靳 昊，張保衛(wèi)，易忠來(lái)，戚志剛，李化建，黃法禮

(1.中國(guó)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；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

蘭新高速鐵路為CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng) 1 776 km，設(shè)計(jì)最高時(shí)速250 km，是世界上第一條修建在高原地區(qū)的高速鐵路。蘭新高速鐵路穿過(guò)著名的四大風(fēng)區(qū)——煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)和達(dá)坂城風(fēng)區(qū)，其中百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)部分區(qū)段年均大于8級(jí)大風(fēng)的天氣達(dá)到208 d，最大風(fēng)速60 m/s，相當(dāng)于17級(jí)風(fēng)。蘭新高速鐵路沿線的晝夜溫差非常大，極端情況下可以達(dá)到80 ℃，尤其是蘭新高速鐵路甘肅省瓜州縣管段，夏季酷熱干燥，冬季異常寒冷，晝夜和全年溫差非常大。

雙塊式無(wú)砟軌道源于德國(guó)，在我國(guó)武廣、貴廣、合福、長(zhǎng)昆等多條高速鐵路鋪設(shè)使用，總體運(yùn)營(yíng)情況良好。蘭新高速鐵路正線主要鋪設(shè)CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道，部分地段鋪設(shè)有砟軌道，采用Ⅲ型預(yù)應(yīng)力混凝土軌枕，同時(shí)在路基段創(chuàng)新性地采用了類單元化雙塊式無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)形式。蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)多為長(zhǎng)連續(xù)現(xiàn)澆注混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土的澆注、養(yǎng)護(hù)及后期運(yùn)營(yíng)受環(huán)境影響較大。同時(shí)，蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)較為特殊，大量聚氨酯嵌縫材料的應(yīng)用也對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生影響[1]。蘭新高速鐵路作為典型的高原大風(fēng)地區(qū)雙塊式無(wú)砟軌道，通過(guò)研究其傷損類型及傷損特點(diǎn)，分析傷損原因，總結(jié)傷損變化規(guī)律，有助于掌握高原大風(fēng)地區(qū)雙塊式無(wú)砟軌道傷損現(xiàn)狀及主要特征，并有針對(duì)性地提出養(yǎng)護(hù)維修方法及建議。

1 典型傷損類型及傷損特點(diǎn)

1.1 道床板裂縫

無(wú)砟軌道道床板裂縫是高原大風(fēng)地區(qū)雙塊式無(wú)砟軌道最典型的病害之一，也是病害數(shù)量最多的一類病害。道床板裂縫類型主要包括軌枕?yè)跫绲菇翘幍来舶宓陌俗中瘟芽p、道床板與支承層混凝土直角處裂縫、相鄰或相對(duì)兩軌枕?yè)跫绲菇翘幍倪B通裂縫和無(wú)砟道床橫向的貫通裂縫。其中橋梁段與路基段道床板裂縫主要以八字形裂縫和直角處裂縫為主，少量連通裂縫，而且裂縫病害情況較輕微，裂縫數(shù)量較少，深度較淺，多為表面裂縫，見(jiàn)圖1。隧道段道床板裂縫病害較為嚴(yán)重，連通裂縫與貫通裂縫數(shù)量多，裂縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，最大裂縫深度超過(guò)10 cm，見(jiàn)圖2。

圖1 路基段道床板裂縫

圖2 隧道段道床板裂縫

1.2 軌枕離縫

軌枕離縫病害主要集中在隧道段，軌枕離縫會(huì)與道床板裂縫連通，病害嚴(yán)重區(qū)域會(huì)形成無(wú)砟道床貫通裂縫，見(jiàn)圖3。

圖3 軌枕離縫

1.3 道床板上拱

道床板上拱病害通常發(fā)生在路橋、路隧過(guò)渡段或后繞帶，部分區(qū)域道床板上拱情況較為嚴(yán)重，最大上拱量可達(dá)10 mm，且伴隨道床板與支承層離縫病害，見(jiàn)圖4。

