高速鐵路無砟道床傷損判定關(guān)鍵指標(biāo)優(yōu)化

姜子清

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

自2008年京津城際鐵路開通運營以來，中國高速鐵路迅速發(fā)展。截至2021年底中國高速鐵路運營里程已突破4萬km。隨著高速鐵路線路設(shè)備服役時間延長，受復(fù)雜運營條件、高溫天氣、結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)不良等多種因素影響［1-3］，部分地段無砟道床出現(xiàn)了混凝土開裂、砂漿層離縫、軌道板端上拱等問題［4-5］。

目前高速鐵路無砟道床檢查和維護(hù)主要依據(jù)TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》。該規(guī)范對主要結(jié)構(gòu)部位的傷損形式按照裂縫、離縫進(jìn)行劃分，并明確了裂縫和離縫等級的評判標(biāo)準(zhǔn)，但頒布時中國高速鐵路開通運營時間較短，缺乏深入的理論指導(dǎo)和豐富的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗。近年來，為合理確定無砟道床傷損評判指標(biāo)，協(xié)助運營維護(hù)管理部門對無砟道床傷損更加準(zhǔn)確判定，學(xué)者們做了不少探索。文獻(xiàn)［6］開展了CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層離縫對軌道板間縱連鋼筋受力的影響研究。文獻(xiàn)［7］對CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)由溫度力所引發(fā)的結(jié)構(gòu)傷損問題及其成因進(jìn)行了分析，并結(jié)合實際情況提出了相應(yīng)的預(yù)防整治技術(shù)對策。文獻(xiàn)［8］推導(dǎo)了軌道板在砂漿層和張拉鋼筋約束下的解析解，分析了CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層離縫產(chǎn)生原因，給出了離縫產(chǎn)生時軌道板的臨界伸縮溫度。文獻(xiàn)［9］通過現(xiàn)場測量和數(shù)值模擬，分析了高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層離縫的傷損特征、傷損整治限值以及溫度荷載對軌道結(jié)構(gòu)受力和變形的影響，提出不同工況砂漿層離縫檢查方法，建議按離縫寬度對砂漿層離縫分三級管理，并給出各級離縫深度、長度限值。文獻(xiàn)［10］建立了路基上CRTSⅠ型框架式無砟軌道彈性地基梁-板計算模型，分析了層間離縫條件下軌道板豎向變形情況。隨著高速鐵路運營線路增多，運營時間延長以及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的發(fā)展，仍以TG/GW 115—2012作為無砟道床養(yǎng)護(hù)維修的指導(dǎo)性文件已不完全適宜。

本文通過現(xiàn)場調(diào)研和無砟道床結(jié)構(gòu)承載力現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式，掌握不同軌道結(jié)構(gòu)形式無砟道床傷損情況，結(jié)合TG/GW 115—2012和工程實踐經(jīng)驗，給出無砟道床傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化建議。

1 無砟道床傷損分類

TG/GW 115—2012中將無砟軌道分為CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式、雙塊式、道岔區(qū)軌枕埋入式、道岔區(qū)板式五種結(jié)構(gòu)形式，按軌道板、砂漿層、底座等部位對每種結(jié)構(gòu)的傷損形式進(jìn)行規(guī)定。高速鐵路無砟道床傷損分類的主要目的是便于無砟道床檢查維修管理人員方便快捷地查詢到所屬的傷損形式及其相應(yīng)的維修指標(biāo)。因此，建議高速鐵路無砟道床傷損分類沿用TG/GW 115—2012，即先按無砟道床結(jié)構(gòu)形式分類，然后按結(jié)構(gòu)形式查找傷損部位和傷損形式。

由于TG/GW 115—2012頒布時缺少CRTSⅢ型板式無砟道床傷損維修經(jīng)驗，僅在總則中提出CRTSⅢ型板式無砟道床維修可參照本規(guī)則執(zhí)行，并未明文規(guī)定CRTSⅢ型板式無砟道床的傷損形式及等級判定標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過十余年的調(diào)研、跟蹤觀測及維修實踐，形成了一套較為成熟的CRTSⅢ型板式無砟道床傷損分類、等級判定和維修方法，因此建議在《高速鐵路線路維修規(guī)則》（報批稿）中增加CRTSⅢ型板式無砟道床傷損形式，并按照軌道板、底座、自密實混凝土充填層等部位分別對其裂縫、離縫進(jìn)行規(guī)定。

2 無砟道床傷損判定等級優(yōu)化

日本高速鐵路無砟道床傷損判定劃分為A、B、C（最嚴(yán)重）三個等級，對其整治辦法依次是引起注意（記錄在冊）、按計劃修補、須迅速修補。TG/GW 115—2012中無砟道床傷損等級判定主要參考日本單元板式無砟軌道，傷損等級劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級（最嚴(yán)重），對其整治辦法依次是做好記錄、列入維修計劃并適時修補、及時修補。德國無砟道床沒有進(jìn)行傷損判定等級劃分，即軌道板、砂漿層、底座等不同結(jié)構(gòu)部位的傷損超過某一限值進(jìn)行維修。

