高原大风地区双块式无砟轨道伤损现状及主要特征

靳 昊，张保卫，易忠来，戚志刚，李化建，黄法礼

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国铁路兰州局集团有限公司，甘肃 兰州 730000)

兰新高速铁路为CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构，全长 1 776 km，设计最高时速250 km，是世界上第一条修建在高原地区的高速铁路。兰新高速铁路穿过著名的四大风区——烟墩风区、百里风区、三十里风区和达坂城风区，其中百里风区、三十里风区部分区段年均大于8级大风的天气达到208 d，最大风速60 m/s，相当于17级风。兰新高速铁路沿线的昼夜温差非常大，极端情况下可以达到80 ℃，尤其是兰新高速铁路甘肃省瓜州县管段，夏季酷热干燥，冬季异常寒冷，昼夜和全年温差非常大。

双块式无砟轨道源于德国，在我国武广、贵广、合福、长昆等多条高速铁路铺设使用，总体运营情况良好。兰新高速铁路正线主要铺设CRTSⅠ型双块式无砟轨道，部分地段铺设有砟轨道，采用Ⅲ型预应力混凝土轨枕，同时在路基段创新性地采用了类单元化双块式无砟轨道的结构形式。兰新高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构多为长连续现浇注混凝土结构，混凝土的浇注、养护及后期运营受环境影响较大。同时，兰新高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构较为特殊，大量聚氨酯嵌缝材料的应用也对混凝土结构耐久性产生影响[1]。兰新高速铁路作为典型的高原大风地区双块式无砟轨道，通过研究其伤损类型及伤损特点，分析伤损原因，总结伤损变化规律，有助于掌握高原大风地区双块式无砟轨道伤损现状及主要特征，并有针对性地提出养护维修方法及建议。

1 典型伤损类型及伤损特点

1.1 道床板裂缝

无砟轨道道床板裂缝是高原大风地区双块式无砟轨道最典型的病害之一，也是病害数量最多的一类病害。道床板裂缝类型主要包括轨枕挡肩倒角处道床板的八字形裂缝、道床板与支承层混凝土直角处裂缝、相邻或相对两轨枕挡肩倒角处的连通裂缝和无砟道床横向的贯通裂缝。其中桥梁段与路基段道床板裂缝主要以八字形裂缝和直角处裂缝为主，少量连通裂缝，而且裂缝病害情况较轻微，裂缝数量较少，深度较浅，多为表面裂缝，见图1。隧道段道床板裂缝病害较为严重，连通裂缝与贯通裂缝数量多，裂缝长度较长，最大裂缝深度超过10 cm，见图2。

图1 路基段道床板裂缝

图2 隧道段道床板裂缝

1.2 轨枕离缝

轨枕离缝病害主要集中在隧道段，轨枕离缝会与道床板裂缝连通，病害严重区域会形成无砟道床贯通裂缝，见图3。

图3 轨枕离缝

1.3 道床板上拱

道床板上拱病害通常发生在路桥、路隧过渡段或后绕带，部分区域道床板上拱情况较为严重，最大上拱量可达10 mm，且伴随道床板与支承层离缝病害，见图4。

图4 道床板上拱离缝

1.4 支承层混凝土粉化

局部地区无砟轨道支承层混凝土粉化情况较为严重，出现大面积掉块、缺损、露石，见图5。

图5 支承层混凝土粉化

图6 聚氨酯嵌缝材料开裂与离缝

1.5 聚氨酯嵌缝材料伤损

兰新高速铁路无砟轨道伸缩缝和路间及线间封闭层使用的聚氨酯嵌缝材料的伤损情况较为严重，特别是道床板真缝部位的聚氨酯嵌缝材料伤损率在90%以上。聚氨酯嵌缝材料伤损类型主要为聚氨酯嵌缝胶开裂、聚氨酯嵌缝材料与道床板混凝土离缝，见图6。其中，聚氨酯嵌缝材料与道床板混凝土离缝较为普遍，离缝长度较长，且与混凝土完全脱离。

2 伤损形成原因

2.1 道床板裂缝及轨枕离缝

双块式无砟轨道道床板为现浇混凝土结构，其裂缝的产生受现场混凝土养护条件和养护制度影响较大。高原大风地区水分流失速度快，混凝土表面易失水开裂，加剧了道床板裂缝的产生[2]。虽然道床板混凝土采用了较多防开裂措施，如使用内外养护剂等，大幅降低了混凝土裂缝产生几率，但是在建设期大规模施工的情况下，仍无法将其完全消除[3]。同时，双块式无砟轨道轨枕为预制轨枕，其收缩与道床板混凝土收缩不同步，当温度变化时，预制轨枕与道床板结合处会出现应力集中，特别是在预制轨枕挡肩倒角处应力集中更加显著，道床板易出现八字形裂缝。八字形裂缝延伸发展，最终形成连通裂缝、贯通裂缝和轨枕离缝[4]。高原大风地区昼夜温差和全年温差大，加速了裂缝病害的产生和发展[5]。此外，桥梁段与路基段无砟道床具有类单元化结构，单元之间预留真缝，混凝土的温度力得到有效释放，其裂缝病害程度较为轻微；而隧道段无砟道床无预留伸缩缝，混凝土受温度力影响大，易出现道床板连通裂缝、贯通裂缝和轨枕离缝。同时，高原大风地区的昼夜温差和全年温差大，会进一步加剧道床板裂缝与轨枕离缝。

