无砟轨道道床断裂影响分析及机械化整治技术研究

黄 嘉，王君瑞，孟 蝶，李 勤

(1.成都地铁运营有限公司，四川 成都 610031) (2.中铁成都轨道交通健康管理技术有限公司，四川 成都 610032)

无砟轨道具有结构简单、稳定性高、寿命长等优点，广泛应用于我国高速铁路和城市轨道交通工程[1-3]。在长期列车荷载、外部环境等作用下，无砟轨道的混凝土结构会发生疲劳损伤，从而出现道床开裂/断裂、道床离缝、轨枕破损等结构问题[4-7]，会降低轨道结构承载能力，给列车运行的稳定性和安全性带来隐患。

目前国内无砟轨道结构病害的研究和治理主要集中在CRTS-Ⅰ型板、CRTS-Ⅱ型板、CRTS-Ⅲ型板和双块式无砟轨道，对普通纵向承轨台短轨枕道床病害治理的研究较少。因此，针对某线路普通纵向承轨台短轨枕道床断裂伤损，进行病害特征分析、病害区域轨道静态几何形位测量分析和机械化整治技术研究，对完善无砟轨道结构病害治理技术具有重要意义，同时具有极大的推广应用价值。

1 道床断裂伤损现状

该无砟轨道线路位于桥梁段，采用普通纵向承轨台短轨枕道床结构设计，轨道结构高度520 mm，道床采用C40现浇钢筋混凝土结构，如图1所示。道床断裂伤损位置位于圆曲线段，曲线半径450 m，外轨超高120 mm，轨底坡1∶40，设计坡度为28‰，列车运行方向为上坡。

根据现场调研，该无砟轨道线路道床断裂伤损特征主要表现为：1)道床横向断裂，断裂面存在掉块、露筋，如图2所示。2)钢轨严重波磨、擦伤，如图3所示。3)轨枕纵向断裂、松动。 4)道床下部离缝，如图4所示。

图1 圆曲线段轨道结构示意图

图2 道床横向断裂

2 轨道静态几何形位影响分析

分别对病害所在里程范围内轨道结构的轨距、曲线超高、轨底坡、纵坡、曲线正矢、伤损道床混凝土回弹强度进行测试分析[8]。

1)轨距、曲线超高、轨底坡、纵坡的测量分析。

针对道床断裂伤损所在的曲线及两端各延伸20 m范围内分别进行了轨距、曲线超高、轨底坡、纵坡测量。其中道床块断裂伤损区域按照每5个轨枕测量一次，其他区域按照每25个轨枕测量一次，共计测量92处。

图3 钢轨磨损

图4 道床离缝

轨距测量结果表明，共有7处大轨距超限，其中有4处位于伤损道床块附近；共有75处是大轨距，占比81.5%。说明在较大横向力作用下，轨距呈增大趋势。

曲线超高测量情况如图5所示。由图可知，病害范围内的圆曲线段超高符合设计要求，同时在缓和曲线段实现超高值的逐渐过渡，不存在曲线段超高异常。

图5 曲线超高测量情况

轨底坡测试情况如图6所示。结果表明，曲线外侧钢轨轨底坡坡度大于1∶40的占比达42.4%，轨底坡坡度小于1∶40的占比达40.2%，其中反坡占比达29.3%。累计有76处外侧钢轨轨底坡不符合设计要求，占比超过82%；曲线内侧钢轨轨底坡坡度大于1∶40的占比达67.4%，轨底坡坡度小于1∶40的占比达23.9%，其中反坡占比达17.4%。累计有84处内侧钢轨轨底坡不符合设计要求，占比超过90%。位于病害范围内的曲线段内外侧钢轨轨底坡变化不一致，协调性差，会加剧列车运行的不平稳性，进而使得列车运行过程中对轨道结构的横向荷载增大，加剧钢轨磨损。

图6 内外侧轨底坡测试情况

病害范围的轨道内外侧钢轨顶面纵坡测量情况如图7所示。轨道内外侧测量点各68处，其中外侧钢轨顶面纵坡大于28‰的占比达29.4%，小于28‰的占比达70.6%；内侧钢轨顶面纵坡大于28‰的占比达82.4%，小于28‰的占比达17.6%。两侧钢轨顶面坡度变化差异明显且波动幅度较大，将导致列车运行过程中对轨道的冲击荷载变大，同时加剧钢轨磨耗。

