易忠來，李化建，溫 浩，謝永江

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫修復(fù)技術(shù)研究

易忠來1，2，李化建1，2，溫 浩1，2，謝永江1，2

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

充填層離縫是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要的病害形式。在實(shí)地調(diào)研我國(guó)CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫病害的基礎(chǔ)上，分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)充填層離縫的主要種類、原因及危害。根據(jù)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究充填層離縫修復(fù)材料技術(shù)要求。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐給出了離縫修復(fù)工藝，并對(duì)離縫修復(fù)效果進(jìn)行跟蹤考察。

高速鐵路 CRTSⅡ型板式無砟軌道 充填層 離縫 修復(fù)

我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)超過1萬km，時(shí)速300 km以上的線路主要采用無砟軌道結(jié)構(gòu)形式，其中京津、京滬、京石、石武、滬杭、寧杭、杭甬、合蚌、津秦、杭長(zhǎng)等高速鐵路均采用CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)總里程超過4 000 km。CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要由鋼軌扣件、預(yù)制軌道板、充填層、混凝土底座板或水硬性支承層等構(gòu)成［1］。軌道板縱向通過張拉鎖件連接，充填層位于軌道板與底座之間，主要功能為充填、支撐、承力、傳力以及提供適當(dāng)彈韌性。軌道板的豎向位移、水平位移均由砂漿充填層約束［2］。充填層是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其服役狀態(tài)直接影響軌道結(jié)構(gòu)的耐久性及列車運(yùn)行的安全性。CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)充填層材料采用的是高彈性模量水泥乳化瀝青砂漿。從運(yùn)營(yíng)實(shí)踐情況來看，充填層離縫是CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)主要的病害形式。本文分析了CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)充填層離縫的主要種類、原因及危害，根據(jù)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究分析了充填層離縫修復(fù)材料技術(shù)要求，提出了離縫修復(fù)工藝，并對(duì)離縫修復(fù)效果進(jìn)行了跟蹤考察。

1 充填層離縫分類

從實(shí)地調(diào)研在建及已通車的CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)充填層離縫情況來看，充填層離縫形式多樣，可按照離縫區(qū)域及離縫所處部位進(jìn)行分類。

1.1 按充填層離縫出現(xiàn)區(qū)域分類

1)板端離縫

板端離縫指離縫出現(xiàn)區(qū)域位于軌道板4個(gè)板角區(qū)域，每個(gè)板端的離縫長(zhǎng)度一般在60～200 cm。這類離縫往往呈現(xiàn)出越靠近軌道板板端離縫寬度越大，而軌道板中部基本不離縫的特點(diǎn)，屬于比較常見的離縫。多數(shù)離縫屬于這類，其典型情況如圖1(a)所示。

2)板中離縫

板中離縫是指離縫出現(xiàn)區(qū)域位于軌道板中部，板端未出現(xiàn)離縫的情況。典型情況如圖1(b)所示。

3)整板離縫

整板離縫是指整塊軌道板砂漿均出現(xiàn)離縫，往往寬度較大，并且可能沿整個(gè)軌道板寬度方向出現(xiàn)貫通離縫。出現(xiàn)這類離縫時(shí)，意味著軌道板與充填層粘結(jié)基本喪失，充填層對(duì)軌道板的約束作用基本喪失。這類離縫對(duì)軌道結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定性影響相對(duì)較大，需要及時(shí)修復(fù)。其典型情況如圖1(c)所示。

1.2 按充填層離縫所處部位分類

1)充填層與軌道板離縫

充填層與軌道板之間的離縫是充填層上表面與軌道板板底脫離形成的離縫，屬于最常見的充填層離縫病害形式，如圖2(a)所示。

2)充填層與底座板離縫

充填層與底座板離縫是充填層與軌道板粘結(jié)良好，而與底座板脫離導(dǎo)致的離縫。這種離縫較充填層和軌道板離縫出現(xiàn)得少，如圖2(b)所示。

3)充填層與軌道板和底座板均離縫

少數(shù)極端情況下會(huì)出現(xiàn)充填層與軌道板和底座板均出現(xiàn)離縫，如圖2(c)所示。這種情況下砂漿充填層的粘結(jié)作用完全喪失，在列車作用下砂漿充填層極易被拍碎擠出，對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性和運(yùn)營(yíng)安全性有影響，需要立即進(jìn)行修復(fù)。

圖1 不同區(qū)域充填層離縫

圖2 不同部位充填層離縫

2 充填層離縫原因及危害

2.1 充填層離縫產(chǎn)生原因

充填層離縫對(duì)CRTSⅡ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性和穩(wěn)定性有較大影響，其產(chǎn)生的原因包括設(shè)計(jì)、施工、材料、服役環(huán)境等多方面。

