施成 趙勇 劉心成 王夢

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

CRTSⅢ型板式無砟軌道是我國在全面總結(jié)分析前期引進無砟軌道建設(shè)和運營實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，通過基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工程材料、建造技術(shù)、運營維護等系統(tǒng)研究，研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的中國標準無砟軌道系統(tǒng)［1-2］，先后應(yīng)用于盤營高鐵、鄭徐高鐵、京沈高鐵、商合杭高鐵、贛深高鐵等高速鐵路工程。目前鋪軌里程已超過9 000 km。

CRTSⅢ型板式無砟軌道采用具有高流動性、高間隙通過性和高抗離析性的自密實混凝土作為充填層材料［3-4］，軌道板與自密實混凝土通過層間黏結(jié)形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，共同承受列車、溫度等荷載作用。隨著服役時間增長，部分地段軌道板和自密實混凝土層間出現(xiàn)局部黏結(jié)性能下降、離縫脫空等結(jié)構(gòu)傷損，對無砟軌道復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力性能產(chǎn)生了不利影響。

相關(guān)學(xué)者對CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的發(fā)展機理、影響程度及控制措施開展了系列研究。趙聞強［5］結(jié)合層間界面性能發(fā)展特點構(gòu)建了無砟軌道層間經(jīng)時損傷分析模型，揭示了施工期及運營期無砟軌道層間損傷風(fēng)險及演化規(guī)律。婁平等［6］以車輛及層間離縫CRTSⅢ型板式無砟軌道系統(tǒng)為研究對象，基于車輛-軌道耦合動力學(xué)理論，探討了層間離縫對車體加速度、輪軌力、軌道部件位移等動力學(xué)響應(yīng)的影響規(guī)律。劉平等［7］建立了車輛-軌道-路基垂向耦合振動模型，研究了不同程度板端離縫對車輛和軌道系統(tǒng)動力響應(yīng)的影響。劉明明［8］利用數(shù)值分析法探究了不同層間離縫狀態(tài)下無砟軌道受力情況，并基于德爾菲法提出了層間離縫評價指標及計算方法。張婧穎等［9］從原材料、拌和物、施工工藝等方面提出了無砟軌道層間質(zhì)量的控制措施，并分析了相應(yīng)無損檢測方法。

對CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的既有研究主要關(guān)注離縫產(chǎn)生發(fā)展機理及對軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，而對實際條件下離縫評判及控制標準的研究較少。本文基于現(xiàn)場調(diào)研、測試及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)行無砟軌道養(yǎng)護維修相關(guān)規(guī)范實踐經(jīng)驗，研究提出CRTSⅢ型板式無砟軌道的層間傷損評定標準建議，以期為無砟軌道運營維護提供參考。

1 現(xiàn)場調(diào)研及分析

CRTSⅢ型板式無砟軌道是沿線路空間縱向分布的多層帶狀結(jié)構(gòu)，長期服役條件下受環(huán)境作用、列車荷載、材料性能劣化等因素的影響，不可避免地出現(xiàn)各類結(jié)構(gòu)傷損。其中軌道板與自密實混凝土層間離縫是CRTSⅢ型板式無砟軌道的常見傷損類型之一。

1.1 層間離縫現(xiàn)場調(diào)研

選取一嚴寒地區(qū)高速鐵路路基及橋梁區(qū)段各1 km無砟軌道開展離縫跟蹤調(diào)研。觀測地段近20%的軌道板與自密實混凝土間存在可見離縫，離縫寬度一般在0.2 mm以下，離縫長度一般在1.5 m以下。典型層間離縫傷損如圖1（a）所示。工務(wù)部門參照既有維修規(guī)則對部分早期出現(xiàn)的離縫進行了修補。少數(shù)有明顯離縫的軌道板在層間界面存在泛白漿的現(xiàn)象，如圖1（b）所示。此類傷損是由于軌道板與自密實混凝土在溫度梯度和列車荷載作用下互相沖擊，造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料析出，往往會導(dǎo)致層間黏結(jié)狀態(tài)進一步惡化，在運營維護中應(yīng)重點關(guān)注。

圖1 無砟軌道層間離縫傷損

根據(jù)跟蹤觀測結(jié)果及工務(wù)部門運營維護記錄，CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫傷損大多在線路建設(shè)期或開通初期已出現(xiàn)。隨著運營時間增長，離縫出現(xiàn)頻次略有增加，但總體發(fā)展較慢，多數(shù)離縫的寬度、長度等指標隨時間變化無明顯增長。

