CRTSⅠ型板式無砟軌道板角離縫原因與治理措施

王 濤，何建平，南 陽,吳韶亮，王 鑫

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路南昌局集團(tuán)有限公司 南昌西工務(wù)段，江西 南昌 330100；3.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司,北京 100015)

CRTSⅠ型板式無砟軌道具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工維修方便等特點(diǎn)[1-3]，在我國(guó)高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用廣泛，哈大、滬寧、寧安等高速鐵路全線[4-6]以及滬昆高速鐵路贛江特大橋等特殊地段均使用該軌道結(jié)構(gòu)型式。由于環(huán)境溫度、施工等因素影響，軌道板四角底部與砂漿層局部區(qū)域出現(xiàn)離縫。離縫是板式無砟軌道特有的現(xiàn)象，也是引起板式無砟軌道結(jié)構(gòu)不平順的原因之一[7-9]。在運(yùn)營(yíng)階段，嚴(yán)重離縫會(huì)引起軌道板反復(fù)“拍打”充填層，導(dǎo)致充填層或軌道板損傷，最終影響軌道結(jié)構(gòu)安全[10-12]。因此，深入研究軌道板離縫成因及治理措施，對(duì)確保軌道結(jié)構(gòu)耐久性與安全性具有重要意義。

本文結(jié)合我國(guó)東北一高速鐵路CRTSⅠ型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)，通過紅外線測(cè)溫儀、溫度傳感線連續(xù)測(cè)試不同部位溫度，采用電子水準(zhǔn)儀、百分表等對(duì)板面高程、充填層砂漿橫向和豎向變形、板角與砂漿層離縫等指標(biāo)進(jìn)行24 h以上連續(xù)測(cè)試，分析總結(jié)離縫成因并提出相應(yīng)的治理措施。

1 試驗(yàn)方法

選取的CRTSⅠ型無砟軌道板均采用同一種CA砂漿配合比，砂漿和凸臺(tái)樹脂灌注完成約28 d以上，測(cè)試時(shí)間為8月(鋪軌之前)。每塊軌道板上測(cè)點(diǎn)的布置如圖1所示，其中1，4，5，8號(hào)測(cè)點(diǎn)位于板角附近，9號(hào)測(cè)點(diǎn)位于板面中心。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

溫度傳感線布置于軌道板板面中心、板底中心及板角部位，板底溫度傳感線于灌漿前固定，固化后連續(xù)采集。采用電子水準(zhǔn)儀、百分表(放置于板面四角位置)測(cè)試板面高程變化，百分表測(cè)試充填層CA砂漿橫向和豎向變形，塞尺測(cè)試縫隙厚度，鋼板尺測(cè)試離縫插入深度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同部位溫度變化

圖2 軌道板不同部位溫度及溫度差

當(dāng)天預(yù)報(bào)氣溫為23～35 ℃。軌道板不同部位溫度測(cè)試周期為24 h，測(cè)試所得溫度數(shù)據(jù)見圖2?？芍瑴y(cè)試周期內(nèi)板面、板底溫度均隨時(shí)間呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律，夜間低、白天高;在夜晚和無太陽的清晨，軌道板上表面的溫度低于下表面，白天陽光下，軌道板上表面溫度高于下表面；板底晝夜溫差變化幅度約為5.1 ℃；板面晝夜溫差變化幅度約為21.4 ℃，明顯高于板底溫差；板底溫度峰值滯后于板面溫度峰值。

白天11:00～13:00時(shí)，軌道板在陽光直射下，軌道板上下表面溫差達(dá)到最大，板中的最大溫差為16.8 ℃，四角部位最大溫差為13.5 ℃。溫差曲線顯示板中、板角位置上下表面溫差變化規(guī)律較為一致，板中位置溫差大于板角位置溫差的幅度不超過4 ℃。

2.2 采用電子水準(zhǔn)儀測(cè)得的板角高程變化

采用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量軌道板板面四角的高程。以板面中心點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用板面四角相對(duì)其高程變化量繪制曲線，見圖3。

圖3 板面四角高程變化量

由圖3可知，軌道板板面四角相對(duì)高程隨時(shí)間呈現(xiàn)大致相同的波動(dòng)變化規(guī)律。相對(duì)板面中心點(diǎn)高程，板角在夜間翹起明顯，在20:00～06:00時(shí)板角相對(duì)中心高程最大差值約1.1 mm，表明軌道板在夜間呈翹曲變形。

結(jié)合圖2溫度曲線分析可知，測(cè)試周期內(nèi)隨著日出日落，環(huán)境溫度發(fā)生規(guī)律性變化，混凝土軌道板沿厚度方向存在溫度梯度，當(dāng)板面溫度高于板底溫度時(shí)，板頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，軌道板四角下彎，中部上拱；當(dāng)板面溫度低于板底溫度時(shí)，板底出現(xiàn)拉應(yīng)力，四角向上翹曲，中部下凹。