1)設(shè)計(jì)

CRTSⅡ型板式無砟軌道縱向上是連續(xù)的長(zhǎng)大結(jié)構(gòu)，垂向上是由軌道板、充填層、底座板組成的垂向結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)要求充填層砂漿與軌道板和底座板粘結(jié)良好，使軌道板、充填層、底座板形成一個(gè)整體，從而具有較好的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)對(duì)施工質(zhì)量要求極高，對(duì)無砟軌道施工和縱聯(lián)張拉溫度都有較嚴(yán)格的要求，對(duì)缺陷的容忍度較小，同時(shí)對(duì)于極端氣候條件下保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性缺乏可靠措施。

2)施工

從實(shí)踐情況來看，良好的施工質(zhì)量能有效減少充填層離縫的產(chǎn)生。在施工期導(dǎo)致充填層離縫的因素較多［3］，主要包括但不限于以下因素:①灌注前軌道板及底座板清理、潤(rùn)濕不到位;②排氣孔設(shè)置不正確;③灌注后舀漿過早;④封邊不嚴(yán)，砂漿漏漿;⑤砂漿養(yǎng)護(hù)不到位;⑥灌注后軌道板張拉縱聯(lián)不及時(shí)。

3)材料

水泥乳化瀝青砂漿材料性能對(duì)充填層質(zhì)量有直接影響。在材料性能方面，對(duì)于充填層離縫影響最大的是膨脹性能和粘結(jié)性能。水泥乳化瀝青砂漿要求具有微膨脹性能，部分材料如達(dá)不到技術(shù)條件要求，膨脹性不足甚至是產(chǎn)生收縮就會(huì)導(dǎo)致水泥乳化瀝青砂漿硬化之初就出現(xiàn)離縫。另外，粘結(jié)性能不足也會(huì)導(dǎo)致充填層離縫，在同樣的條件下，粘結(jié)強(qiáng)度高的材料出現(xiàn)離縫幾率遠(yuǎn)低于粘結(jié)強(qiáng)度低的材料。

4)服役環(huán)境

對(duì)于建成后的CRTSⅡ型板式無砟軌道，服役環(huán)境是導(dǎo)致充填層離縫的主要原因。對(duì)充填層離縫影響最大的是溫度。溫度對(duì)充填層離縫的影響體現(xiàn)在兩個(gè)方面:①軌道板的溫度變形。受溫度梯度的影響，軌道板會(huì)出現(xiàn)溫度變形，導(dǎo)致4個(gè)板角出現(xiàn)翹曲。當(dāng)軌道板翹曲應(yīng)力大于水泥乳化瀝青砂漿與軌道板的粘結(jié)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生離縫。②軌道結(jié)構(gòu)的溫度力。由于CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱聯(lián)板式結(jié)構(gòu)，在溫度荷載作用下，軌道板有上拱趨勢(shì)，當(dāng)溫度力大于砂漿粘結(jié)力時(shí)，充填層就會(huì)產(chǎn)生離縫。

2.2 充填層離縫的危害

充填層離縫的產(chǎn)生導(dǎo)致軌道板與底座板或支承層的粘結(jié)部分甚至完全失效，影響軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，給軌道結(jié)構(gòu)的正常使用及行車安全帶來隱患。

1)影響軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

充填層離縫產(chǎn)生后，意味著充填層與軌道板和底座板的粘結(jié)作用失效。研究表明，離縫狀態(tài)下軌道板的豎向加速度和位移分別約為良好粘結(jié)、不離縫狀態(tài)時(shí)的10余倍和20余倍(假設(shè)車速為250 km/h時(shí))［4］，從而加大高速列車運(yùn)行時(shí)軌道板對(duì)砂漿充填層的沖擊作用，大幅增加了砂漿碎裂的風(fēng)險(xiǎn)。如果不及時(shí)采取措施，會(huì)引起軌道板上拱(如圖3)。一旦軌道板發(fā)生上拱，將直接導(dǎo)致軌面高低發(fā)生變化，同時(shí)產(chǎn)生寬接縫破損、軌道板破損和裂縫等，輕則影響乘坐的舒適性，重則危及行車安全。

