CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝检查及伤损限值研究

姜子清，施　成，赵坪锐( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京　100081; ．西南交通大学，四川成都　61001)



CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝检查及伤损限值研究

姜子清1，2，施成1，2，赵坪锐3
( 1．中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081; 2．高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京100081; 3．西南交通大学，四川成都610031)

摘要:通过现场测量统计，并结合ANSYS有限元分析，对高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝的伤损特征、伤损整治限值以及温度荷载作用对轨道结构受力变形的影响进行研究，并对砂浆层离缝检查方法进行试验，提出不同工况的检查方法。综合考虑高速铁路CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝对线路平顺性和稳定性的影响，建议对砂浆层离缝整治限值按离缝宽度W分Ⅰ级( 1. 5 mm≤W＜2. 0 mm)，Ⅱ级( 2. 0 mm≤W＜2. 5 mm)，Ⅲ级( W≥2. 5 mm)三级管理，并提出相应的离缝深度和长度整治限值。关键词:轨道结构砂浆层离缝检查整治限值温度荷载

CRTSⅡ型板式无砟轨道是一种纵向连续的轨道结构。预制轨道板通过30 mm厚的砂浆层与底座板/支承层粘结成整体轨道结构，共同承受列车荷载和温度荷载等作用。砂浆层与轨道板或底座板/支承层之间产生离缝，会影响CRTSⅡ型板式无砟轨道平顺性和稳定性，增加轨道结构养护维修工作量。砂浆层离缝的产生原因，对轨道结构影响以及离缝维修方法前期研究相对较多［1-4］，研究结果表明:砂浆层离缝产生主要有轨道板温度梯度引起的翘曲，轴向温度荷载引起的轨道板/底座板或支承层温度伸缩，砂浆层灌注不饱满、列车动力荷载及基础不均匀沉降等原因。采用有效的隔热或保温措施，合理控制扣压装置和精调千斤顶的拆除时间，可防止轨道结构层间产生早期离缝。砂浆层离缝长度达到1. 95 m时，轨道板翘曲变形和纵向应力明显增大［5］。

表1为现行规范要求的CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝伤损整治限值标准，将砂浆层离缝伤损等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，对Ⅰ级伤损应做好记录，对Ⅱ级伤损应列入维修计划并适时进行修补，对Ⅲ级伤损应及时修补［6］。砂浆层离缝伤损整治限值主要根据我国高铁建设初期CRTSⅡ型板式无砟轨道伤损调研结果确定，缺少理论计算和现场砂浆层离缝伤损测量统计分析数据作支撑，在运营养护维修过程中离缝宽度、深度、对角长度等指标实施困难。

表1 CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝伤损整治限值标准

本文通过现场测量数据的统计分析和数值模拟方法对CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝伤损整治合理限值进行研究。

1砂浆层离缝现场测量数据统计分析

1. 1砂浆层离缝宽度特征

砂浆层离缝宽度( W)、深度( D)特征与环境温度、施工质量、材料性能、养护维修等因素相关。调研过程中，为较客观地掌握砂浆层离缝情况，在环境温度适中的5月份，选择了华北、华东不同温度环境区域京石、京沪、宁杭、合蚌、合福(安徽段)、沪昆(上海段)等CRTSⅡ型板式无砟轨道线路运营里程33 km区段。涵盖桥梁和路基不同线下基础的直线及曲线区段砂浆层，对其离缝状态特征进行调查分析，其中路基区段12 km，桥梁区段21 km。现场调查33 km区段内共出现砂浆层离缝245处，均为砂浆层与轨道板间离缝，离缝宽度采用不同规格的塞尺测量，记录宽度0. 5 mm及以上的离缝。

砂浆层离缝宽度统计分析参照《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》相关规定，结合实测数据，按0. 5≤W＜1. 0 mm，1. 0≤W＜1. 5 mm，1. 5≤W＜2. 0 mm，2. 0≤W＜2. 5 mm，W≥2. 5 mm共5级分级统计分析。统计分析结果如表2和图1所示。

