guān)系[22-23］。我國三北地區(qū)凍融循環(huán)參數(shù)統(tǒng)計見表1, 借助數(shù)學(xué)回歸模型以及室內(nèi)凍融與自然凍融間的損傷關(guān)系, 參考表1中三北地區(qū)的年平均凍融循環(huán)次數(shù)[24］, 分析和預(yù)測不同地區(qū)混凝土受凍服役壽命?；炷潦覂?nèi)凍融循環(huán)試驗主要通過控制凍融循環(huán)時間、凍融溫度和凍結(jié)/融化速率等相關(guān)參數(shù), 設(shè)置特定的試驗條件對混凝土試件進行反復(fù)凍結(jié)和融化, 從而模擬寒區(qū)混凝土在凍融環(huán)境影響下產(chǎn)生的損傷破壞情況[25］?，F(xiàn)有對凍融循環(huán)的研究大多采用規(guī)范標(biāo)準進行快速凍融試驗[26-27］, 凍融次數(shù)根據(jù)各自試驗?zāi)康拇_定。

表1 我國三北地區(qū)凍融循環(huán)參數(shù)統(tǒng)計

現(xiàn)有研究人員對寒區(qū)無砟軌道環(huán)境作用特征的研究多基于現(xiàn)場監(jiān)測、有限元模擬等手段, 采用理論分析及試驗研究等方法獲得寒區(qū)各種環(huán)境作用特征。但現(xiàn)有研究并未充分考慮寒區(qū)環(huán)境作用影響因素, 如無砟軌道溫度場研究欠缺對降雪量、降雪深度、蒸發(fā)量等影響因素的考慮, 只是在考慮氣溫、太陽輻射、風(fēng)速等部分影響因素的基礎(chǔ)上對寒區(qū)環(huán)境作用規(guī)律進行分析。故有必要通過試驗、數(shù)值模擬等手段分析多影響因素作用下寒區(qū)環(huán)境作用的特性, 并提出更科學(xué)、合理的統(tǒng)計分析方法, 進一步揭示寒區(qū)無砟軌道典型環(huán)境作用特征及分布規(guī)律。

2 服役性能演化

寒區(qū)無砟軌道在服役過程中不可避免地出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu)病害, 導(dǎo)致無砟軌道逐漸損傷退化、耐久性下降。為此, 探索寒區(qū)無砟軌道服役性能演化規(guī)律, 合理揭示結(jié)構(gòu)劣化過程, 量化并預(yù)測服役過程中結(jié)構(gòu)的耐久性能, 對深化研究結(jié)構(gòu)理論設(shè)計方法, 提出服役期內(nèi)的維修建議具有重要的現(xiàn)實意義。

2.1 凍融循環(huán)作用下寒區(qū)無砟軌道損傷演化

凍融循環(huán)作用是寒區(qū)無砟軌道混凝土損傷失效的主要誘因之一, 針對凍融循環(huán)下無砟軌道混凝土損傷研究已取得了一些成果：在損傷機理方面, 研究人員基于熱力學(xué)原理建立了水-熱-力耦合多孔介質(zhì)力學(xué)物理表達式, 并用于凍融過程結(jié)構(gòu)受力的數(shù)值計算[28］；采用毛細孔內(nèi)冰-水壓力關(guān)系, 分析混凝土在凍融循環(huán)過程中的溫度場、應(yīng)變場以及孔內(nèi)壓力場的分布規(guī)律[29］；研究凍結(jié)速率及氣孔內(nèi)壓力邊界條件對混凝土材料變形的影響, 揭示凍融循環(huán)過程中過冷度造成的混凝土性能劣化及氣孔內(nèi)負壓力造成的混凝土凍縮[30］。但這些研究均未考慮凍融過程中混凝土的損傷行為, 無法完整表述凍融循環(huán)過程中的水-熱-力耦合及損傷演化規(guī)律。在混凝土損傷特性方面, 主要集中在凍融作用下其宏觀物理、力學(xué)性能的劣化規(guī)律[31-32］, 以及借助CT掃描技術(shù)探究內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的空間分布特征[25, 33］, 并基于試驗結(jié)果建立了受凍混凝土的損傷本構(gòu)模型[26, 34］, 但仍缺乏凍融循環(huán)作用對無砟軌道靜動力學(xué)性能以及損傷機理的影響研究。