圖3 軌道板上拱

2)影響結(jié)構(gòu)耐久性

充填層離縫產(chǎn)生后，軌道板上的雨水、雪水會(huì)輕易沿軌道板周邊侵入離縫間隙，在充填層與軌道板或底座板間形成積水層。列車通過時(shí)，沖擊荷載直接作用于離縫間的積水層，導(dǎo)致積水層同時(shí)產(chǎn)生橫向和豎向動(dòng)水壓力。在橫向動(dòng)水壓力作用下，砂漿充填層受到橫向的拉應(yīng)力作用，形成“沖刷”效應(yīng)，充填層出現(xiàn)“冒漿”現(xiàn)象(如圖4)。在豎向動(dòng)水壓力作用下，水被壓入砂漿充填層的毛細(xì)孔縫中。由于毛細(xì)孔縫的孔徑較小，毛細(xì)孔壁是憎水性的，因而在毛細(xì)孔縫內(nèi)，尤其是孔縫尖端將形成較大的作用于毛細(xì)孔壁的動(dòng)水壓應(yīng)力，像楔子一樣使孔縫尖端受到拉應(yīng)力作用。當(dāng)動(dòng)水壓力引起的拉應(yīng)力大于砂漿充填層的抗拉強(qiáng)度時(shí)，砂漿充填層內(nèi)的毛細(xì)孔縫就會(huì)擴(kuò)展與延伸。在高速列車運(yùn)行時(shí)的反復(fù)沖擊荷載、動(dòng)水壓力和溫度變化的交替循環(huán)作用下，離縫會(huì)隨沖擊作用不斷張開、閉合，縫內(nèi)水的體積也將隨之變化。由于水是壓縮性比較小的流體，在閉合時(shí)會(huì)引起較大的水力劈裂力，可導(dǎo)致裂縫不斷產(chǎn)生、擴(kuò)展與延伸，形成“劈裂”效應(yīng)［5］，使孔縫連通成裂縫網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致砂漿充填層出現(xiàn)磨蝕或碎裂。橫向和豎向動(dòng)水壓力共同作用會(huì)導(dǎo)致碎裂的砂漿充填層被擠出(如圖5)，使充填層喪失承力、傳力功能。

圖4 充填層沖蝕

圖5 充填層被擠出

3 充填層離縫修補(bǔ)材料技術(shù)要求

鑒于高速鐵路露天服役環(huán)境(潮濕環(huán)境、溫濕度變化)、周期疲勞荷載、充填層層狀結(jié)構(gòu)以及維修天窗時(shí)間短的特點(diǎn)，為確保高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，充填層離縫修補(bǔ)材料性能應(yīng)滿足以下要求:

1)充填層離縫寬度小，離縫范圍大。這要求離縫修補(bǔ)材料具有較好的流動(dòng)性，即具有較低的黏度，可以較好地填充離縫。

2)由于維修天窗時(shí)間短，為滿足維修完成后即可以通車運(yùn)營(yíng)，要求離縫修補(bǔ)材料具有快速固化的特性，即具有較短的凝膠時(shí)間、較高的早期強(qiáng)度。

3)由于受周期疲勞荷載作用，要求離縫修補(bǔ)材料具有良好的柔韌性和耐疲勞性。

4)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求充填層與軌道板和底座板具有良好的粘結(jié)性能。這就要求離縫修補(bǔ)材料與軌道板混凝土和充填層砂漿均具有較好的粘結(jié)性能，同時(shí)要求修補(bǔ)材料具有較低的收縮率，以防止出現(xiàn)二次離縫。

5)露天服役環(huán)境要求離縫修補(bǔ)材料具有較好的耐老化性能和環(huán)境適應(yīng)性能。

綜合以上考慮，結(jié)合充填層材料的性能，研究提出了充填層離縫修補(bǔ)材料技術(shù)要求，如表1所示。

表1 充填層離縫修補(bǔ)材料技術(shù)要求

4 充填層離縫修復(fù)工藝

充填層處于軌道板與底座板中間夾層位置，其服役狀態(tài)直接關(guān)系到整個(gè)無砟軌道結(jié)構(gòu)的服役性能，其特殊的位置決定了其修補(bǔ)的難度，同時(shí)充填層的修補(bǔ)不能影響行車，必須在較短的天窗時(shí)間內(nèi)完成修補(bǔ)過程，這就要求充填層修補(bǔ)工藝快速簡(jiǎn)單，修補(bǔ)機(jī)具便捷高效。

通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，研究提出了一套行之有效的充填層離縫修復(fù)工藝［6］，主要工藝步驟如下:

1)離縫注漿前的準(zhǔn)備。查清裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度、走向、貫穿及漏水等情況，確定離縫注漿位置;采用鋼絲刷清理離縫表面的灰塵、浮渣及松散層，并用高壓空氣吹掃，盡量清除離縫內(nèi)的灰塵雜物及積水，如圖6(a)所示。