對中國高速鐵路無砟道床經(jīng)過十余年的檢查、維修及傷損發(fā)展規(guī)律研究，發(fā)現(xiàn)大部分無砟道床傷損從開始到逐步發(fā)展為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，有一定的時間可檢查發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)維修措施。同時，由于無砟道床裂縫、離縫具有數(shù)量較大、發(fā)展較慢、影響較小等特點，過于細(xì)化無砟道床傷損分級可能會極大增加現(xiàn)場檢查、記錄、分析的工作量，從而影響急需維修區(qū)段或處所的整治。因此，針對不同無砟道床結(jié)構(gòu)特點，在對其傷損影響全面評估的基礎(chǔ)上，對傷損等級劃分進(jìn)行優(yōu)化，即將無砟道床傷損等級由三級調(diào)整為兩級：對Ⅰ級傷損應(yīng)做好觀測、記錄、分析；對Ⅱ級傷損應(yīng)列入維修計劃并適時修補。

3 無砟道床傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化

3.1 CRTSⅠ型板式無砟道床砂漿層傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)

CRTSⅠ型板式無砟道床砂漿層的主要功能是保證軌道板均勻支承、承受并傳遞荷載，協(xié)調(diào)軌道板溫度翹曲變形。然而，受長期列車荷載、溫度梯度荷載作用，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)Ⅰ型板式無砟道床砂漿層存在離縫、開裂問題。TG/GW 115—2012中CRTSⅠ型板式無砟道床砂漿層離縫判定指標(biāo)為寬度、橫向深度、對角線長度，但砂漿層離縫的對角線長度在現(xiàn)場難以測量?？紤]天窗時間及工務(wù)人員維修的可操作性，建議將其替換為離縫長度。優(yōu)化后的CRTSⅠ型板式無砟道床砂漿層傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)如下。

1）Ⅰ型板式無砟道床砂漿層離縫判定標(biāo)準(zhǔn)：①按離縫寬度d劃分，1.5 mm≤d＜2.0 mm時為Ⅰ級，d≥2.0 mm時為Ⅱ級；②按離縫深度h劃分，50 mm≤h＜100 mm時為Ⅰ級，h≥100 mm時為Ⅱ級；③按離縫長度l劃分，200 mm≤l＜800 mm時為Ⅰ級，l≥800 mm時為Ⅱ級。

2）Ⅰ型板式無砟道床砂漿層裂縫判定標(biāo)準(zhǔn)。按裂縫寬度w劃分，0.5 mm≤w＜1.0 mm時為Ⅰ級，w≥1.0 mm時為Ⅱ級。

3.2 CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)

CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層作為軌道板和混凝土底座或支承層之間的墊層，主要起填充、支撐、承力、傳力作用，并為軌道板提供適當(dāng)?shù)膭偠群晚g性?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)砂漿層離縫現(xiàn)象較為普遍，對軌道結(jié)構(gòu)整體性和耐久性影響較大，TG/GW 115—2012中CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層離縫判定指標(biāo)為寬度、深度、對角線長度。

為更加準(zhǔn)確判定CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層離縫傷損程度，采用無砟道床砂漿層狀態(tài)檢測儀對砂漿層離縫情況進(jìn)行檢測，直接獲取砂漿層離縫百分比，顯著提高天窗檢測精度和效率，節(jié)省人力物力。根據(jù)京滬、京津、京廣、滬昆、津秦、合福等多條高速鐵路線路（總里程超過30 km，軌道板數(shù)量5 000余塊）的現(xiàn)場實測結(jié)果，按照離縫面積比劃分為［0，40）、［40，70）、［70，100］三個區(qū)間，統(tǒng)計每個區(qū)間軌道板數(shù)量占比。結(jié)果表明：［0，40）區(qū)間軌道板約占3.73%，［40，70）區(qū)間軌道板約占53.90%，［70，100］區(qū)間軌道板約占42.37%。

基于此，將TG/GW 115—2012中砂漿層傷損等級判定指標(biāo)中的“離縫深度、離縫對角線長度”修改為“離縫面積比”，并給出了其等級判定標(biāo)準(zhǔn)。

1）Ⅱ型板式無砟道床砂漿層離縫判定標(biāo)準(zhǔn)：①按離縫寬度劃分，1.5 mm≤d＜2.0 mm時為Ⅰ級，d≥2.0 mm時為Ⅱ級；②按離縫面積比b劃分，30%≤b＜60%時為Ⅰ級，b≥60%時為Ⅱ級。