（1）動荷載與凍融環(huán)境共同作用是無砟軌道混凝土致?lián)p的根本原因[35］。研究人員從力學(xué)唯象的角度出發(fā), 以塑性應(yīng)變表征凍融損傷, 并考察多次交互作用下材料的性能變化規(guī)律, 發(fā)現(xiàn)疲勞過程與凍融循環(huán)過程引起的微裂紋不同[36-37］；另外, 也有研究人員通過開展疲勞荷載與凍融循環(huán)交互試驗研究混凝土損傷演化規(guī)律[38-40］, 從經(jīng)典的Aas-Jakobsen疲勞公式出發(fā)建立考慮疲勞效應(yīng)的凍融損傷模型[41］, 從受疲勞荷載與凍融循環(huán)作用后混凝土的動態(tài)力學(xué)效應(yīng)著手, 分析混凝土受荷載歷史對其動態(tài)本構(gòu)行為的影響規(guī)律[42］。然而, 現(xiàn)有對混凝土疲勞性能試驗研究的荷載與無砟軌道列車荷載的荷載特征值有較大差別, 列車荷載的頻率分布范圍相對較廣, 以上研究成果并不具有普適性。

（2）在無砟軌道領(lǐng)域, 列車荷載與凍融循環(huán)共同作用下無砟軌道將產(chǎn)生高、低周復(fù)合疲勞損傷, 內(nèi)部微缺陷產(chǎn)生并不斷發(fā)展, 導(dǎo)致混凝土宏觀力學(xué)效應(yīng)變化, 但兩者損傷機理存在差異。而現(xiàn)有研究并未充分考慮凍融環(huán)境下無砟軌道混凝土的本構(gòu)關(guān)系變化、荷載條件以及高、低周共存問題。研究表明, 疊加的高周載荷作用會降低材料的低周疲勞壽命[43］, 混凝土在這種高、低周荷載交互作用下的損傷機制還不明確, 在列車荷載與凍融循環(huán)耦合作用致?lián)p條件下, 如何將列車荷載與凍融循環(huán)造成的損傷演化效應(yīng)相互等效傳遞是研究無砟軌道混凝土復(fù)合疲勞損傷演化機制的核心。運用統(tǒng)計方法研究高速列車激勵與凍融循環(huán)作用特性；根據(jù)微塑性、多場耦合等理論, 明晰無砟軌道混凝土復(fù)合損傷過程, 可為揭示寒區(qū)無砟軌道混凝土損傷演化機理、掌握混凝土復(fù)合損傷傳遞機制提供方向。

2.2 路基凍脹作用下寒區(qū)無砟軌道損傷演化

路基凍脹變形是寒區(qū)無砟軌道在建設(shè)和運營管理中亟待解決的重大工程問題。一方面, 路基局部變形會引起軌道高低不平順；另一方面引起軌道板、底座板出現(xiàn)離縫, 加速無砟軌道損傷。路基凍脹變形對無砟軌道的影響見圖4。

圖4 路基凍脹變形對無砟軌道的影響[56］

（1）研究人員針對無砟軌道路基結(jié)構(gòu)的凍脹規(guī)律與機理[44-45］、傷損特征[14, 46］、工程措施[47-48］等進行大量研究工作, 開展路基凍脹對無砟軌道性能的影響研究, 旨在探究路基凍脹作用下無砟軌道的損傷演化規(guī)律, 為路基凍脹變形控制提供理論支撐。例如：研究人員通過建立高速鐵路無砟軌道-路基凍脹耦合計算模型, 根據(jù)路基凍脹變形時的不同凍脹波長、凍脹幅值以及凍脹位置, 分析無砟軌道各部件的垂向位移變形[49-50］、拉應(yīng)力變化規(guī)律[51-52］以及對軌道不平順的影響[53］；探討凍脹位置和不同凍脹條件下底座板的離縫特征[54］, 并利用內(nèi)聚力模型分析層間黏結(jié)強度及底座板剛度對層間離縫演化發(fā)展的影響[55］。