表2砂浆层离缝宽度统计

图1砂浆层离缝宽度统计

从统计数据分析可见，《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中规定的Ⅰ级伤损( 0. 5≤W＜1. 0 mm)约占总量的30%，Ⅱ级伤损( 1. 0≤W＜1. 5 mm)约占21%，而达到Ⅲ级的伤损约占49%。即按规范要求近一半的砂浆层离缝伤损需及时修补，这将明显增加现场应急维修的工作量，缺少预见性和计划性，不利于工务养护部门工作安排。若砂浆层离缝养护维修标准分别按1. 5，2. 0和2. 5 mm的3级标准执行，则需观测记录的Ⅰ级伤损约占总量的37% ;需适时修补的Ⅱ级伤损约占7% ;需及时安排修补的Ⅲ级伤损约占5%，这一划分等级将砂浆层离缝伤损程度较为合理地进行分类，及时将砂浆层离缝伤损影响消除，从现场养护维修的角度考虑推荐采用此划分等级。

直线区段和曲线区段砂浆层离缝宽度统计见图2和图3。对砂浆层离缝在直线区段和曲线区段离缝宽度分布情况进一步分析，结果表明:直线区段砂浆层离缝共192处，其中宽度在2. 0 mm以下的约占直线区段离缝总量的92%，2. 0 mm及以上的约占8%，所占比例较小。曲线区段共53处，其中宽度在2. 0 mm以下的约占曲线区段离缝总量的71%，2. 0 mm及以上的约占29%。从分析结果可见，曲线区段宽度2. 0 mm及以上的砂浆层离缝明显比直线区段多，即在曲线区段砂浆层离缝发展较快，离缝伤损程度较为严重。

图2直线区段砂浆层离缝宽度统计

图3曲线区段砂浆层离缝宽度统计

路基区段和桥梁区段砂浆层离缝宽度统计见图4和图5。通过对砂浆层离缝在路基区段和桥梁区段离缝宽度分布情况进一步分析，结果表明:路基区段砂浆层离缝共43处，其中宽度在2. 0 mm以下的约占路基区段离缝总量的85%，2. 0 mm及以上的约占15%。桥梁区段共202处，其中宽度在2. 0 mm以下的约占桥梁区段离缝总量的89%，2. 0 mm及以上的约占11%。从分析结果可见，路基区段宽度2. 0 mm及以上的砂浆层离缝与桥梁区段基本相当，砂浆层离缝分布与线下基础类型无明显关系。

1. 2砂浆层离缝深度特征

砂浆层离缝深度采用直径0. 5 mm的高强弹簧钢丝测量，统计分析参照《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》相关规定，结合实测数据，按直径D＜50 mm，50≤D＜100 mm，100≤D＜150 mm，150≤D＜200 mm，200≤D＜250 mm，250≤D＜300 mm，300≤D

＜350 mm，D≥350 mm共8级分级统计分析。统计分析结果如表3和图6所示。

图4路基区段砂浆层离缝宽度统计

图5桥梁区段砂浆层离缝宽度统计

表3砂浆层离缝深度统计

图6砂浆层离缝深度统计

从统计数据分析可见，《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》中规定的Ⅰ级伤损( D＜50 mm)约占总量的5%，Ⅱ级伤损( 50≤D＜100 mm)约占19%，而达到Ⅲ级的伤损约占76%，即按规范要求3/4的砂浆层离缝伤损需及时修补。若砂浆层离缝养护维修标准分别按100 mm以下、100～350 mm(不含)和350 mm及以上3级标准执行，则需观测记录的Ⅰ级伤损约占总量的24% ;需适时修补的Ⅱ级伤损约占73% ;需及时安排修补的Ⅲ级伤损约占3%，这一划分等级将砂浆层离缝伤损程度较为合理地进行分类，从现场养护维修的角度考虑推荐采用此划分等级。

1. 3砂浆层离缝深度与宽度关系

砂浆层离缝深度和宽度关系如表4和图7所示。对砂浆层离缝深度和宽度关系进一步分析，结果表明:砂浆层离缝宽度在1. 5 mm以下时，离缝深度平均值和最大值变化不大;离缝宽度在1. 5 mm及以上时，离缝深度平均值和最大值相比1. 5 mm以下时明显增大。可见，现场砂浆层离缝伤损养护维修管理过程中需重点关注1. 5 mm及以上的伤损。

