高卿,周翠

高速鐵路CRTS系列板式無砟軌道綜合性能對比分析

高卿,周翠

河北軌道運(yùn)輸職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河北 石家莊 052165

無砟軌道以其高穩(wěn)定性、高可靠性、高平順性的突出優(yōu)點(diǎn)，在我國多條高速鐵路及客運(yùn)專線上成功應(yīng)用。然而無砟軌道在服役過程中出現(xiàn)了不同程度的病害，為保證無砟軌道的耐久性，選擇合理的無砟軌道結(jié)構(gòu)形式尤為重要。本文分析了CRTS系列板式無砟軌道的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、施工性和可維修性。結(jié)果表明：CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的CA砂漿層具有溫度敏感性，不適宜在高溫或嚴(yán)寒地區(qū)使用，適用性較差，而CRTS Ⅲ型板式無砟軌道出現(xiàn)的病害最少，具有適應(yīng)性，經(jīng)濟(jì)性和耐久性，建議優(yōu)先推廣使用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道。

高速鐵路; 無砟軌道; 綜合性能

由于無砟軌道具有高平順性、高穩(wěn)定性、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路、客運(yùn)專線中被廣泛應(yīng)用[1-3]。從20世紀(jì)60年代初，我國研究人員通過“引進(jìn)、消化吸收、再創(chuàng)新”，研發(fā)了CRTS系列無砟軌道結(jié)構(gòu)[4,5]，包括CRTSⅠ型、Ⅱ型雙塊式無砟軌道和CRTS Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式無砟軌道。相關(guān)研究人員對我國無砟軌道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及選型進(jìn)行了相應(yīng)分析[6-8]，為無砟軌道結(jié)構(gòu)選型提供了一定的理論支撐。由于我國無砟軌道運(yùn)營時間較短，對不同類型無砟軌道的結(jié)構(gòu)特征、適應(yīng)性、傷損情況、經(jīng)濟(jì)性等方面尚缺乏統(tǒng)一認(rèn)識，且無砟軌道在服役過程出現(xiàn)了不同程度的傷損與病害，因此，開展無砟軌道綜合性能對比分析，對我國高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)選型具有重要的指導(dǎo)意義。

運(yùn)營實(shí)踐表明，雙塊式無砟軌道為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)且在新老混凝土結(jié)合面存在開裂、現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制軌枕粘結(jié)失效等病害，同時現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)施工速率慢，工作量大等缺點(diǎn)顯著。為此本文針對我國CRTS系列板式無砟軌道，從結(jié)構(gòu)特征、適應(yīng)性、施工性能、養(yǎng)護(hù)維修性能和經(jīng)濟(jì)性等方面開展對比分析，提出無砟軌道選型推薦方案，從而為我國高速鐵路板式無砟軌道結(jié)構(gòu)選型提供技術(shù)支撐。

1 板式無砟軌道技術(shù)特點(diǎn)對比分析

1.1 無砟軌道結(jié)構(gòu)組成

我國的CRTS Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)分別如圖1所示。

從圖1可知，CRTS Ⅰ型板式無砟軌道由預(yù)制軌道板、水泥乳化瀝青砂漿（CA砂漿）層、凸形擋臺和混凝土底座組成；CRTS Ⅱ型板式無砟軌道由預(yù)制軌道板、CA砂漿層、支承層或混凝土底座組成；CRTS Ⅲ型板式無砟軌道是完全具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，主要由預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層和混凝土底座組成。

圖 1 CRTS系列板式無砟軌道結(jié)構(gòu)