2.2 道床板上拱

在路桥或路隧过渡段，由于无砟轨道结构断开，形成连续道床板自由端，当道床板与支承层黏结强度不足时，纵向限位锚梁不足以抵抗道床板纵向位移，因而在锚梁附近形成上拱；在施工后绕带处，由于两侧道床板混凝土施工温度不一致，会造成类似无缝线路锁定轨温不均衡现象，进而引起道床板纵向位移，若在过渡段处加了锚固销钉，则在销钉附近形成上拱[6-7]。

2.3 支承层混凝土粉化

在高原大风严寒环境下，支承层混凝土如养护不到位或未采用养护剂，易失水开裂或早期受冻，导致混凝土抗冻性能大幅降低。在雨水较充足地区支承层混凝土易受到冻融破坏作用，混凝土出现掉块、缺损、露石。

2.4 聚氨酯嵌缝材料伤损

双块式无砟道床为长连续结构，无砟道床伸缩缝宽度变化较大，而大的昼夜温差和全年温差更加剧了伸缩缝的变化幅度[8-9]。如果聚氨酯嵌缝材料位移能力较低，无法与伸缩缝同步变形时，聚氨酯嵌缝材料会出现伤损。当聚氨酯嵌缝材料黏结强度高于拉伸强度时，聚氨酯嵌缝材料自身开裂；当聚氨酯嵌缝材料拉伸强度高于黏结强度时，聚氨酯嵌缝材料与混凝土脱开，出现离缝。

3 伤损发展规律

道床板裂缝和聚氨酯嵌缝材料伤损是兰新高速铁路CRTSⅠ型双块式无砟轨道最典型的病害形式，在典型的高原大风严寒环境区域内观测其伤损变化情况，对掌握无砟轨道伤损变化规律及后续的修复工作具有重要意义。伤损观测包括单线100 m的桥梁段、路基段和隧道段道床板裂缝，单线500 m的路基段道床板伸缩缝(真缝)处聚氨酯嵌缝材料伤损。裂缝采用比对卡观测其宽度和深度。观测结果见表1和表2。其中，第1次观测温度为最低观测温度，因此，裂缝平均宽度差为观测范围内(单线100 mm)所有裂缝的第n次观测宽度与第1次观测宽度差值的平均值。聚氨酯嵌缝材料离缝平均数量差、最长离缝平均长度差和最长离缝平均宽度差的计算方法与裂缝平均宽度差相同。

表1 聚氨酯嵌缝材料离缝变化情况

表2 道床板裂缝宽度变化情况

从表1看到，随着温度变化(先升高后降低)，双块式无砟轨道伸缩缝聚氨酯嵌缝材料离缝平均数量差、最长离缝平均宽度差和最长离缝平均长度差均呈现先减小后增大的趋势。其中，7月环境温度最高时(18 ℃)，观测得到的双块式无砟轨道伸缩缝聚氨酯嵌缝材料离缝平均数量差为-2条、最长离缝平均宽度差为-3.0 mm、最长离缝平均长度差为-62.0 mm。道床板受热膨胀，伸缩缝宽度变窄，聚氨酯嵌缝材料离缝受压闭合，出现离缝数量减少、宽度降低、长度变短的现象。从3月和11月(温度相同)观测数据可以看到，相比3月，11月时聚氨酯嵌缝材料的离缝数量没有增加，但是离缝的宽度和长度增大，聚氨酯嵌缝材料离缝病害仍在发展。

虽然隧道段道床板裂缝病害较为严重，远高于桥梁段、路基段道床板，但是，从表2可以看到，随温度变化和运营时间增加，隧道段、桥梁段、路基段道床板裂缝宽度均不发生改变，桥梁段、路基段、隧道段道床板裂缝测试最大温差(23，28，19 ℃)下的裂缝平均宽度差几乎为0，同时，未在观测范围内出现新的裂缝。这是因为伸缩缝宽度变化大幅缓解、抑制了桥梁段、路基段道床板裂缝的进一步劣化，而隧道段道床板通裂裂缝的数量较多，混凝土温变收缩多由它们分担，因此裂缝未进一步发展。

4 结论

1)高原大风地区双块式无砟轨道典型病害类型包括无砟轨道道床板裂缝、轨枕离缝、道床板上拱、支承层混凝土粉化和聚氨酯嵌缝材料伤损，其中无砟轨道道床板裂缝和聚氨酯嵌缝材料伤损是最主要的伤损形式。

2)大风严寒气候加剧了双块式无砟轨道伤损的产生与发展，特别是较大的昼夜温差和全年温差，对聚氨酯嵌缝材料伤损影响更加显著。

3)兰新高速铁路双块式无砟轨道伸缩缝聚氨酯嵌缝材料离缝随运营时间的增加存在劣化趋势，而桥梁段、路基段和隧道段无砟轨道道床板裂缝病害基本稳定。