姜子清，杜香剛，劉偉斌，易忠來，王繼軍，江 成

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081;2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081)

擋肩和承軌槽是軌道結(jié)構(gòu)支撐鋼軌和限位的關(guān)鍵部位，也是軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計和維修的重點部位，其結(jié)構(gòu)狀態(tài)影響列車運行安全性和平穩(wěn)性[1]。高速鐵路正線無砟軌道結(jié)構(gòu)分有擋肩和無擋肩2類。CRTSⅠ型板式無砟軌道的軌道板采用無擋肩的形式，如圖1所示；CRTSⅡ型板式和CRTS Ⅲ型板式無砟軌道(如圖2所示)的軌道板及雙塊式無砟軌道的軌枕采用有擋肩的形式。

圖1 CRTSⅠ型板式無砟軌道(無擋肩)

圖2 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道(有擋肩)

無砟軌道建造和運營過程中，由于軌道板或雙塊式軌枕制造、存放、運輸、鋪設(shè)、養(yǎng)護維修等原因，引起擋肩或承軌槽不同程度的傷損，影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可靠性和耐久性，嚴(yán)重時甚至影響結(jié)構(gòu)安全[2-6]。但現(xiàn)行的鐵運函[2012]83號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[7]并未對擋肩和承軌槽的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)定，也未給出擋肩和承軌槽維修技術(shù)方法，而鐵運函[2006]146號《鐵路線路維修規(guī)則》[8]和鐵運函[2013]29號《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[9]中有砟軌道軌枕的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)和更換維修技術(shù)方法并不完全適用于無砟軌道。因此，有必要對不同類型無砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕擋肩及承軌槽傷損進(jìn)行分析，研究傷損判定標(biāo)準(zhǔn)和維修方法，為運營線路擋肩及承軌槽傷損維修提供支撐。

1 傷損類型及原因分析

通過對我國多條CRTSⅠ型板式、CRTSⅡ型板式和CRTS Ⅲ型板式和雙塊式無砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕運營狀態(tài)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，擋肩和承軌槽傷損形式主要有承軌部位整體破損、擋肩缺損掉塊、擋肩和承軌槽裂縫等。傷損的原因各有不同，分述如下。

圖3 承軌部位整體破損

1)承軌部位整體破損

承軌部位整體破損表現(xiàn)為承軌槽混凝土表面沿套管四周出現(xiàn)多條裂縫、承軌槽部位混凝土與軌道板或軌枕本體剝離、擋肩整體剝離掉塊等，如圖3所示。此類傷損多出現(xiàn)在某些特殊工況和個別區(qū)段，一般由外部氣候環(huán)境條件或外荷載等引起，如嚴(yán)寒地區(qū)扣件套管進(jìn)水引起承軌槽區(qū)域混凝土凍裂、鋼軌鎖定過程中操作不當(dāng)引起鋼軌溫度力將混凝土拉裂等。承軌部位整體破損引起扣件螺栓與板體連接失效，影響鋼軌支撐和擋肩的橫向限位作用，需及時維修。

2)擋肩缺損掉塊

軌道板或雙塊式軌枕擋肩缺損掉塊表現(xiàn)為不同程度的擋肩局部或整體缺損掉塊，如圖4所示。擋肩缺損掉塊多是由于磕碰撞擊引起，對于CRTSⅡ型板式無砟軌道板也存在縱向溫度力引起軌道板板端劈裂導(dǎo)致?lián)跫缛睋p失效。擋肩缺損掉塊影響擋肩橫向限位作用，需及時維修。

圖4 擋肩缺損掉塊

3)擋肩和承軌槽裂縫

軌道板或雙塊式軌枕擋肩和承軌槽部位混凝土裂縫(如圖5所示)是相對較多的一類傷損。裂縫有2種形式：①網(wǎng)狀的細(xì)密裂縫，裂縫寬度一般小于0.05 mm；②裂縫自扣件套管周邊向外延伸至擋肩，裂縫寬度一般小于0.1 mm。軌道板或雙塊式軌枕制造過程中混凝土養(yǎng)護不到位、鋪設(shè)或運營過程中鋼軌溫度力等都可能引起擋肩和承軌槽開裂。擋肩和承軌槽裂縫主要影響結(jié)構(gòu)耐久性，寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)也可能由于進(jìn)水凍脹加速劣化，需列入計劃適時維修。

