高速铁路无砟轨道主要病害(缺陷)分析与无损检测

魏祥龙,张智慧

(1.北京交通大学，北京 100044；2.北京中铁瑞威工程检测有限责任公司,北京 100085)

1 概述

在高速铁路正式投入使用后,线路检测维护成为维护高铁正常运营的主要工作之一。无砟轨道路基直接承载着高速列车通行,其质量好坏、病害(缺陷)与否直接关系到列车运营安全。但客运专线正式投运时间尚短,相关病害(缺陷)检测工作开展相对滞后,现有公开文献上仅对无砟轨道的道床板或轨道板的裂纹及产生原因进行了一些探讨[1～2],而对其中常见的病害(缺陷)问题如层间空隙、混凝土层内不密实、裂损乃至空洞等的检测鲜有报道。无砟轨道路基,通常整体混凝土封闭,层间空隙往往仅是数毫米最多厘米级,外部难以发现；混凝土内部的不密实、裂损乃至空洞,由于密布配筋影响,一般认为不好检测。这些类似问题虽规模和尺寸较小,但在时速250 km的列车行驶下,则事关重大,不可忽视。对这些问题及早、准确的检测发现,有利于及时开展针对性的整治设计和处理。

笔者根据在相关客运专线上的检测实践,总结了无砟轨道路基上各主要病害(缺陷)的发育特征,并给出了主要病害检测的典型图像,以积累检测经验,提高检测水平。

2 病害(缺陷)机理分析

目前国内高速铁路采用的无砟轨道主要有两种,即板式无砟轨道与双块式无砟轨道。关于两种无砟轨道的主要结构特征,此处不再详述,参见文献[3]。图1给出的是路基段双块式无砟轨道结构病害分布示意图。

图1 路基段双块式无砟轨道病害分布示意

图1中a,b,c,d 4个虚圈圈定的是无砟轨道常见病害发育部位,详细病害总结见表1。

由于各种原因,道床板(轨道板)、混凝土支承层(底座)及基床表层(级配碎石层)各层间可能存在空隙、与表层裂缝贯穿的空隙、混凝土层内不密实、支承层破裂等主要病害(缺陷)问题。

施工过程中,铺筑上层混凝土结构时未能对下层混凝土表面进行充分凿毛、浮渣去除或粉尘清除、上下层混凝土施工间隔较长(尤其相隔冬夏)、混凝土欠或过捣固等问题,使得混凝土层间在列车高速荷载冲击振动下发育产生病害[4]。设计过程中,配筋粗细、间距、混凝土强度等原因促使产生的裂纹、裂缝等[5],由于技术因素可能发育成为上下贯穿裂缝并进一步引发层间病害。根据现场调查、探测,对高速铁路无砟轨道中的主要病害类型及其原因进行了初步总结,见表1。对于病害发生的部位、类型及原因的充分了解,有助于了解问题的实质并据此做针对性检测。

3 方法选择

针对无砟轨道质量缺陷检测,包含地质雷达法、瞬变电磁法、混凝土钢筋探测仪法、超声回弹法在内的多种方法可供考虑。然而,针对无砟轨道中出现的混凝土结构层间裂隙、层内不密实或空隙、各混凝土层的破损或破裂及钢筋缺失和错位此类病害(缺陷),根据混凝土轨道内部配筋密度,天窗点限制及对病害准确定位的检测要求,采用地质雷达法是开展该项检测的最佳方法。

表1 高速铁路无砟轨道中的主要病害类型及其原因

地质雷达法是一种地球物理探测方法,它通过发射器向地下连续发射脉冲式高频电磁波,电磁波向下传播过程中,遇到有电性差异的界面或目标体(介电常数和电导率不同)时会发生反射和透射。接收器接收并记录在某界面或目标体(介电常数和电导率不同)上反射回来的反射波。根据记录到的反射波的到达时间,电磁波在该介质中的传播速度,可以确定界面或目标体的深度,根据反射波的形态、强弱及其频率特征等组合特征可以进一步判定目标体的形态和性质[6]。如图2所示。

图2 地质雷达探测原理示意

检测主要依据《高速铁路设计规范》(TB10621—2009 J971—2009)、《新建时速200～250 km客运专线铁路设计暂行规定》(铁建设[2005]140号)实施。

地质雷达参数：雷达主机为美国GSSI公司的SIR20主机,开双通道；天线为与SIR20配套的900M天线；采集时窗分别为,15 ns与30 ns；采样点数为2 048点。检测速度,3 km/h。