圖4 道床板上拱離縫

1.4 支承層混凝土粉化

局部地區(qū)無(wú)砟軌道支承層混凝土粉化情況較為嚴(yán)重，出現(xiàn)大面積掉塊、缺損、露石，見(jiàn)圖5。

圖5 支承層混凝土粉化

圖6 聚氨酯嵌縫材料開(kāi)裂與離縫

1.5 聚氨酯嵌縫材料傷損

蘭新高速鐵路無(wú)砟軌道伸縮縫和路間及線間封閉層使用的聚氨酯嵌縫材料的傷損情況較為嚴(yán)重，特別是道床板真縫部位的聚氨酯嵌縫材料傷損率在90%以上。聚氨酯嵌縫材料傷損類型主要為聚氨酯嵌縫膠開(kāi)裂、聚氨酯嵌縫材料與道床板混凝土離縫，見(jiàn)圖6。其中，聚氨酯嵌縫材料與道床板混凝土離縫較為普遍，離縫長(zhǎng)度較長(zhǎng)，且與混凝土完全脫離。

2 傷損形成原因

2.1 道床板裂縫及軌枕離縫

雙塊式無(wú)砟軌道道床板為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，其裂縫的產(chǎn)生受現(xiàn)場(chǎng)混凝土養(yǎng)護(hù)條件和養(yǎng)護(hù)制度影響較大。高原大風(fēng)地區(qū)水分流失速度快，混凝土表面易失水開(kāi)裂，加劇了道床板裂縫的產(chǎn)生[2]。雖然道床板混凝土采用了較多防開(kāi)裂措施，如使用內(nèi)外養(yǎng)護(hù)劑等，大幅降低了混凝土裂縫產(chǎn)生幾率，但是在建設(shè)期大規(guī)模施工的情況下，仍無(wú)法將其完全消除[3]。同時(shí)，雙塊式無(wú)砟軌道軌枕為預(yù)制軌枕，其收縮與道床板混凝土收縮不同步，當(dāng)溫度變化時(shí)，預(yù)制軌枕與道床板結(jié)合處會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中，特別是在預(yù)制軌枕?yè)跫绲菇翘帒?yīng)力集中更加顯著，道床板易出現(xiàn)八字形裂縫。八字形裂縫延伸發(fā)展，最終形成連通裂縫、貫通裂縫和軌枕離縫[4]。高原大風(fēng)地區(qū)晝夜溫差和全年溫差大，加速了裂縫病害的產(chǎn)生和發(fā)展[5]。此外，橋梁段與路基段無(wú)砟道床具有類單元化結(jié)構(gòu)，單元之間預(yù)留真縫，混凝土的溫度力得到有效釋放，其裂縫病害程度較為輕微；而隧道段無(wú)砟道床無(wú)預(yù)留伸縮縫，混凝土受溫度力影響大，易出現(xiàn)道床板連通裂縫、貫通裂縫和軌枕離縫。同時(shí)，高原大風(fēng)地區(qū)的晝夜溫差和全年溫差大，會(huì)進(jìn)一步加劇道床板裂縫與軌枕離縫。

2.2 道床板上拱

在路橋或路隧過(guò)渡段，由于無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)斷開(kāi)，形成連續(xù)道床板自由端，當(dāng)?shù)来舶迮c支承層黏結(jié)強(qiáng)度不足時(shí)，縱向限位錨梁不足以抵抗道床板縱向位移，因而在錨梁附近形成上拱；在施工后繞帶處，由于兩側(cè)道床板混凝土施工溫度不一致，會(huì)造成類似無(wú)縫線路鎖定軌溫不均衡現(xiàn)象，進(jìn)而引起道床板縱向位移，若在過(guò)渡段處加了錨固銷釘，則在銷釘附近形成上拱[6-7]。

2.3 支承層混凝土粉化

在高原大風(fēng)嚴(yán)寒環(huán)境下，支承層混凝土如養(yǎng)護(hù)不到位或未采用養(yǎng)護(hù)劑，易失水開(kāi)裂或早期受凍，導(dǎo)致混凝土抗凍性能大幅降低。在雨水較充足地區(qū)支承層混凝土易受到凍融破壞作用，混凝土出現(xiàn)掉塊、缺損、露石。

2.4 聚氨酯嵌縫材料傷損

雙塊式無(wú)砟道床為長(zhǎng)連續(xù)結(jié)構(gòu)，無(wú)砟道床伸縮縫寬度變化較大，而大的晝夜溫差和全年溫差更加劇了伸縮縫的變化幅度[8-9]。如果聚氨酯嵌縫材料位移能力較低，無(wú)法與伸縮縫同步變形時(shí)，聚氨酯嵌縫材料會(huì)出現(xiàn)傷損。當(dāng)聚氨酯嵌縫材料黏結(jié)強(qiáng)度高于拉伸強(qiáng)度時(shí)，聚氨酯嵌縫材料自身開(kāi)裂；當(dāng)聚氨酯嵌縫材料拉伸強(qiáng)度高于黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)，聚氨酯嵌縫材料與混凝土脫開(kāi)，出現(xiàn)離縫。

