陳醉，楊榮山，汪杰

CRTSⅠ型板式軌道快速注漿抬升方案研究

陳醉1, 2，楊榮山1, 2，汪杰1, 2

(1. 西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對CRTSⅠ型板式軌道超出扣件系統(tǒng)調(diào)整范圍的基礎(chǔ)沉降，提出快速、有效的軌道板注漿抬升修復(fù)方案。采用有限元法分析軌道板頂升過程中軌道結(jié)構(gòu)受力特性，研究不同抬升位置和抬升高度對結(jié)構(gòu)安全的影響，并提出合理的抬升方案。研究結(jié)果表明：軌道板抬升過程中，底座板受力較小，伸縮縫對其受力無明顯影響；鋼軌對軌道板受力影響較大，在不拆除扣件系統(tǒng)的條件下直接在軌道板板中單點(diǎn)抬升軌道板，其上表面有開裂的風(fēng)險。因此，在抬板注漿過程中，為減小軌道板受力，注漿前宜拆除扣件系統(tǒng)；若保留扣件系統(tǒng)，宜采用相鄰雙板端部同步抬升軌道板或單板1號和4號抬升孔同步抬升軌道板的施工方案。

CRTSⅠ型板式軌道；抬升；注漿；快速修復(fù)；有限元法

CRTS I型板式軌道(以下簡稱“Ⅰ型板”)是我國無砟軌道結(jié)構(gòu)形式之一，主要由鋼軌、扣件、軌道板、CA砂漿、凸臺和底座板等結(jié)構(gòu)組成，因其結(jié)構(gòu)簡單、施工與維護(hù)方便等特點(diǎn)，在我國具有較長的里程鋪設(shè)[1?3]。根據(jù)運(yùn)營線路的現(xiàn)場調(diào)研，我國I型板的總體使用情況良好，但受大規(guī)模施工作業(yè)、多變的下部基礎(chǔ)和經(jīng)時效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)退化等因素限制，在列車荷載和環(huán)境因素的長期作用下，已出現(xiàn)路基地段道床不均勻沉降的病害[4?5]。由于高速鐵路的基礎(chǔ)變形速率不大，在運(yùn)營過程中，持續(xù)較小的基礎(chǔ)變形可通過扣件系統(tǒng)來調(diào)整。與I型板匹配WJ-7扣件的高低調(diào)量為?4~+30 mm，但施工時會用掉一部分扣件調(diào)量，實際運(yùn)營時的扣件調(diào)量已不足30 mm[6?7]。一旦基礎(chǔ)變形超出扣件調(diào)量，就需要在扣件調(diào)高用盡后進(jìn)一步調(diào)整道床標(biāo)高。本文研究基礎(chǔ)變形超出扣件調(diào)量時的工況。針對調(diào)整道床標(biāo)高的修復(fù)方法，當(dāng)前主要有路基注漿、基床表層注漿和砂漿層厚度調(diào)整等[8?12]。路基注漿法雖滿足高速鐵路的加固要求，但注漿過程工序復(fù)雜，不易控制精度，且存在路基上拱的風(fēng)險[13]。調(diào)整砂漿層厚度的修復(fù)方法因其施工簡便、精度高的特點(diǎn)，可滿足無砟軌道高平順性的要求。該方法主要有灌注快硬水泥砂漿、填充預(yù)制樹脂、疊灌特種快硬CA砂漿等方式，在灌注填充材料前需拆除扣件系統(tǒng)，通過特定裝置將軌道板抬升至目標(biāo)高度[9?10]。采用該方法抬升軌道板，操作要求高，工序復(fù)雜?；谏鲜霾蛔?，本文提出灌注快硬高強(qiáng)度材料的注漿方法抬升軌道板。當(dāng)軌道板抬升到位后，灌注的漿料在板底形成永久支撐，再填注快速修復(fù)砂漿，達(dá)到對軌道板快速抬升修復(fù)的目的。該方法不需要額外的抬升裝置，僅通過灌漿設(shè)備就能完成抬升灌注修復(fù)，裝備簡單，優(yōu)點(diǎn)突出。為了分析注漿抬升對軌道結(jié)構(gòu)的影響，通過有限元法對Ⅰ型板抬升過程進(jìn)行力學(xué)仿真計算，分析不同注漿抬升位置和鋼軌對軌道結(jié)構(gòu)的受力影響，并提出合理的Ⅰ型板注漿抬升方案。

1 計算模型與參數(shù)

根據(jù)Ⅰ型板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立力學(xué)模型，如圖1所示。

圖1 力學(xué)模型圖示

模型中，采用Euler梁單元模擬鋼軌，線性彈簧單元模擬扣件，以實體單元模擬軌道板、凸臺、底座板等部件。由于鋼軌的作用，軌道板間存在相互作用，為全面分析注漿抬升對軌道結(jié)構(gòu)的影響，建立6塊軌道板進(jìn)行力學(xué)分析，并考慮預(yù)應(yīng)力鋼筋的影響[14]。底座板端部的伸縮縫僅考慮受剪；軌道板與底座板、凸臺的約束簡化為具有單向壓縮功能的非線性彈簧，模擬CA砂漿、樹脂的彈性支承剛度，其力?位移關(guān)系曲線分別由彈性模量等效轉(zhuǎn)換獲得[3]，如圖2所示(位移以彈簧受拉為正，受壓 為負(fù))。