（2）路基凍脹區(qū)處于溫度低、溫差大的嚴寒地區(qū), 無砟軌道在復(fù)雜溫度荷載條件下會產(chǎn)生不同程度的翹曲變形, 相關(guān)人員研究整體溫度荷載、溫度梯度荷載與凍脹共同作用時對層間離縫高度的影響[56］?；谲囕v-無砟軌道-路基凍脹耦合靜動力學(xué)模型, 在考慮列車荷載作用下, 分析不同凍脹變形條件對行車安全性及舒適性的影響規(guī)律以及軌道結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性[57-60］；揭示低溫與列車荷載耦合下不同凍脹條件對軌道結(jié)構(gòu)變形和強度的影響規(guī)律[61］, 提出路基不均勻凍脹變形管理限值[50, 52, 62-63］。

以上研究人員通過凍脹傷損調(diào)研和數(shù)值模擬進行路基凍脹對無砟軌道傷損影響分析, 開展大量路基凍脹機理和控制措施研究, 但是針對路基凍脹時無砟軌道多層結(jié)構(gòu)變形自適應(yīng)的相關(guān)研究還相對較少, 特別是針對過渡段、曲線以及道岔區(qū)等特殊區(qū)段路基凍脹特征變化與軌道不平順、無砟軌道多層結(jié)構(gòu)的傳力機制和車輛、無砟軌道靜動力響應(yīng)映射關(guān)系等相對匱乏, 對無砟軌道路基凍脹變形控制和凍害處置尚無統(tǒng)一的標(biāo)準。因此, 結(jié)合實測路基凍脹結(jié)果, 綜合考慮特殊區(qū)段路基凍脹時軌道系統(tǒng)變形協(xié)調(diào)映射關(guān)系的理論分析, 關(guān)注車輛高速通過連續(xù)多波凍脹區(qū)段時對軌道結(jié)構(gòu)疲勞、傷損等方面的影響, 仍是寒區(qū)無砟軌道研究的重點。

2.3 寒區(qū)無砟軌道耐久性研究及壽命預(yù)測

混凝土作為無砟軌道不可或缺的工程材料, 其耐久性是服役環(huán)境下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)壽命的保障。然而, 由于現(xiàn)有軌道結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計標(biāo)準尚未充分考慮荷載、環(huán)境及結(jié)構(gòu)抗力等的統(tǒng)計分布特性, 無砟軌道在滿足設(shè)計標(biāo)準前提下仍出現(xiàn)了不同程度的傷損病害, 特別是寒區(qū)無砟軌道在列車高頻荷載、凍融、碳化及侵蝕離子等作用下, 材料性能不斷劣化, 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷累積、耐久性下降, 最終影響結(jié)構(gòu)的使用功能與安全可靠性能。因此對寒區(qū)無砟軌道混凝土耐久性及其壽命預(yù)測研究非常必要。

（1）在混凝土耐久性研究理論方面, 主要包括2類：一是以傳輸性表征的耐久性顯著降低, 主要集中于對力、化學(xué)、物理因素耦合作用下傳輸方程的建立[64-65］；二是力、化學(xué)、物理因素耦合作用下導(dǎo)致材料質(zhì)變或結(jié)構(gòu)失效[66］, 主要集中于功能函數(shù)搭建與失效準則健全。研究人員通過對極端氣候、循環(huán)溫度荷載、氯離子侵蝕等環(huán)境因素進行室內(nèi)模擬, 詮釋無砟軌道在重復(fù)溫度荷載下層間損傷的萌生與發(fā)展等[9］, 分析高海拔、大溫差自然環(huán)境下混凝土裂紋產(chǎn)生的原因[67］, 明確無砟軌道水泥基材料碳化性能及其微觀機理[68］, 獲得混凝土中氯離子的傳輸規(guī)律[69］, 為軌道結(jié)構(gòu)的耐久性研究積累了一定的理論與試驗經(jīng)驗。