從離縫出現(xiàn)位置看，板角出現(xiàn)頻次多于板中，曲線地段超高外側(cè)略多于超高內(nèi)側(cè)，主要原因是自密實混凝土施工階段在板角、曲線外側(cè)等位置易因灌注不密實而產(chǎn)生初始缺陷。另外，溫度梯度作用下板角位置垂向翹曲位移較大，對層間黏結(jié)造成了不利影響。離縫在陰面和陽面、路基和橋梁地段出現(xiàn)頻次基本相當，表明日照、下部基礎(chǔ)等對層間離縫無明顯影響。

1.2 表觀特征統(tǒng)計分析

為掌握運營條件下CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫的表觀特征，選取觀測區(qū)段內(nèi)約1 000塊軌道板作為樣本，對離縫長度、寬度及深度進行測量，并對測量結(jié)果進行分類統(tǒng)計分析。離縫傷損的分類綜合考慮現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)、軌道板承軌臺位置、既有維修規(guī)則分級等因素。其中，離縫長度（l）以100 mm和300 mm為界分為三類；離縫寬度（w）以0.5 mm和1.0 mm為界分為三類；離縫深度（d）根據(jù)軌道板承軌臺位置，以50 mm和100 mm為界分為三類。

觀測區(qū)段內(nèi)軌道板與自密實混凝土層間離縫的長度、寬度、深度總體上比較小，共觀測到沿軌道板縱向通長離縫9處。觀測區(qū)段內(nèi)離縫表觀特征統(tǒng)計結(jié)果見表1。可知：l<100 mm的軌道板占總數(shù)的87.4%；w<1.0 mm的軌道板占總數(shù)的97.8%；d<50 mm的軌道板占總數(shù)的96.4%。

表1 離縫傷損表觀特征統(tǒng)計

2 層間缺陷面積測試

傳統(tǒng)的無砟軌道層間傷損檢測主要采用目測、尺量等方式，對軌道板與自密實混凝土層間離縫的外觀尺寸進行測量，其結(jié)果難以反映軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的層間缺陷。近年來，超聲波、沖擊回波等無損檢測技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用到無砟軌道層間傷損檢測中。選取一高速鐵路典型區(qū)段CRTSⅢ型板式無砟軌道，利用層間狀態(tài)檢測儀開展軌道層間缺陷面積測試，為相關(guān)評定指標的確定提供依據(jù)。

2.1 測試原理

利用超聲波、沖擊回波等手段檢測無砟軌道層間狀態(tài)的基本原理都是利用機械波在不同介質(zhì)中傳播特性的變化。選用高頻聚焦超聲波反射成像的方法對軌道板與自密實混凝土層間缺陷狀態(tài)開展測試。在軌道板表面發(fā)射大功率聚焦超聲波后，根據(jù)測得的反射波波形特征判定層間接觸狀態(tài)。該方法的靈敏度與定位精度較高，尤其適用于垂直入射超聲聲束方向的薄層不連續(xù)缺陷。

當超聲波傳播至不同介質(zhì)界面時會發(fā)生透射與反射，界面兩側(cè)材料的阻抗差異越大，則波的反射效應(yīng)越明顯。對于CRTSⅢ型板式無砟軌道，軌道板混凝土與自密實混凝土的聲速及阻抗差異不顯著，因此當軌道板與自密實混凝土層間黏結(jié)良好時，板面測得的超聲回波能量較小；而空氣與混凝土材料存在顯著的聲速和阻抗差異，當軌道層間黏結(jié)狀態(tài)惡化，出現(xiàn)離縫脫空等缺陷時，表面測得的超聲回波能量明顯增加。因此，可根據(jù)板面測得的某一頻段反射回波能量大小判定軌道結(jié)構(gòu)層間的黏結(jié)狀態(tài)。檢測原理如圖2所示，圖3為測試現(xiàn)場。

圖2 超聲波回波能量示意

圖3 無砟軌道層間缺陷測試

2.2 測試結(jié)果分析

對每一測點實測的層間反射回波能量進行無量綱化處理后，得到的反射系數(shù)（0 ~ 10）可表征無砟軌道層間黏結(jié)狀態(tài)。室內(nèi)模型試驗結(jié)果表明：反射系數(shù)大于4時，該位置層間黏結(jié)質(zhì)量下降，存在一定缺陷；反射系數(shù)大于7時，該位置層間出現(xiàn)明顯脫空。