圖2 彈簧力-位移參數(shù)曲線圖示

模型主要計算參數(shù)如表1所示。

表1 主要計算參數(shù)

2 軌道板抬升檢算

根據(jù)實際施工情況，Ⅰ型板上有4個抬升孔(如圖3所示)，在軌道板下方注漿，單次最大抬升高度為10 mm。為了達(dá)到施工簡便的目的，暫不拆除扣件系統(tǒng)，即存在鋼軌的約束作用。針對軌道板抬升分布，設(shè)置4個工況：

1) 單板中部(2號抬升孔)抬升；

2) 單板端部(4號抬升孔)抬升；

3) 相鄰雙板中部(2號抬升孔)同步抬升；

4) 相鄰雙板端部(4號抬升孔)同步抬升。

以工況1為例，經(jīng)仿真計算，在抬升高度10 mm條件下軌道板上表面拉應(yīng)力、下表面壓應(yīng)力分布如圖4~5所示。

圖3 抬升孔分布

圖4 軌道板上表面拉應(yīng)力分布

圖5 軌道板下表面壓應(yīng)力分布

圖中不同顏色代表不同應(yīng)力的量值，顏色越深，應(yīng)力值即越大。計算結(jié)果表明，在軌道板下方注漿，頂升軌道板會造成上表面受拉的情況，軌道板在抬升過程中的最大拉、壓應(yīng)力分別位于上表面、下表面抬升點(diǎn)周圍。由于鋼軌的連接作用，相鄰軌道板也有少量的抬升位移，其應(yīng)力集中于抬升點(diǎn)附近，導(dǎo)致該點(diǎn)應(yīng)力值偏大。Ⅰ型板所用C60混凝土抗拉、抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值分別為2.85 MPa與38.5 MPa[15]，故可以軌道板表面該點(diǎn)的應(yīng)力作為判斷依據(jù)，分析抬升方案的合理性。經(jīng)計算，4種工況下抬升孔周圍最大拉、壓應(yīng)力值如表2所示。

表2 軌道板最大拉、壓應(yīng)力值

結(jié)果表明，抬升點(diǎn)位于板中時，軌道板應(yīng)力值最大。分別對比工況1和3，工況2和4結(jié)果發(fā)現(xiàn)，若采用雙板同步抬升的方案，相鄰的抬升板會相互承擔(dān)應(yīng)力，故應(yīng)力值較小。因此，若不拆除扣件，采用雙板同步抬升的方案對軌道板受力影響較小。4種工況的軌道板下表面壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，故現(xiàn)場抬升軌道板可忽略壓應(yīng)力的影響。抬升高度10 mm條件下，若采用板中抬升的方案(工況1和3)，軌道板上表面最大拉應(yīng)力超過強(qiáng)度限值，雖然軌道板有一定的預(yù)應(yīng)力，但上表面仍有開裂風(fēng)險；若采用板端抬升的方案(工況2和4)，軌道板最大拉應(yīng)力能滿足強(qiáng)度要求，故現(xiàn)場可采用此方案抬升軌道板。相比于單板抬升(工況2)，相鄰雙板同步抬升的方案(工況4)對軌道板受力更有利。因此，若不拆除扣件，現(xiàn)場宜采用相鄰雙板端部同步抬升的方案。

2.1 底座板伸縮縫的影響

Ⅰ型板的底座為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了能夠有效滿足底座板變形的要求，通常會在端部之間設(shè)置伸縮縫，使底座板能在縱向自由伸縮，并起到連接的作用。伸縮縫僅傳遞底座板剪力，但無承受縱向力與彎矩的作用，因此，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度比其他部分較弱。為研究軌道板抬升過程中伸縮縫處底座板受力情況，以工況1為例，分析抬升高度10 mm，抬升板位于底座板端部時，底座板上表面拉應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 底座板上表面拉應(yīng)力分布

結(jié)果表明，受Ⅰ型板凸臺結(jié)構(gòu)的影響，伸縮縫于凸臺邊界周圍會出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，抬升板位于底座板中部與端部時底座板上表面最大拉、壓應(yīng)力如表3所示。

表3 底座板上表面最大拉、壓應(yīng)力值

結(jié)果表明，在軌道板抬升過程中，底座板受力較小，凸臺周圍雖有應(yīng)力集中現(xiàn)象，但受填充樹脂的保護(hù)作用，伸縮縫對底座板受力影響不大。抬升板位于底座板端部時，其最大壓應(yīng)力值比抬升板位于底座板中部略小，最大拉應(yīng)力值略大，但不會導(dǎo)致混凝土的破壞。故現(xiàn)場軌道板抬升過程中不需考慮伸縮縫對底座板的削弱作用。