图7 病害范围轨道内外侧钢轨顶面纵坡变化

2)病害范围内曲线正矢分析。

针对道床断裂伤损所在的曲线范围，分别选取4个测点进行缓和曲线正矢测量，测点编号为1～4，其中测点4为缓圆点，测试结果如图8所示。分别选取20个测点进行圆曲线正矢测量，测点编号为1～20，测试结果如图9所示。

根据图8可知，缓和曲线内外侧正矢差值大于规范允许值，已超限。根据图9可知，圆曲线内外侧正矢差的最大最小差为14.5 mm，远大于规范要求的5 mm，60%的圆曲线内侧正矢连续差值大于规范要求的4 mm。此外由于病害所在曲线段的正矢值偏差较大(相对设计值)，若不及时进行处理，将会导致列车运行过程中对轨道结构的横向力增加，进而使得一定范围内的钢轨轨距变大，同时引起外侧钢轨的侧向磨耗增大。

图8 缓和曲线内外侧正矢差值

图9 圆曲线内外侧正矢差值和连续差值

3)病害范围内无砟道床混凝土回弹强度分析。

采用回弹法对病害部位道床混凝土的回弹强度进行了测量分析，分别选取2个测区，每个测区5个测点，取每个测点的平均测值为该测点的测量结果，2个测区的混凝土碳化深度均为2.32 mm，回弹强度测量结果如图10、图11所示。测量分析结果表明，病害部位道床混凝土回弹强度均大于40 MPa，符合设计要求。

图10 测区1道床混凝土回弹强度

图11 测区2道床混凝土回弹强度

3 道床断裂伤损整治工艺

根据道床断裂伤损现状及其对轨道静态影响分析结果，结合无砟轨道结构特点及运营线施工的特殊性，提出道床断裂伤损整治技术为：道床离缝注浆，横向限位，植筋锚固，轨道结构修复，防水处理。具体施工工艺流程如图12所示。

图12 工艺流程图

1)道床离缝注浆。采用自主研发的快速固化、无收缩的道床离缝专用化学灌浆材料，在一定注浆压力下，对道床下部离缝进行注浆填充，确保注浆填充饱满。

2)横向限位。在断裂伤损道床曲线外侧安装3个角钢以起到横向限位作用，如图13所示。采用植筋胶将φ20 mm倒锥形定型锚栓植入预埋孔内，拧紧配套螺栓，紧固角钢，限位效果如图14所示。

图13 横向限位示意图

3)轨道结构修复。更换破损轨枕，修复道床块破损区域。

图14 限位装置安装效果

4)植筋锚固。结合道床混凝土表面钢筋探测结果及道床设计配筋图，合理布置锚固孔，锚固孔布置如图15所示。采用φ28 mm带肋钢筋，对断裂伤损道床与下部结构进行植筋锚固，加强其与下部结构的连接作用。

图15 锚固孔布置示意图

5)防水处理。采用自主研发的HM-10型柔性表面封闭材料(材料拉伸强度>10 MPa，断裂伸长率>800%)，对道床离缝和新旧混凝土接缝进行表面防水处理。

根据近一年对现场治理施工效果的跟踪调查，整治效果良好。

4 结论

针对某无砟轨道线路道床断裂伤损，本文开展了病害特征、轨道静态影响分析和机械化整治技术研究，主要结论有：1)某普通纵向承轨台短轨枕无砟轨道线路道床断裂伤损特征主要有道床横向断裂、掉块、露筋，钢轨严重波磨、擦伤，轨枕纵向断裂、松动，以及道床离缝等病害，严重影响轨道结构服役性能，威胁行车安全。2)通过现场轨道静态测试分析表明，病害位置的轨道几何形位严重不良，是导致道床断裂伤损的重要因素。3)根据道床断裂伤损特征及其对轨道静态影响分析结果，提出了综合性的整治技术方案，对道床离缝进行注浆填充，对轨道结构进行限位、加固，并开展了现场治理施工，整治效果良好，对于类似无砟道床的治理具有参考和推广意义。