2)設(shè)置注漿口、封閉離縫。在離縫的較寬處及離縫端部等位置合理地設(shè)置注漿口，注漿口方向與離縫平行。然后將注漿管插入注漿口內(nèi)部，并采用封縫材料將注漿口及離縫全部封閉，如圖6(b)所示。

3)注漿機(jī)注漿。待封縫材料固化后，從離縫的任意一端，將雙組分注漿機(jī)的注漿管與注漿口連接，開始注漿。當(dāng)下一注漿口有漿液漏出時(shí)，封堵該出漿口，同時(shí)繼續(xù)注漿直至無法再注入修補(bǔ)材料，然后再把注漿管連接到最后有漿液漏出的注漿口上，繼續(xù)注漿。依此，直到離縫另一端的注漿口中有漿液流出時(shí)，離縫全部注滿漿液，完成離縫注漿，如圖6(c)所示。修補(bǔ)材料采用TK-A型離縫修補(bǔ)材料。

4)完成離縫修補(bǔ)。待修補(bǔ)材料完全固化后，清除封縫材料和注漿管，并將離縫表面打磨平整，如圖6(d)所示。

圖6 充填層離縫修復(fù)工藝

5 充填層離縫修復(fù)效果

通過對(duì)離縫修補(bǔ)區(qū)域的跟蹤考察，經(jīng)過兩年多的運(yùn)營(yíng)檢驗(yàn)，離縫修補(bǔ)效果良好，未出現(xiàn)二次離縫現(xiàn)象(如圖7所示)，表明所用離縫修復(fù)工藝和修補(bǔ)材料可以滿足高速鐵路無砟軌道運(yùn)營(yíng)要求。

圖7 離縫修復(fù)效果

6 結(jié)語

充填層離縫是CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的常見病害。導(dǎo)致充填層離縫的原因包括施工、材料、設(shè)計(jì)以及服役環(huán)境等多個(gè)方面。由于離縫導(dǎo)致充填層與軌道板或底座板的粘結(jié)部分甚至全部失效，充填層離縫會(huì)影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性，充填層離縫后需要及時(shí)進(jìn)行修復(fù)。充填層離縫修復(fù)材料要求具有黏度低、固化速度快、早期強(qiáng)度高、粘結(jié)強(qiáng)度高、柔韌性好、收縮率低、耐久性好等特點(diǎn)。將提出的充填層離縫修復(fù)工藝與研發(fā)的修補(bǔ)材料用于實(shí)際病害修補(bǔ)，效果良好。

［1］姜子清，江成，王繼軍，等.CRTS Ⅱ型板式無砟軌道砂漿層傷損修復(fù)研究［J］.鐵道建筑，2013(1):118-122.

［2］趙國(guó)堂.高速鐵路無碴軌道結(jié)構(gòu)［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］王靖基.水泥乳化瀝青砂漿與CRTS Ⅱ軌道板間離縫的原因及預(yù)防措施［J］.建筑，2012(8):59-61.

［4］海外鐵道技術(shù)協(xié)力協(xié)會(huì).板式無砟軌道CA砂漿的檢測(cè)、管理及修補(bǔ)施工方法［R］.日本:海外鐵道技術(shù)協(xié)力協(xié)會(huì)，2009.

［5］鄭志芳，李宗利，孫麗麗.動(dòng)力荷載作用下裂縫水力劈裂效應(yīng)研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2010，6(2):45-50.

［6］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.高速鐵路無砟軌道系統(tǒng)修復(fù)技術(shù)研究［R］.北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2013.

Study on remedy technology of open joint of filling layer for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track

YI Zhonglai1，2，LI Huajian1，2，WEN Hao1，2，XIE Yongjiang1，2
(1.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China)

Open join ts of filling layer were the main defect type of CRTS Ⅱ slab-type ballastless track.Based on nationwide investigation for open join ts of the filling layer for CRTS Ⅱ slab-type ballastless track，open join t categories，reasons behind and damage it might occur were analyzed.According to the structural characteristics of ballastless track，the p roper remedy material and technology for open join ts were studied.The proposed scheme was put in to application and the results are closely monitored for further improvement.

High speed railway;CRTS Ⅱ slab-type ballastless track;Filling layer;Open joint;Reparation

U213.2+44;U216.42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.23

1003-1995(2015)01-0102-05

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-10-15;

2014-11-15

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2012G008-A，2013G008-A-3)

易忠來(1981—)，男，湖北松滋人，副研究員，博士。