圖5 擋肩和承軌槽裂縫

2 傷損判定標(biāo)準(zhǔn)研究

目前，高速鐵路無砟軌道擋肩和承軌槽傷損維修主要參考《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中有砟軌道混凝土軌枕的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)，但其僅給出擋肩和承軌槽失效和嚴(yán)重傷損2種條件的判定標(biāo)準(zhǔn)。與有砟軌道混凝土枕相比，無砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕更換較為困難，擋肩和承軌槽傷損判定標(biāo)準(zhǔn)及其維修方法與有砟軌道有所不同。無砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕承軌部位整體破損通過傷損特征即可較容易判定；擋肩和承軌槽裂縫傷損判定可參照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中雙塊式軌枕的裂縫傷損判定；而對于擋肩缺損掉塊傷損的判定，則缺少相應(yīng)的規(guī)定。針對混凝土擋肩缺損掉塊傷損，通過模擬不同程度的傷損，測試損傷后擋肩的承載能力研究確定混凝土擋肩的傷損判定標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)現(xiàn)場擋肩缺損掉塊傷損情況，對4種工況的擋肩缺損掉塊進(jìn)行測試，并與無缺損工況的擋肩進(jìn)行對比。4種擋肩缺損掉塊工況分別為缺損面積30%,40%,50%,60%。

測試采用千斤頂進(jìn)行加載，用測力傳感器確定擋肩破壞時的荷載，并用油壓表讀數(shù)進(jìn)行校核，如圖6所示。

圖6 混凝土擋肩承載能力測試

擋肩無缺損和缺損面積30%,40%,50%和60%時剪切破壞測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1)混凝土擋肩無缺損時，抗剪承載能力為84～105 kN?；炷翐跫缛睋p面積30%時，抗剪承載能力約為68～74 kN；缺損面積40%時，抗剪承載能力約為62～78 kN；缺損面積50%時，抗剪承載能力約為59～77 kN；缺損面積60%時，抗剪承載能力約為49～56 kN。

2)按抗剪承載能力下限考慮，與擋肩無缺損相比，缺損面積30%時擋肩承載能力下降約20%，缺損面積40%,50%,60%時，分別下降約26%,30%,42%。

3)擋肩破壞為脆性破壞，剪切破壞界面基本出現(xiàn)在擋肩底部與承軌面相交處。剪切破壞界面出現(xiàn)裂縫至擋肩完全破壞過程極短，即擋肩出現(xiàn)水平裂縫后其承載能力急劇下降。

根據(jù)我國TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[10]等相關(guān)規(guī)定，作用于鋼軌上的列車橫向荷載為0.8Pj,Pj為靜輪載，取85 kN?？紤]荷載分配系數(shù)，計算得單個擋肩可能承受的橫向荷載

Q=0.8Pj×0.5=34 kN

在擋肩橫向荷載檢算中，常常還會在此基礎(chǔ)上考慮1.5的增加系數(shù)，以保證在可能出現(xiàn)的附加動荷載效應(yīng)及其他不利條件下的安全冗余，在此條件下?lián)跫鐧M向荷載為34×1.5=51 kN。

通過對擋肩無缺損、缺損面積30%，40%，50%，60%時抗剪承載能力測試值及擋肩檢算橫向荷載值的綜合分析，當(dāng)擋肩缺損面積不超過50%時，可以滿足承載能力要求。因此建議：當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到50%及以上時，判定擋肩整體失效，需對擋肩進(jìn)行整體更換修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到30%時，擋肩具有部分的承載能力，但需及時修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積不超過30%時，擋肩具有一定的承載能力，但需列入計劃適時修復(fù)。

3 傷損修復(fù)

無砟軌道的軌道板或雙塊式軌枕承軌部位整體破損可通過采用在失效扣件節(jié)點兩側(cè)安裝代用承軌臺或在原扣件節(jié)點處重新立模板維修；擋肩和承軌槽裂縫可參照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中雙塊式軌枕的裂縫傷損修補進(jìn)行維修；擋肩缺損掉塊傷損可參照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》中混凝土缺損修補規(guī)定進(jìn)行維修。