表4砂浆层离缝深度和宽度关系　mm

图7砂浆层离缝深度和宽度关系

2砂浆层离缝深度与长度影响计算分析

2. 1计算模型和参数

采用ANSYS软件建立不同砂浆层离缝的CRTSⅡ型板式轨道模型。模型主体结构由钢轨、扣件、轨道板、砂浆层、混凝土底座和路基基床等组成。模型选取三块轨道板进行计算以消除边界效应，并以中间轨道板作为研究对象。钢轨等效为无限长点支承梁，扣件等效成弹性元件，不计纵、横向阻力，垂向等效为线性弹簧。离缝区域的砂浆与轨道板之间采用接触单元来模拟砂浆与轨道板的摩擦和相对滑移，摩擦系数取0. 3。不考虑砂浆层与底座之间的离缝伤损。分别考虑正温度梯度90℃/m和负温度梯度45℃/m，以及轨道整体降温10，15，20，25，30℃时，离缝对轨道结构受力的影响。列车荷载取单轴双轮150 kN。

2. 2砂浆层离缝深度影响

计算取负温度梯度荷载的最不利工况。图8是负温度梯度荷载作用下，轨道板和砂浆层最大拉应力随砂浆层离缝深度变化趋势图。由计算结果可见，轨道结构离缝深度＜0. 3 m时，轨道板与砂浆层受力的增加趋势较为缓慢，而深度超过0. 3 m时，受力增加较快，结构对层间破坏伤损较为敏感。轨道板横向拉应力随着离缝深度的增加呈先增大后减小的趋势，在0. 75 m左右时达到最大应力1. 7 MPa。

2. 3砂浆层离缝长度影响

图9是负温度梯度荷载作用下轨道板拉应力随砂浆层离缝长度的变化趋势。由计算结果可见，随着离缝长度增加，轨道板纵、横向拉应力先增大后减小。在离缝长度＜0. 65 m时，轨道板的应力变化很快。在离缝长度达到1. 3 m时，轨道板应力达到最大。轨道板纵、横向最大拉应力分别是正常状态的200%，110%。

图8负温度梯度荷载作用下轨道结构受力随砂浆层离缝深度变化曲线

图9负温度梯度荷载作用下轨道板拉应力随砂浆层离缝长度变化曲线

2. 4砂浆层离缝伤损限值建议

基于以上调研和理论计算分析结果，在已颁布的《高速铁路无砟轨道维修规则(试行)》的应用基础上，提出砂浆层离缝伤损等级分别为Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，伤损等级判定标准如表5所示。对Ⅰ级伤损应做好记录，对Ⅱ级伤损应列入维修计划并适时进行修补，对Ⅲ级伤损应及时修补。针对原《高速铁路无砟轨道维修规则(试行)》中对角长度的要求，CRTSⅡ型板式无砟轨道采用轨道板板端纵连、板间填筑微膨胀混凝土等技术措施，可有效降低板端翘曲影响，但对角离缝现场无法直接测量，可执行性较差，因此建议取消砂浆层离缝对角长度的技术要求。

表5 CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝伤损等级判定建议值

3　砂浆层离缝检查

CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝有两种工况:其一为运营过程中由于轨道板温度梯度翘曲、道床整体温度伸缩变形和列车荷载等因素综合作用，导致砂浆层与轨道板粘结逐步失效，出现砂浆层离缝;其二是由于短时间内环境温度升高，导致纵向连续轨道板失稳上拱变形。两种工况主要区别在于前者轨道板无明显变形，砂浆层离缝发展过程中有较充裕的时间对其进行检测、判别;而后者轨道板上拱变形具有突发性，且存在一定安全隐患。