15 ns时窗,主要考虑对45 cm左右深度范围内病害的检测,能够有限识别出道床板、轨道板内诸如空隙、钢筋、含水等病害。

30 ns时窗,主要考虑对1.5 m深度范围内病害的检测,能够有效检测出支撑层内部、支撑层与级配碎石间的病害(缺陷)。

4 典型探测

4.1 正常的无砟轨道

正常的无砟轨道,钢筋混凝土道床板(轨道板)、素混凝土支撑层(CA砂浆层)与级配碎石(路基基床表层)分层性特征明显,层间特征反射面光滑、平整；道床板内部钢筋反应清晰明显,钢筋粗细及位置均一,表现在地质雷达图像上为形态相似的强反射区点(图3中标识)。图3中已用黑色框线清楚标示出各层结构范围及钢筋反射特征。在该图中,各结构层内除钢筋强反射外,无强烈反射位置,表征层内密实程度较好,无不密实、空隙及空洞存在；各层间反射同相轴较均一,未见强烈反射,表征道床板与支撑层,支撑层与级配碎石层间接触良好,无空隙或破损起伏。

图3 正常的无砟轨道典型检测图像

4.2 道床板与支撑层间病害

道床板施工过程中,由于未能对下层支撑层表面进行充分凿毛、浮渣去除、粉尘清除或两层施工间隔较长(尤其相隔冬夏)等原因,混凝土在干缩与长期高速荷载冲击振动下,导致道床板与支撑层间产生明显空隙或脱空现象。由于捣固不均或层间空隙发展,致使素混凝土(CA砂浆)层发生磨损、破损并表现为层面裂损、起伏。道床板与支撑层间空隙、裂缝的存在,会加速道床板混凝土(垂向)裂缝的发育,并最终两者贯通。道床板与支撑层间空隙与垂向裂缝的贯通,使得降水在空隙中积聚且由于周边封闭无法排出。图4中,展示了道床板与支撑层间的空隙、空隙含水及支撑层的磨(破)损起伏。

图4 道床板与支撑层间的空隙及支撑层起伏

4.3 道床板内部病害

由于混凝土施工质量或施工过程中捣固不到位或捣固不均与裂缝发育等多种原因,道床板上下两层钢筋网内部、下层钢筋与支撑层间混凝土常形成欠密实区域。在高速荷载冲击振动之下,欠密实区域多发展成为空隙或空洞,形成道床板内部的病害。图5即是该种病害对应的典型图像,图中椭圆形虚线圈圈定的强反射区域即为道床板内空隙病害。

图5 道床板内部空隙或不密实探测典型图像

4.4 道床板内钢筋异常

对于钢筋混凝土道床板或钢筋混凝土底座,在配筋过程中,常有配筋上缺陷：配筋大小不一、配筋密度不够、配筋位置发生错位。这都影响着钢筋混凝土层的承载力和位置形态,进而影响轨道的承载能力和平顺性。图6展示了某处客运专线道床板上的配筋异常,主要是左右段配筋粗细不一。

图6 道床板中的配筋异常

4.5 支撑层(CA砂浆层)裂损

双块式无砟轨道中的支撑层为素混凝土层,板式无砟轨道中的CA砂浆层为素水泥乳化沥青砂浆层,皆无配筋。相对于钢筋混凝土构件,在高速荷载冲击振动下,无配筋混凝土或砂浆结构更易发生裂损破坏。尤其在混凝土捣固不均区域,破损常有发生。图7即是对某双块式无砟轨道段检测得到的支撑层裂损典型图像,如图中黑色椭圆虚线圈定强反射区域。

图7 支撑层破裂损坏探测典型图像

5 结论

由于高速铁路无砟轨道病害在国内大规模投入使用时间尚短,对于其病害(缺陷)的检测经验尚少,本工作是尝试性和验证性的。根据对无砟轨道病害(缺陷)的检测,分析,可得出以下结论：

(1)利用地质雷达法,能够采用相关技术手段对双块式与板式无砟轨道中的主要病害进行准确、快速、无损检测；检测结果能够准确反映病害所发育的深度、范围及规模；在目前各种检测手段中最为快捷、准确、方便；

(2)快速、准确的检测结果的获得,必须结合对病害发生的机理、部位、特征等条件的分析,具体情况具体对待；

(3)地质雷达检测能够有效揭示确认轨道板、道床板中的不密实、空隙等病害(缺陷)；

(4)对各主要病害的准确,快速,无损检测可以有效指导对病害的整治处理。

(5)已获得的典型病害图像,为尝试建立病害快速检测系统增加样本数据与图像特征。

对于客运专线无砟轨道病害的检测,尚处于初始阶段,需要投入更多的关注与时间。为维护客运专线的长期正常运营,积极主动的检测工作亟待开展。

[1]刘振民,钱振地,张 雷.双块式无砟轨道道床板混凝土裂缝的分析与防治[J].铁道建筑,2007(6)：99-101．

[2]崔国庆.双块式无砟轨道道床板裂缝控制研究[J].铁道标准设计,2010(1):66-68.

[3]TB10621—2009 J971—2009,高速铁路设计规范(试行)[S].

[4]苏红立.CRTSⅡ型双块式无砟轨道旭普林机械法与轨排法[J].山西建筑,2010,36(12)：283-284.

[5]任娟娟,刘学毅,赵坪锐.连续道床板裂纹计算方法及影响因素[J].西南交通大学学报,2010,45(1)：34-39．

[6]李大心.探地雷达技术与应用[M].北京:地质出版社,1995.