（2）在混凝土耐久性壽命預(yù)測方面, 對于列車荷載作用, 研究人員基于輪軌系統(tǒng)耦合動力學(xué)原理建立的板式無砟軌道有限元模型, 以P-M疲勞累計傷損準則[70］、非線性疲勞累計理論[71］、損傷有限元全耦合法[72］為基礎(chǔ), 分析CA砂漿在列車荷載作用下的疲勞壽命, 此外采用S-N曲線分析方法預(yù)測客貨車荷載作用下軌道板的疲勞壽命[73］。對于凍融循環(huán)作用, 研究人員基于質(zhì)量衰減模型[74］、強度衰減模型[75］、能量耗散模型[76］、超聲波聲速變化規(guī)律模型[77］、相對動彈性模量衰減模型[78］、應(yīng)變變化規(guī)律模型[79］等, 利用凍融循環(huán)試驗數(shù)據(jù), 擬合出選定的凍融破壞指標(biāo)極限值, 依據(jù)室內(nèi)外凍融循環(huán)次數(shù)之間的等效關(guān)系[80］對凍融循環(huán)作用下的混凝土耐久性壽命進行預(yù)測。對于碳化作用, 基于無損檢測獲得碳化環(huán)境下的耐久性指標(biāo), 建立碳化深度預(yù)測模型、鋼筋銹蝕模型[81］, 并基于檢測數(shù)據(jù)對模型的分布參數(shù)、權(quán)重進行耐久性失效概率更新[82］, 對混凝土在碳化作用下的耐久性壽命進行準確評估和預(yù)測。

近年來, 針對材料耐久性研究發(fā)現(xiàn)多因素條件下結(jié)構(gòu)的服役性能較單一因素復(fù)雜, 無砟軌道長期受列車荷載與環(huán)境因素的疊加作用, 外部荷載作用引起材料微結(jié)構(gòu)或滲透性變化, 與凍融循環(huán)、侵蝕離子擴散遷移等耦合影響致使結(jié)構(gòu)耐久性研究和壽命預(yù)測十分困難。部分研究人員提出凍融循環(huán)與外部彎曲應(yīng)力、鹽溶液侵蝕作用[83］、疲勞荷載與凍融循環(huán)[84］、疲勞荷載與碳化作用[85］等耦合作用下的混凝土耐久性研究和壽命預(yù)測。由于上述試驗荷載大多與我國高速鐵路無砟軌道混凝土實際承受的高頻低幅荷載（頻率接近40 Hz、應(yīng)力水平一般低于0.5）相差較大, 導(dǎo)致研究成果無法完全適用于無砟軌道的耐久性分析, 但研究思路和試驗手段值得借鑒?？紤]到現(xiàn)階段光學(xué)測量、CT掃描技術(shù)正在大力發(fā)展, 使進一步把握材料在多因素條件下的內(nèi)部微觀演變過程和宏觀屬性演化映射機制成為可能, 這無疑為揭示和完善無砟軌道耐久性預(yù)測提供了方便。

3 服役性能提升技術(shù)

保證高速鐵路無砟軌道服役性能良好是列車運行安全性和平穩(wěn)性的基礎(chǔ), 是養(yǎng)護維修的重點和難點。然而, 我國寒區(qū)無砟軌道在列車動荷載和復(fù)雜服役環(huán)境下更易出現(xiàn)不同程度的傷損, 直接影響無砟軌道服役期間的安全性、穩(wěn)定性以及耐久性。因此, 為使寒區(qū)無砟軌道在預(yù)定的使用年限和適當(dāng)?shù)姆乐尉S修措施下, 具有長期抵御結(jié)構(gòu)服役性能衰變的能力, 亟待對寒區(qū)新建、在役無砟軌道服役性能提升技術(shù)進行深入研究。

3.1 寒區(qū)新建無砟軌道服役性能提升技術(shù)

寒區(qū)高速鐵路對無砟軌道的穩(wěn)定性和耐久性提出了更高要求, 而先進和完善的新建無砟軌道服役性能提升技術(shù)對保證線路長期安全運營至關(guān)重要。環(huán)境與動載耦合重復(fù)作用下材料與結(jié)構(gòu)動態(tài)性能演變是決定寒區(qū)無砟軌道服役性能的關(guān)鍵[86］, 因此, 牢牢把握無砟軌道材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計2個核心要點, 推動無砟軌道材料改良、結(jié)構(gòu)設(shè)計不斷優(yōu)化是提升新建無砟軌道服役性能的關(guān)鍵。