3. 1轨道板未上拱的砂浆层离缝

此类砂浆层离缝伤损在各条CRTSⅡ型板式无砟轨道线路不同程度均有发生，检查效率和检查精度是满足天窗时间内砂浆层离缝检查的重要指标。由于受砂浆层离缝宽度相对较小，板侧面离缝不规则、检查空间小、轨道板布满钢筋等因素影响，目前主要采用塞尺、钢板尺等工具进行检查，检查精度、检查效率均较低，无法满足现场需求。对于混凝土结构的无损检测，国内外采用的方法主要有远红外线成像、电磁波雷达、超声波、冲击弹性波和振动法等方法。通过对砂浆层离缝检查方法的综合调研分析，选取基于电磁波雷达、超声波、冲击弹性波和振动法的检测手段来进行可行性试验。

1)基于电磁波雷达的检测方法

混凝土雷达具有单面检测，分辨率高，测深大，工作效率高，数据处理简单，结果直观等优点。混凝土雷达的应用范围包括定位钢筋位置及间距，混凝土内金属及非金属管线或电缆，测量楼板结构层及装饰层厚度，空心砖填筑质量，古建筑墙体剥离层，暗梁的位置等，但受金属介质和水的影响很大，且对空气不敏感，在无砟轨道结构检查中较适合于离缝内存水的检测。

基于电磁波雷达的轨道板与砂浆层离缝的检测，在砂浆层不同粘结工况的线下进行过试验，但检测结果并不十分理想。根据电磁波雷达对水的敏感性特点，对桥上底座与梁面由于冻胀产生的离缝，采用基于电磁波雷达的方法进行检测，共布置9条测线。检测分析表明，所测结构的部分位置存在接触不密贴、凹陷等异常情况。后续对检测部位进行钻孔，发现伤损部位底座与梁面之间存在空洞，空洞部位出现积水。但对于无明显存水的轨道板与砂浆层离缝检测，效果不明显。

2)基于超声波的检测方法

采用非金属超声检测仪对轨道板和砂浆层之间的离缝进行检测试验，用黄油将探头和测试面耦合，通过对不同位置返回的超声波信号强弱进行离缝、脱空判断。试验结果表明:此方法检测效果不明显，检测效率偏低。

采用另一款基于单向回声技术的俄制混凝土断层超声波无损检测仪对砂浆层离缝进行检测试验，无需界面耦合剂直接对混凝土面进行测量。纵坐标100 mm位置为轨道板内钢筋，200～300 mm的超声波由于受砂浆层与轨道板材质相差较大产生回波，判断为断层区。试验结果表明:检测仪对轨道结构内非匀质材料较为敏感，即对轨道板内钢筋、轨道板断层等检测效果较好。但对砂浆层密贴工况和离缝工况的回波效果均较为明显，无法判断轨道板和砂浆层是否存在离缝。

3)基于冲击弹性波和振动法的检测方法

基于冲击弹性波和振动法的检测方法通过两种手段实现离缝检测，其一当轨道板与砂浆层存在离缝时，由于空气和轨道板阻抗存在较大差异，当弹性波传播到离缝区域时会产生较明显的反射;而没有离缝的位置，反射信号则较微弱。因此，通过对砂浆层反射信号有无及强弱的分析，即可推断脱空的有无。其二激振的弹性波会绕过离缝区域导致弹性波到达底部界面的时刻延长，因此，通过对底面的信号进行聚焦成像也可判定离缝是否存在。

为提高检测效率，采用单点激发、多点网状接收系统。试验结果表明:采用基于冲击弹性波和振动法对砂浆层离缝进行检测的方法具有一定效果，每块板的检测时间大约3 min左右，可满足现场检测应用。确定砂浆层离缝的区域和面积，检测精度为最小半径约20 cm的区域，但无法确定离缝宽度。

3. 2轨道板上拱引起的砂浆层离缝

对于轨道板在温度荷载作用下上拱失稳变形引起的砂浆层离缝，需要在一段时间内对长距离区段轨道进行快速检测或对重点区段进行实时监测。因此，地面人工检测技术无法满足现场需要。通过在合福高铁安徽段和实尺试验场地的试验验证，针对某区段轨道板上拱变形可采用分布式光纤技术进行实时监测。而对于较长区段线路轨道板上拱变形的快速检测，可采用基于移动式线路动态加载试验车等为平台的快速检测设备，通过探底雷达、图像检测系统、激光监测系统等设备，实现轨道板上拱的快速检测。