3 傷損發(fā)展規(guī)律

道床板裂縫和聚氨酯嵌縫材料傷損是蘭新高速鐵路CRTSⅠ型雙塊式無(wú)砟軌道最典型的病害形式，在典型的高原大風(fēng)嚴(yán)寒環(huán)境區(qū)域內(nèi)觀測(cè)其傷損變化情況，對(duì)掌握無(wú)砟軌道傷損變化規(guī)律及后續(xù)的修復(fù)工作具有重要意義。傷損觀測(cè)包括單線100 m的橋梁段、路基段和隧道段道床板裂縫，單線500 m的路基段道床板伸縮縫(真縫)處聚氨酯嵌縫材料傷損。裂縫采用比對(duì)卡觀測(cè)其寬度和深度。觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1和表2。其中，第1次觀測(cè)溫度為最低觀測(cè)溫度，因此，裂縫平均寬度差為觀測(cè)范圍內(nèi)(單線100 mm)所有裂縫的第n次觀測(cè)寬度與第1次觀測(cè)寬度差值的平均值。聚氨酯嵌縫材料離縫平均數(shù)量差、最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差和最長(zhǎng)離縫平均寬度差的計(jì)算方法與裂縫平均寬度差相同。

表1 聚氨酯嵌縫材料離縫變化情況

表2 道床板裂縫寬度變化情況

從表1看到，隨著溫度變化(先升高后降低)，雙塊式無(wú)砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數(shù)量差、最長(zhǎng)離縫平均寬度差和最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。其中，7月環(huán)境溫度最高時(shí)(18 ℃)，觀測(cè)得到的雙塊式無(wú)砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫平均數(shù)量差為-2條、最長(zhǎng)離縫平均寬度差為-3.0 mm、最長(zhǎng)離縫平均長(zhǎng)度差為-62.0 mm。道床板受熱膨脹，伸縮縫寬度變窄，聚氨酯嵌縫材料離縫受壓閉合，出現(xiàn)離縫數(shù)量減少、寬度降低、長(zhǎng)度變短的現(xiàn)象。從3月和11月(溫度相同)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看到，相比3月，11月時(shí)聚氨酯嵌縫材料的離縫數(shù)量沒(méi)有增加，但是離縫的寬度和長(zhǎng)度增大，聚氨酯嵌縫材料離縫病害仍在發(fā)展。

雖然隧道段道床板裂縫病害較為嚴(yán)重，遠(yuǎn)高于橋梁段、路基段道床板，但是，從表2可以看到，隨溫度變化和運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，隧道段、橋梁段、路基段道床板裂縫寬度均不發(fā)生改變，橋梁段、路基段、隧道段道床板裂縫測(cè)試最大溫差(23，28，19 ℃)下的裂縫平均寬度差幾乎為0，同時(shí)，未在觀測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)新的裂縫。這是因?yàn)樯炜s縫寬度變化大幅緩解、抑制了橋梁段、路基段道床板裂縫的進(jìn)一步劣化，而隧道段道床板通裂裂縫的數(shù)量較多，混凝土溫變收縮多由它們分擔(dān)，因此裂縫未進(jìn)一步發(fā)展。

4 結(jié)論

1)高原大風(fēng)地區(qū)雙塊式無(wú)砟軌道典型病害類型包括無(wú)砟軌道道床板裂縫、軌枕離縫、道床板上拱、支承層混凝土粉化和聚氨酯嵌縫材料傷損，其中無(wú)砟軌道道床板裂縫和聚氨酯嵌縫材料傷損是最主要的傷損形式。

2)大風(fēng)嚴(yán)寒氣候加劇了雙塊式無(wú)砟軌道傷損的產(chǎn)生與發(fā)展，特別是較大的晝夜溫差和全年溫差，對(duì)聚氨酯嵌縫材料傷損影響更加顯著。

3)蘭新高速鐵路雙塊式無(wú)砟軌道伸縮縫聚氨酯嵌縫材料離縫隨運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加存在劣化趨勢(shì)，而橋梁段、路基段和隧道段無(wú)砟軌道道床板裂縫病害基本穩(wěn)定。