1.2 無砟軌道的主要技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 結(jié)構(gòu)特征CRTS Ⅰ型、CRTS Ⅲ型板式無砟軌道縱向上是分塊的，而CRTS Ⅱ型板式無砟軌道縱向連續(xù)。分塊的單元結(jié)構(gòu)承力與傳力路徑明確，而縱向連續(xù)結(jié)構(gòu)的受力相對復(fù)雜。CRTS Ⅰ型板式無砟軌道的垂向荷載通過鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層和底座傳遞至下部基礎(chǔ)，縱、橫向荷載通過凸形擋臺傳遞至底座再傳遞至下部基礎(chǔ)；CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的垂向荷載則通過鋼軌、扣件、預(yù)制軌道板、自密實(shí)混凝土層和混凝土底座傳遞至下部基礎(chǔ)，縱、橫向荷載通過限位凹槽傳遞至底座再傳遞至下部基礎(chǔ)；CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的垂向荷載也是鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿層和底座傳遞至下部基礎(chǔ)，CA砂漿層傳遞部分縱、橫向荷載，限位擋臺則主要承受橫向荷載。當(dāng)CRTS Ⅱ型板式無砟軌道應(yīng)用于橋梁地段時，還需設(shè)置端刺、兩布一膜滑動層、摩擦板等附屬結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖 2 橋上CRTSⅡ型板式無砟軌道

由于CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道均有CA砂漿層，CA砂漿層對溫度非常敏感，且CA砂漿的耐久性較差，因此CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的耐久性主要取決于CA砂漿。為此，國內(nèi)研究人員通過自密實(shí)混凝土取代CA砂漿層，創(chuàng)新研發(fā)的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道能適應(yīng)的溫度范圍廣，從而可適用于不同的地區(qū)，且具有更好的耐久性。

1.2.2 施工特性CRTS系列板式無砟軌道的軌道板均為預(yù)制結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量容易控制，但需要建立專門的軌道板預(yù)制廠，購置生產(chǎn)模具，制定嚴(yán)格的生產(chǎn)工序和流程，同時還要考慮軌道板的存儲和運(yùn)輸[9]?，F(xiàn)場施工時，不同的無砟軌道結(jié)構(gòu)施工工序及所用的施工設(shè)備也不一樣。

CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道均有CA砂漿層，CA砂漿在大規(guī)模灌注施工前需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)；對于橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道，施工時的工序更為復(fù)雜，不僅要嚴(yán)格控制軌道板的鎖定軌溫，還要打磨橋梁梁面鋪設(shè)兩布一膜滑動層，在橋梁的梁端還需設(shè)置高強(qiáng)擠塑板，因此橋上CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的施工質(zhì)量很難控制。

由于CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅲ型板式無砟軌道在路、橋、隧地段的結(jié)構(gòu)形式一樣，因此所需施工裝備更少。對于CRTS Ⅲ型板式無砟軌道，創(chuàng)新采用自密實(shí)混凝土層替代對溫度敏感的CA砂漿層，沒有繁瑣的工藝性試驗(yàn)，且不需要專門的施工設(shè)備，因此CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的施工性最優(yōu)。

在CRTS系列板式無砟軌道中，CRTS Ⅰ型板式無砟軌道為無擋肩結(jié)構(gòu)，可通過扣件實(shí)現(xiàn)無級調(diào)整，鋼軌精調(diào)工作量較大；CRTS Ⅱ型和CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的承軌槽為有擋肩結(jié)構(gòu)，CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的承軌槽采用數(shù)字化機(jī)械打磨，一旦軌道板精調(diào)到位后，現(xiàn)場鋼軌精調(diào)工作較少，施工進(jìn)度快；CRTS Ⅲ型板式無砟軌道通過可調(diào)模板實(shí)現(xiàn)不同的幾何尺寸，現(xiàn)場鋼軌精調(diào)工作量介于CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道之間[10]。

1.2.3 養(yǎng)護(hù)維修特性CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅲ型板式軌道均為分塊結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)高度方向，CRTS Ⅰ型板式無砟軌道的軌道板與底座之間通過砂漿調(diào)整層隔離，CRTS Ⅲ型板式軌道采用土工布隔離自密實(shí)混凝土與混凝土底座，因此后期運(yùn)營中的可維修性較強(qiáng)。而CRTS Ⅱ型板式無砟軌道為全縱連結(jié)構(gòu)，后期的養(yǎng)護(hù)維修工作量較大，維修時需要進(jìn)行截斷軌道板及底座錨固，養(yǎng)護(hù)維修困難。