3.1 承軌部位整體失效維修

以CRTS I型板式無砟軌道預(yù)制軌道板承軌部位整體失效為例，根據(jù)承軌臺位置可分為板端承軌臺和板中承軌臺2種情況。

1)板端承軌臺失效維修

CRTS I型板式無砟軌道預(yù)制軌道板板端承軌臺傷損可采取聚氨酯材料修補后安裝鋼墊板方案進(jìn)行維修。維修方法如下：①在軌道板上打孔，然后用錨固膠埋設(shè)預(yù)埋套管。鉆孔前應(yīng)對鉆孔區(qū)域采用鋼筋探測儀進(jìn)行鋼筋探測并結(jié)合軌道板鋼筋布置圖，嚴(yán)禁鉆孔碰觸預(yù)應(yīng)力鋼筋，并盡量避免碰觸普通鋼筋。②將軌道板上破損承軌臺及周邊混凝土清除干凈，然后用承軌臺修補材料將軌道板上清除混凝土部位填滿，并與軌道板上表面(非承軌臺面)保持齊平。③清除軌道板上修補遺留的污物，保持軌道板上表面平整。④向每個預(yù)埋套管中注入防護油脂。⑤安裝扣件系統(tǒng)，扣件安裝前套管錨固強度應(yīng)滿足抗拔力要求。⑥調(diào)整軌道幾何尺寸。板端增設(shè)承軌臺后維修效果如圖7所示。

圖7 板端增設(shè)承軌臺后維修效果

2)板中承軌臺失效維修

CRTSⅠ型板式無砟軌道預(yù)制軌道板板中承軌臺傷損采取聚氨酯材料修補后增設(shè)扣件方案進(jìn)行維修。維修方法如下：①在軌道板上鉆孔，用于埋設(shè)預(yù)埋套管。嚴(yán)禁鉆孔碰觸預(yù)應(yīng)力鋼筋，并盡量避免碰觸普通鋼筋。②采用錨固膠埋設(shè)預(yù)埋套管，錨固膠的黏結(jié)強度、固結(jié)時間等滿足抗拔力要求和天窗時間要求。③清除軌道板上高強度快速黏結(jié)劑遺留的污物，保持軌道板上表面平整。④向每個預(yù)埋套管中注入防護油脂。⑤安裝扣件系統(tǒng)，扣件安裝前套管錨固強度應(yīng)滿足抗拔力要求。⑥調(diào)整軌道幾何尺寸。板中增設(shè)承軌臺后維修效果如圖8所示。

圖8 板中增設(shè)承軌臺后維修效果

3.2 擋肩和承軌槽裂縫修補

對擋肩和承軌槽寬度小于0.1 mm的裂縫，建議參照《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》采用表面封閉法進(jìn)行修補處理；對0.1 mm以上的裂縫采用低壓注漿法或無壓注漿法進(jìn)行修補。

3.3 擋肩缺損掉塊維修

軌道板擋肩缺損一般采用環(huán)氧樹脂砂漿修補。具體修補步驟：①堵塞扣件螺栓孔。拆開損壞軌枕處的扣件，用棉紗堵塞扣件螺栓孔，防止雜物進(jìn)入。②對擋肩破損處邊腳進(jìn)行整齊放線，采用切割機按放線位置進(jìn)行切割。清理擋肩破損處松動混凝土，并鑿除邊腳線內(nèi)側(cè)混凝土至切割底線為止。③植筋準(zhǔn)備，確定植筋位置，布置成梅花形。④準(zhǔn)備環(huán)氧樹脂砂漿，確定擋肩破損處體積，準(zhǔn)備樹脂砂漿修補材料。⑤在植筋孔內(nèi)灌入環(huán)氧樹脂砂漿，插入鋼筋。⑥安裝扣件系統(tǒng)。⑦調(diào)整軌道幾何尺寸。

4 結(jié)論

1)擋肩和承軌槽傷損形式主要有承軌部位整體破損、擋肩缺損掉塊、擋肩和承軌槽裂縫等。

2)擋肩和承軌槽傷損影響因素較多，包括低溫、水等環(huán)境條件影響，制造時的初始缺陷，鋪設(shè)和運輸中的磕碰撞擊等。

3)擋肩缺損面積達(dá)到50%及以上時，判定擋肩整體失效，建議對擋肩進(jìn)行整體修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積達(dá)到30%時，擋肩具有部分的承載能力，建議及時修復(fù)；當(dāng)擋肩缺損面積不超過30%時，擋肩具有一定的承載能力，建議列入計劃適時修復(fù)。

4)承軌部位整體破損可通過采用在失效扣件節(jié)點兩側(cè)安裝代用承軌臺或在原扣件節(jié)點位置重新立模板維修。