（1）材料改良。采用硅酸鹽水泥加早期強度礦物摻合料的膠凝材料代替超細水泥[87］, 提高軌道板混凝土的早期強度、減小收縮變形；采用“三低兩高”抗裂混凝土制備技術(shù)[87］, 減小現(xiàn)澆混凝土塑性收縮和干燥收縮。對于CA砂漿[88］, 結(jié)合溫度、濕度及施工條件優(yōu)化理論配合比, 從水泥種類、砂的質(zhì)量以及外加劑方面提高其綜合性能。寒區(qū)CA砂漿需要具備一定的早期強度、低溫抗裂性、耐腐蝕性、抗疲勞性、穩(wěn)定性和流動性。在CA砂漿組成體系、關(guān)鍵材料組分的優(yōu)化改良方面[89］：聚合物改性瀝青技術(shù)[90］、水泥-瀝青復(fù)合膠凝技術(shù)[91］、砂漿體積穩(wěn)定技術(shù)[92］、纖維增韌[93］技術(shù)的推廣應(yīng)用大幅提升了CA砂漿在低溫環(huán)境下的服役性能。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化。單元式軌道結(jié)構(gòu)[94］應(yīng)用有效降低了混凝土收縮變形量；在單層配筋基礎(chǔ)上優(yōu)化而來的雙層配筋, 將裂縫寬度從0.5 mm減小至0.2 mm[87］。軌道板與自密實混凝土協(xié)同受力的CRTSⅢ板式無砟軌道結(jié)構(gòu)型式, 有效減少服役期間的離縫和破損等病害；預(yù)應(yīng)力軌道板通過預(yù)拱度的設(shè)置防止溫度梯度引起的軌道板翹曲[95］, 采用自動溫控系統(tǒng)進行室內(nèi)蒸汽養(yǎng)護減少軌道板表面初期裂紋[96］。寒區(qū)無砟軌道外置材料應(yīng)用是較重要的性能提升措施：采用以氟硅高分子樹脂為基料的反射隔熱涂料[97］能降低道床板溫度梯度, 減小溫度應(yīng)力和翹曲變形；鋪設(shè)聚苯乙烯泡沫板（EPS）、聚氨酯泡沫板（PU）和聚苯乙烯擠塑板（XPS）[98］, 碎石道砟保溫層[3］隔熱防凍；采用新型防水材料, 減小凍融作用和凍害的影響, 從而有效控制由溫度引起的軌道結(jié)構(gòu)變形。

目前, 在寒區(qū)無砟軌道材料方面, 混凝土的防水、抗凍、抗裂及耐腐蝕等性能存在不足, 難以滿足惡劣環(huán)境下的服役性能要求；在軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計方面, 專門針對寒區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法形式比較單一, 普適性欠缺。在借鑒和消化國內(nèi)外先進的寒區(qū)新建無砟軌道服役性能提升技術(shù)的基礎(chǔ)上, 結(jié)合我國現(xiàn)階段的技術(shù)水平和服役環(huán)境, 提出更適合寒區(qū)無砟軌道的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化體系、不斷研發(fā)高效環(huán)保的新材料, 以預(yù)防凍害及凍融循環(huán)的損害, 進而提升無砟軌道的服役性能。

3.2 寒區(qū)在役無砟軌道服役性能提升技術(shù)

高速鐵路要求無砟軌道具有高平順性、高穩(wěn)定性和耐久性, 而哈大[99］、哈齊[100］、哈牡、盤營[101］以及沈丹[102］高速鐵路軌道, 作為典型的寒區(qū)無砟軌道, 在服役期間產(chǎn)生了不同程度的傷損病害。因此, 完備、先進的在役無砟軌道服役性能提升技術(shù)是保障高鐵安全、舒適運營的關(guān)鍵。