2.3 采用百分表測(cè)得的板角高程變化

采用百分表測(cè)量軌道板板面四角高程，其隨時(shí)間的變化結(jié)果見圖4。

圖4 板面四角高程變化量

由圖4可知，板角的4個(gè)百分表測(cè)試數(shù)值波動(dòng)較小，規(guī)律明顯，隨環(huán)境溫度而變化。板角在夜間向上翹曲，雖然各角上翹值略有差異，但各點(diǎn)同步變化，板角上翹峰值約1.61 mm，大約出現(xiàn)20:00～06:40時(shí)。圖4與采用電子水準(zhǔn)儀的圖3變化規(guī)律基本一致，但在具體時(shí)間和高程變化值上略有差異。

2.4 板角離縫變化

板角離縫包括板底與砂漿層間離縫厚度和離縫深度2方面內(nèi)容。采用塞尺測(cè)量板角離縫厚度；按現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，采用鋼板尺插入深度表征板角離縫深度。兩者隨時(shí)間的變化曲線見圖5、圖6。

圖5 板角離縫厚度隨時(shí)間變化曲線

圖6 板角離縫深度隨時(shí)間變化曲線

由圖5可知，板角離縫厚度在夜間變大，22:30～06:40時(shí)出現(xiàn)峰值厚度1.75 mm。由圖6可知，板角離縫深度在夜間變大，02:00～06:00時(shí)出現(xiàn)峰值49 mm，符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，初始離縫深度33 mm，離縫變化量16 mm。

塞尺測(cè)試離縫厚度和鋼板尺測(cè)試離縫深度的變化規(guī)律，均表明板角離縫最大值出現(xiàn)在夜間，與圖3、圖4中板角高程夜間增大規(guī)律一致。

2.5 充填層CA砂漿變化

軌道板四角與充填層砂漿間的離縫變化除考慮上述軌道板變形的影響外，還需考慮充填層砂漿變形隨溫度的變化規(guī)律。圖7為采用百分表測(cè)量板邊砂漿橫向和豎向變形，測(cè)量結(jié)果見圖8。

圖7 百分表測(cè)量砂漿變形

圖8 砂漿變形測(cè)量結(jié)果

結(jié)合圖2，由圖8可以看出，充填層砂漿橫向和豎向變形量隨溫度波動(dòng)而變化，遵循熱脹冷縮規(guī)律，在21:00～9:30時(shí)，其橫向和豎向變形量均最大，橫向約0.04 mm，豎向約0.02 mm，遠(yuǎn)低于板角高程變化量。因而，由溫度變化引起的砂漿變形對(duì)板角離縫的影響可以忽略。

上述研究表明，軌道板上下溫差引起翹曲變形，進(jìn)而導(dǎo)致板角離縫產(chǎn)生，板角離縫與充填層砂漿熱脹冷縮關(guān)系不大。因此在實(shí)際軌道板鋪設(shè)施工時(shí)，根據(jù)軌道板翹曲規(guī)律，可選擇夜間或晝夜溫差小的季節(jié)進(jìn)行充填層砂漿灌注施工，可減緩軌道板四角離縫產(chǎn)生。

2.6 整治措施

板角離縫值超標(biāo)是無砟軌道需要整治的病害之一，對(duì)此普遍采用夜間天窗時(shí)間注漿的方式進(jìn)行離縫治理。經(jīng)線路運(yùn)營(yíng)驗(yàn)證，天窗時(shí)間離縫注漿整治效果良好。但天窗時(shí)間注漿整治時(shí)，需要等待注漿材料固化形成一定強(qiáng)度，大約占用2 h左右，因而實(shí)際可注漿操作的時(shí)間較短，有必要探索一種快速整治措施。

圖9 測(cè)試試樣

圖10 晴天溫度變化

圖11 陰天雨天溫度變化

3 結(jié)論

1)軌道板板面與板底存在交替性溫度梯度是導(dǎo)致軌道板產(chǎn)生周期性變形的主要原因，軌道板板面高程隨時(shí)間呈現(xiàn)大致規(guī)律的波動(dòng)變化，相對(duì)板面中心點(diǎn)高程，板角在夜間翹起明顯。

2)塞尺測(cè)試離縫厚度和鋼板尺測(cè)試離縫深度的變化規(guī)律基本一致，4個(gè)板角的離縫厚度與離縫深度在夜間增大，4個(gè)板角的高程同步變化。

3)充填層砂漿橫向和豎向變形遵循熱脹冷縮規(guī)律，橫向最大變形量約0.04 mm，豎向最大變形量約0.02 mm，相比板角翹曲變形，充填層砂漿變形對(duì)板角離縫的影響可以忽略。