單塊軌道板所有測點測試完成后，依據(jù)各測點反射系數(shù)測試結(jié)果進行克里金法插值計算，并繪制軌道板和自密實混凝土層間黏結(jié)質(zhì)量云圖，如圖4所示。根據(jù)云圖可以直觀了解整塊軌道板下層間黏結(jié)狀態(tài)及缺陷分布情況。

圖4 層間黏結(jié)質(zhì)量云圖

以云圖中反射系數(shù)大于4的面積（黃色至紅色部分）占軌道板總面積之比作為層間缺陷面積比，進行統(tǒng)計分析，得到測試區(qū)段內(nèi)無砟軌道層間缺陷面積比的累計分布曲線，見圖5。可知，測試區(qū)段CRTSⅢ型板式無砟軌道層間未測到缺陷的軌道板占總數(shù)的47.2%，缺陷面積比在5.0%以下的軌道板占總數(shù)的86.1%，最大缺陷面積比為7.6%。

圖5 層間缺陷面積比累計分布曲線

3 層間傷損評定標準

TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》將無砟軌道裂縫、離縫等道床傷損分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級，對應(yīng)處理措施分別為做好記錄、列入維修計劃并適時修補、及時修補。十余年養(yǎng)護維修工作經(jīng)驗表明，我國無砟軌道狀態(tài)總體良好，裂縫、層間離縫等傷損發(fā)展速度較慢，過于細化的分級標準會極大增加現(xiàn)場檢查、記錄、分析的工作量［10］，運維部門面臨檢查設(shè)備有限、維修費用高、養(yǎng)護維修困難等問題。

由于無砟道床離縫傷損具有數(shù)量較大、發(fā)展較慢、影響較小等特點，建議CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫評定標準按Ⅰ、Ⅱ兩級分類。對于Ⅰ級傷損，做好觀測、記錄、分析，對于Ⅱ級傷損，列入維修計劃并適時進行修補。

根據(jù)軌道板與自密實混凝土層間離縫現(xiàn)場調(diào)研及統(tǒng)計分析情況，結(jié)合CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無砟軌道等其他類型軌道離縫傷損養(yǎng)護維修實踐經(jīng)驗，提出CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫表觀傷損的評定標準，見表2。

表2 CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫傷損評定標準

根據(jù)無砟軌道現(xiàn)場調(diào)研情況，對于軌道板與自密實混凝土層間出現(xiàn)離縫泛漿的區(qū)段，應(yīng)做好記錄并進行跟蹤觀測，根據(jù)傷損劣化趨勢適時采取修補措施。

與離縫寬度、長度等表觀檢查相比，缺陷面積更能反映無砟軌道結(jié)構(gòu)總體層間黏結(jié)質(zhì)量。針對自密實混凝土灌注質(zhì)量控制，Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無砟軌道自密實混凝土》規(guī)定：自密實混凝土表面無面積大于50 cm2以上的氣泡，面積在6 cm2以上氣泡的面積之和不宜超過板面積的2%。該檢測結(jié)果主要通過施工階段揭板試驗得出。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，在運營階段對軌道層間缺陷面積開展定量測試成為可能。基于近年來研發(fā)的層間狀態(tài)無損檢測技術(shù)，建議增加缺陷面積比作為傷損評定指標。

根據(jù)實際運營線路層間缺陷面積檢測結(jié)果，提出分級建議：缺陷面積比5% ~ 10%為Ⅰ級傷損，缺陷面積比大于10%為Ⅱ級傷損。

4 結(jié)論

1）隨著運營時間增長，運營線路CRTSⅢ型板式無砟軌道層間離縫出現(xiàn)頻次略有增加，總體發(fā)展速度較慢，運營維護中對離縫泛漿等病害應(yīng)重點關(guān)注。

2）軌道板與自密實混凝土層間離縫尺寸總體較小，觀測區(qū)段內(nèi)離縫長度100 mm以下、寬度1 mm以下、深度50 mm以下的軌道板分別占總數(shù)的87.4%、97.8%和96.4%。結(jié)合現(xiàn)行維修規(guī)則實踐經(jīng)驗，給出了離縫表觀傷損Ⅰ、Ⅱ兩級評定標準建議值。

3）采用高頻聚焦超聲波反射成像的無損檢測方法對典型區(qū)段無砟軌道層間缺陷面積開展了測試分析。建議按缺陷面積比5% ~ 10%、大于10%兩級標準進行層間傷損等級評定。