1.2.4 工程造價由參考文獻(xiàn)[11]可知，無砟軌道的鋪軌公里指標(biāo)相差不大，決定無砟軌道造價的主要因素是無砟軌道道床類型和橋隧比例。不同類型無砟軌道的工程造價如表1所示。

表 1 不同類型無砟軌道的工程造價

從表1可以看出，無砟軌道在隧道地段的造價最低，其中CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的橋梁地段造價最高，CRTS Ⅰ型板式軌道在路基和隧道地段的造價最高。從無砟軌道的初期投資、養(yǎng)護(hù)維修、施工裝備投入等方面的綜合經(jīng)濟(jì)效益考慮，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

2 板式無砟軌道主要傷損對比分析

通過無砟軌道現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)CRTS系列板式無砟軌道在服役過程中出現(xiàn)的病害存在顯著差異。

2.1 CRTS Ⅰ型板式無砟軌道

對于CRTS Ⅰ型板式無砟軌道運(yùn)營過程中出現(xiàn)的典型病害主要是CA砂漿層與軌道板的離縫、脫空，CA砂漿層破損等（圖3）。一旦CA砂漿層與軌道板離縫嚴(yán)重，將造成軌道結(jié)構(gòu)受力增大，加劇列車與軌道的振動，不利于行車安全與穩(wěn)定性[12-14]。另外，凸形擋臺周圍的樹脂砂漿也出現(xiàn)離縫現(xiàn)象。在服役過程中，CA砂漿層與底座板，底座板級配碎石層之間出現(xiàn)冒白漿的現(xiàn)象，容易發(fā)展成CA砂漿層與底座板之間、底座板與路基之間出現(xiàn)脫空，也將影響軌道的服役壽命和行車安全性[15]。

圖 3 CA砂漿層傷損或缺陷

圖 4 層間冒白漿

軌道板、底座及砂漿的傷損和離縫一般均采取注漿封堵修補(bǔ)方法進(jìn)行整修，可利用天窗時間進(jìn)行整修，對線路運(yùn)營基本無影響。

2.2 CRTS Ⅱ型板式無砟軌道

在CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的服役過程中，同樣出現(xiàn)了CA砂漿層與軌道板離縫、脫空等病害，同時還出現(xiàn)了軌道板開裂，軌道板寬接縫處開裂等病害，如圖5、圖6所示。由于CRTS Ⅱ型板式無砟軌道為縱連結(jié)構(gòu)，在整體升降溫下，還容易出現(xiàn)軌道板上拱。

圖 5 軌道板開裂

圖 6 軌道板寬接縫處開裂

對于離縫、脫空、軌道板開裂等病害，可采用注漿或者抹漿的方法整治，而一旦出現(xiàn)軌道板上拱，則需要在軌道板縱連鎖定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)力放散，并下壓上拱的軌道板并錨固，最后對砂漿層離縫進(jìn)行修補(bǔ)，然后重新鎖定軌道板。施工工序繁瑣，甚至影響線路正常運(yùn)營。

2.3 CRTS Ⅲ型板式無砟軌道

CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的主要病害是自密實(shí)混凝土與混凝土底座離縫及軌道板和底座板存在開裂的情況，且CRTS Ⅲ型板式無砟軌道出現(xiàn)的病害程度均較輕，整修時基本不影響線路運(yùn)營。

從上述分析可知，CRTS Ⅲ型板式無砟軌道傷損情況最輕，且維修較為容易，維修期間對線路運(yùn)營基本無影響，而縱連的CRTS Ⅱ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)的傷損情況較為嚴(yán)重且養(yǎng)護(hù)維修困難，容易給運(yùn)營產(chǎn)生不利影響。

3 結(jié)論

本文通過對CRTS系列板式無砟軌道的主要技術(shù)特點(diǎn)、施工特性、可維修性、經(jīng)濟(jì)性、服役過程中出現(xiàn)的病害程度等方面綜合分析，得到如下結(jié)論及建議：