經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展, 我國在無砟軌道養(yǎng)護維修方面積累了一定經(jīng)驗, 但寒區(qū)無砟軌道養(yǎng)護維修經(jīng)驗相對較少。研究人員通過現(xiàn)場調(diào)研監(jiān)測、統(tǒng)計分析及有限元模擬仿真, 針對軌道板表面裂紋[103］及破損[99］、封錨端裂縫[104］或脫落、軌道上拱[105］、填充層碎裂掉塊、層間離縫脫空[106］；底座板裂縫、粉化、破損[62, 107］；板間接縫開裂[108］；軌枕松動[109］；路基凍脹[110］等病害進行維修過程力學(xué)機理探究, 給維修技術(shù)提供了理論支撐和新的維修思路。此外, 部分研究人員對軌道進行損傷等級劃分[111］, 以期選用相適應(yīng)的修補材料和維修措施, 在考慮維修材料環(huán)境適應(yīng)性及耐久性的基礎(chǔ)上, 針對性提出：樹脂浸潤技術(shù)、低壓注漿技術(shù)、環(huán)氧樹脂灌注修補技術(shù)[112］、低黏度樹脂離縫維修[108］技術(shù)等, 抑制軌道結(jié)構(gòu)病害進一步發(fā)展。我國在借鑒國外無砟軌道維修技術(shù)的基礎(chǔ)上, 提出應(yīng)用于關(guān)鍵位置維修的有機材料, 例如：丙烯酸樹脂[113］、聚氨酯樹脂[114］、乙烯基樹脂[115］、環(huán)氧樹脂[116］等。溫度作用是寒區(qū)無砟軌道維修面臨的一個挑戰(zhàn), 不僅要提升材料的溫度穩(wěn)定性以保障維修效果, 更要加強路基凍脹病害維修, 防止加劇次生病害。為此, 防排水技術(shù)[117］、凍害順坡墊板技術(shù)[110］、路基地段線路糾偏技術(shù)[118］（見圖5）、路基變形微變形擾動整治技術(shù)[119］等維修技術(shù)也被廣泛推廣應(yīng)用。

圖5 路基地段線路糾偏技術(shù)[118］

我國目前已掌握的養(yǎng)護維修技術(shù)為寒區(qū)在役無砟軌道服役性能提升提供了一定的技術(shù)支撐, 但我國寒區(qū)無砟軌道的建設(shè)和維修時間還較短, 對于維修技術(shù)的理論研究還不夠完善, 還需深入研究以提高技術(shù)水平。此外, 高速鐵路嚴格執(zhí)行天窗修制度, 現(xiàn)有的維修技術(shù)工作量、維修頻次、維修效果及管理模式無法滿足要求, 維修材料的環(huán)境溫度適應(yīng)性、耐久性不夠, 軌道結(jié)構(gòu)細部設(shè)計認知不夠充分。因此, 在已有維修標(biāo)準的基礎(chǔ)上, 通過觀測建立寒區(qū)無砟軌道傷損數(shù)據(jù)庫, 為后續(xù)無砟軌道養(yǎng)護維修、優(yōu)化設(shè)計提供技術(shù)支持與指導(dǎo), 進一步研發(fā)抗凍性、耐久性高的新材料及自動化、集成化和智能化水平較高的維修設(shè)備與技術(shù), 以保證寒區(qū)無砟軌道服役性能提升。

4 建議

（1）在寒區(qū)無砟軌道典型環(huán)境作用特征方面, 基于試驗、數(shù)值模擬等方法得到多影響因素下的寒區(qū)環(huán)境作用特性, 完善無砟軌道荷載作用特征。

（2）在寒區(qū)無砟軌道服役性能演化方面, 環(huán)境與列車高頻強振荷載的耦合作用是無砟軌道服役性能劣化的主要原因, 因此通過試驗和數(shù)值模擬明確耦合作用下的疲勞損傷演化機制, 探究特殊區(qū)段地基凍脹對軌道系統(tǒng)的變形協(xié)調(diào)及車輛靜動力響應(yīng)映射關(guān)系, 揭示和完善無砟軌道耐久性預(yù)測, 仍是未來精準把控寒區(qū)無砟軌道服役過程、實現(xiàn)預(yù)防性養(yǎng)護維修的核心基礎(chǔ)。

（3）在寒區(qū)無砟軌道服役性能提升技術(shù)方面, 在借鑒和消化現(xiàn)有無砟軌道養(yǎng)護維修經(jīng)驗的基礎(chǔ)上, 踐行全生命周期管理理念, 針對不同時期（新建、在役）的寒區(qū)無砟軌道, 從材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化及養(yǎng)護維修技術(shù)等方面不斷創(chuàng)新, 開發(fā)集自動化、信息化、智能化于一體的新技術(shù)。

5 結(jié)束語

以寒區(qū)無砟軌道為研究對象, 從環(huán)境作用特征、服役性能演化與提升技術(shù)3個層次出發(fā), 著重討論現(xiàn)階段寒區(qū)無砟軌道服役性能演化與提升技術(shù)的工作進展及不足之處, 對如何進一步提升寒區(qū)無砟軌道長期服役性能提出了一些建議與設(shè)想, 為提升寒區(qū)無砟軌道的服役性能、確保寒區(qū)高速鐵路長期安全運營提供保障。