2）Ⅱ型板式無砟道床砂漿層裂縫判定標(biāo)準(zhǔn)。按裂縫寬度劃分，0.5 mm≤w＜1.0 mm時為Ⅰ級，w≥1.0 mm時為Ⅱ級。

3.3 無砟道床混凝土擋肩傷損等級判定標(biāo)準(zhǔn)

TG/GW 115—2012中僅提出對無砟道床混凝土掉塊、缺損或剝落應(yīng)適時修補，對擋肩失效應(yīng)及時修補。無砟道床混凝土缺損的部位、深度、面積不同，其產(chǎn)生的影響相差較大，因此難以給出統(tǒng)一的缺損等級判定指標(biāo)，但軌道板擋肩或雙塊式軌枕擋肩的缺損等級判定指標(biāo)較為明確。經(jīng)過調(diào)研和試驗，擋肩缺損面積不超過50%時可滿足承載力要求。

綜合考慮高速鐵路的安全性和可靠性要求，建議將軌道板擋肩缺損面積比的維修限值取30%。不超過30%時適時維修，超過30%時及時修補。CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟道床軌道板擋肩和雙塊式軌枕擋肩裂縫、缺損等級判定標(biāo)準(zhǔn)：①擋肩裂縫按裂縫寬度劃分，0.2 mm≤w＜0.3 mm時為Ⅰ級，w≥0.3 mm時為Ⅱ級；②擋肩缺損按缺損面積比t劃分，10%≤t＜30%時為Ⅰ級，t≥30%時為Ⅱ級。

3.4 無砟道床混凝土粉化判定標(biāo)準(zhǔn)

在無砟道床檢查維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，無砟道床混凝土存在粉化現(xiàn)象，而粉化會對無砟道床結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性產(chǎn)生不利影響。在對不同區(qū)域無砟道床混凝土粉化情況進(jìn)行調(diào)研和總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了無砟道床混凝土粉化等級判定標(biāo)準(zhǔn)：混凝土表面大面積粉化，粉化深度在20～25 mm，并有發(fā)展趨勢時判定為Ⅰ級?；炷练刍疃瘸^25 mm或達(dá)到鋼筋表面，或混凝土抗壓強度低于設(shè)計值時判定為Ⅱ級。

3.5 無砟道床嵌縫失效判定標(biāo)準(zhǔn)

無砟道床底座間設(shè)置20 mm的伸縮縫，并采用硅酮、聚氨酯等材料密封。其主要功能是防水。受氣候環(huán)境、材料老化等因素影響，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)伸縮縫嵌縫材料存在離縫、開裂、缺損問題，其均會導(dǎo)致嵌縫材料防水功能失效，并且與傷損程度無關(guān)，但是TG/GW 115—2012中僅規(guī)定伸縮縫離縫等級判定標(biāo)準(zhǔn)（1.0 mm≤d＜2.0 mm時為Ⅰ級，2.0 mm≤d＜3.0 mm時為Ⅱ級，d≥3.0 mm時為Ⅲ級）。因此，為確保無砟道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐久性，將無砟道床伸縮縫嵌縫材料的離縫、開裂、缺損統(tǒng)一判定為失效。

4 結(jié)論與建議

1）高速鐵路無砟道床傷損分類可沿用TG/GW115—2012中的分類方法，即先按無砟道床結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行分類，然后按結(jié)構(gòu)形式查找傷損部位和傷損形式。建議增加CRTSⅢ型板式無砟道床的傷損形式，并按照軌道板、底座、自密實混凝土充填層等部位分別對其裂縫和離縫傷損形式進(jìn)行規(guī)定。

2）針對不同無砟道床結(jié)構(gòu)的特點，優(yōu)化了傷損判定等級。建議無砟道床傷損等級由三級調(diào)整為兩級，對Ⅰ級傷損應(yīng)做好觀測、記錄、分析；對Ⅱ級傷損應(yīng)列入維修計劃并適時修補。

3）TG/GW 115—2012中CRTSⅠ型板式無砟道床砂漿層離縫判定指標(biāo)中的對角線長度在現(xiàn)場難以測量，建議將其替換為離縫長度，并給出了其等級判定標(biāo)準(zhǔn)。

4）根據(jù)無砟道床砂漿層狀態(tài)檢測儀的檢測結(jié)果，建議將TG/GW 115—2012中CRTSⅡ型板式無砟道床砂漿層傷損等級判定指標(biāo)中的“離縫深度、離縫對角線長度”修改為“離縫面積比”，并給出了其等級判定標(biāo)準(zhǔn)。

5）基于不同區(qū)域無砟道床混凝土粉化情況的調(diào)研分析結(jié)果，提出無砟道床混凝土粉化等級判定標(biāo)準(zhǔn)?？紤]無砟道床底座伸縮縫嵌縫材料的離縫、開裂、缺損均會導(dǎo)致其防水功能失效，將其統(tǒng)一判定為失效。