（1）CRTS Ⅰ型和CRTS Ⅱ型板式無砟軌道的CA砂漿層具有溫度敏感性，不適宜在高溫或嚴(yán)寒地區(qū)使用，適用性較差，而CRTS Ⅲ型板式無砟軌道的適應(yīng)性較強(qiáng)；

（2）考慮全壽命周期成本，CRTS Ⅲ板式無砟軌道病害最少，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和耐久性；

（3）綜合以上因素，同時考慮我國高速鐵路“走出去”的戰(zhàn)略，應(yīng)優(yōu)先推廣采用具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的CRTS Ⅲ型板式無砟軌道。

[1] Esveld C. Low-maintenance ballastless track structures[J]. Rail Engineering International, 1997,26(3):13-16

[2] 徐浩.CRTS Ⅰ型板式軌道CA砂漿動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)及理論研究[D].成都:西南交通大學(xué),2015

[3] 劉學(xué)毅,趙坪銳,楊榮山,等.客運(yùn)專線無砟軌道設(shè)計理論與方法[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2010

[4] 江成,范佳,王繼軍.高速鐵路無碴軌道設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)[J].中國鐵道科學(xué),2004(2):42-47

[5] 沈東升.客運(yùn)專線無砟軌道的技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].中國鐵路,2009(10):11-14

[6] 林煥章.高速鐵路無碴軌道選型及應(yīng)用條件分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(S):22-24

[7] 胡新明.客運(yùn)專線無碴軌道選型分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2006(z1):138-140

[8] 徐浩,林紅松,顏華,等.嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)選型分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2017,61(2):5-9

[9] 張洪,丁占來.客運(yùn)專線無砟軌道施工關(guān)鍵技術(shù)與經(jīng)濟(jì)分析[J].鐵道工程學(xué)報,2007(s1):119-122

[10] 趙志輝.高速鐵路無砟軌道綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2017,61(5):32-35

[11] 牛鳳鳴.京沈客運(yùn)專線無砟軌道選型[J].鐵道勘察,2014(6):81-83

[12] 楊榮山,劉克飛,任娟娟,等.砂漿傷損對輪軌系統(tǒng)動力特性的影響研究[J].鐵道學(xué)報,2014,36(7):79-84

[13] 向俊,赫丹,曾慶元.水泥瀝青砂漿劣化對板式軌道動力學(xué)性能的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2009,40(3):791-796

[14] 李培剛,劉學(xué)毅,黎國清.CA砂漿脫空對橋上單元板式軌道動力特性的影響研究[J].中國鐵道科學(xué),2014,35(3):20-27

[15] 任娟娟,嚴(yán)曉波,徐光輝,等.底座板脫空對板式無砟軌道行車動力特性的影響[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2014,49(6):961-966

Contrasted Analysis of the Comprehensive Performances of CRTS Series Ballastless Tracks on High-speed Railway

GAO Qing, ZHOU Cui

052165,

Ballastless track has prominent advantages of high stability, high reliability, high smooth which has been used in the high speed railway in China. In the service of ballastless track, different degree of diseases has been appeared. In order to ensure the durability of ballastless track, the selection of reasonable ballastless track types is very important. This paper analyzed CRTS series’ the structure features, adaptability, economy, construct ability and maintainability. The results showed that CA mortar layers of CRTS Ⅰ and CRTS Ⅱ were too sensitive for temperature to be suitable for a hot or cold region, however CRTS Ⅲ had a little of diseases and a strong suitability, economy and durability to be proposed to use firstly.

High-speed railway; ballastless track; comprehensive performance

U213.2+44

A

1000-2324(2019)02-0236-04

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.02.013

2018-02-04

2018-03-11

高卿(1970-),女,碩士,高級工程師,研究方向:土木工程，鐵道工程技術(shù)，建筑工程技術(shù). E-mail:zj950216@163.com