4　结论

通过对CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层离缝现场调研和计算分析、砂浆层离缝检测方法对比试验验证，得到结论如下:

1)现场调查的CRTSⅡ型板式无砟轨道运营里程约33 km，记录宽度0. 5 mm以上的离缝共245处，平均7处/km。路基区段砂浆层离缝共43处，其中宽度在2. 0 mm及以上的约占路基区段离缝总量的15% ;桥梁区段共202处，其中宽度在2. 0 mm及以上的约占桥梁区段离缝总量的11%，砂浆层离缝分布与线下基础类型无明显关系。直线区段砂浆层离缝共192处，其中宽度在2. 0 mm及以上的约占直线区段离缝总量的8%，所占比例较小;曲线区段共53处，其中宽度在2. 0 mm及以上的约占直线区段离缝总量的29%，曲线区段砂浆层离缝发展较快，离缝伤损程度较为严重。

2)砂浆层离缝宽度在1. 5 mm以下时，离缝深度平均值和最大值变化不大;离缝宽度在1. 5 mm及以上时，离缝深度平均值和最大值相比1. 5 mm以下时明显增大。现场砂浆层离缝伤损养护维修管理过程中需重点关注1. 5 mm及以上的伤损。

3)将砂浆层离缝伤损等级分为Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级进行管理。建议取消《高速铁路无砟轨道维修规则(试行)》中对角长度的技术指标要求，改为对砂浆层离缝的宽度、深度和长度要求:离缝宽度按照1. 5，2. 0 和2. 5 mm及以上3级进行管理;深度按照100 mm以下、100～350 mm(不含)和350 mm及以上3级进行管理;离缝长度按照300 mm以下、300～1 000 mm(不含)和1 000 mm及以上3级进行管理。

4)对于轨道板未出现上拱失稳变形的砂浆层离缝伤损，采用基于冲击弹性波和振动法的检测方法，检测效率约3 min/块板，检测精度为最小半径约20 cm的区域，可满足现场检测需要。对于轨道板上拱失稳变形的砂浆层离缝伤损，可采用分布式光纤的方法进行实时监测或采用基于移动式线路动态加载试验车等为平台的快速检测设备进行快速检测。

参考文献

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［5］徐浩，刘霄，徐金辉，等．温度作用下轨道板与CA砂浆离缝对CRTSⅡ型板式轨道的影响分析［J］．铁道标准设计，2013 ( 9) : 9-12．

［6］中华人民共和国铁道部．TG/GW 115—2012高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)［S］．北京:中国铁道出版社，2012．

(责任审编赵其文)

Crack detecting of mortar layer for CRTSⅡslab-type ballastless track and its damage limit

JIANG Ziqing1，2，SHI Cheng1，2，ZHAO Pingrui3
( 1．Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;
2．State Key Lab of Track Technology of High-Speed Railway，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3．Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

Abstract:T hrough the field survey and statistics，the mortar layer crack damage characteristics and damage regulation limit of CRT SⅡslab-type ballastless track in high speed railway and the effect of mortar layer crack on the track structure force and deformation under the temperature load were studied，the mortar layer crack detecting method was tested and detecting methods for different working conditions were proposed by combing with ANSYS finite element analysis．Considering the effect of CRT SⅡslab-type ballastless track mortar layer crack in high speed railway on railway line smoothness and stability，mortar layer crack regulation limit should have three management classes according to the crack width W，which areⅠclass 1. 5 mm≤W＜2. 0 mm，Ⅱclass 2. 0 mm≤W＜2. 5 mm andⅢclass W≥2. 5 mm，the corresponding crack depth and length regulation limit were also put forward．

Key words:T rack structure; M ortar layer; Crack detecting; Regulation limit; T emperature load

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0059-04

中图分类号:U213．2+42

文献标识码:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．12

作者简介:姜子清( 1983—)，男，助理研究员，硕士。

基金项目:中国铁路总公司科技研究开发计划课题( Z2013-G001，2014G001-A)

收稿日期:2015-10-30;修回日期: 2015-11-20