2.2 抬升高度的影響

前述分析表明，若采用單點(diǎn)抬升10 mm的方案，板中抬升可能會導(dǎo)致上表面開裂。根據(jù)實際情況，在保證軌道板不發(fā)生開裂的前提下，可用多次注漿抬升的方案。下面分析抬升高度對軌道板受力的影響。根據(jù)前述分析，可忽略壓應(yīng)力的影響。假定不拆除扣件系統(tǒng)，分析4種工況在軌道板不同抬升高度條件下抬升點(diǎn)周圍最大拉應(yīng)力變化規(guī)律如圖7所示。

圖7 不同抬升高度的軌道板最大拉應(yīng)力

結(jié)果表明，軌道板拉應(yīng)力與抬升高度密切相關(guān)，其值隨抬升高度呈正增長關(guān)系。抬升高度小于2 mm時，拉應(yīng)力增長迅速；抬升高度大于2 mm后，拉應(yīng)力增長放緩；抬升高度大于4 mm后，4種工況下軌道板最大拉應(yīng)力大致隨抬升高度大致呈線性增長。根據(jù)圖7，若采用板端抬升的方案(工況2和4)，抬升高度不超過10 mm時，軌道板上表面拉應(yīng)力均能保持強(qiáng)度限值范圍內(nèi)；若為單板中部抬升(工況1)，抬升高度超過2 mm時，軌道板最大拉應(yīng)力即超過強(qiáng)度限值；若為相鄰雙板中部同步抬升(工況3)，抬升高度不超過5 mm時，軌道板最大拉應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求。因此，若現(xiàn)場抬板高度目標(biāo)值為10 mm，在不拆除扣件系統(tǒng)的條件下，可采用相鄰雙板中部、分2次同步抬升5 mm的方案。

3 方案改進(jìn)

3.1 拆除扣件系統(tǒng)抬升方案

前述分析表明，若不拆除扣件系統(tǒng)，軌道板上表面應(yīng)力集中明顯。由于Ⅰ型板為單元結(jié)構(gòu)，若拆除扣件系統(tǒng)，可消除鋼軌對軌道板的連接，減小軌道板的相互作用。下面以工況1和2為例，分析鋼軌在軌道板抬升過程中對其受力的影響。經(jīng)計算，拆除扣件的軌道板在不同抬升高度條件下抬升點(diǎn)周圍最大拉應(yīng)力變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 拆除扣件后軌道板最大拉應(yīng)力

結(jié)果表明，拆除扣件后，抬升點(diǎn)周圍拉應(yīng)力明顯減小。若采用板中抬升的方案(工況1)進(jìn)行注漿，拆除扣件后，軌道板最大拉應(yīng)力與抬升高度呈線性增長關(guān)系；若采用板端抬升的方案(工況2)進(jìn)行注漿，抬升高度大于5 mm時，軌道板上表面拉應(yīng)力達(dá)到最大值0.84 MPa，抬升高度超過5 mm后，軌道板最大拉應(yīng)力隨抬升高度大致呈線性緩慢減小趨勢。抬升高度為10 mm時，工況1和工況2的軌道板抬升點(diǎn)周圍最大拉應(yīng)力均小于強(qiáng)度限值，分別為2.09 MPa與0.79 MPa，相比保留扣件系統(tǒng)的情況分別減少71.2%與72.1%。故現(xiàn)場進(jìn)行板下注漿前宜拆除扣件系統(tǒng)，削弱鋼軌的約束作用。

3.2 多點(diǎn)同步抬升方案

高速鐵路無砟軌道天窗維修時間較短，若拆除扣件系統(tǒng)后抬升軌道板，施工周期偏長。根據(jù)前述計算，若不拆除扣件系統(tǒng)采用單點(diǎn)抬升，雖然板端抬升的方案滿足軌道板受力要求，但單點(diǎn)支撐不易保持頂升后軌道板的幾何形位。為了減小施工周期，同時為了保持頂升后軌道板的穩(wěn)定性，需分析不拆除扣件系統(tǒng)的條件下，多點(diǎn)同步抬升軌道板的受力情況。下面設(shè)置以下3種典型工況：

1) 單板1號和3號抬升孔同步抬升；

2) 單板1號和4號抬升孔同步抬升；

3) 單板2號和3號抬升孔同步抬升。

以上工況分別對應(yīng)工況5~7。經(jīng)計算，3種工況在不同抬升高度條件下抬升點(diǎn)周圍最大拉應(yīng)力變化規(guī)律如圖9所示。

圖9 多點(diǎn)同步抬升的軌道板最大拉應(yīng)力

結(jié)果表明，不同抬升孔同步抬升的軌道板拉應(yīng)力變化規(guī)律基本相近，其最大拉應(yīng)力隨抬升高度的增高而變大。3種工況對應(yīng)的曲線均有增長較緩的區(qū)段，這是由于多點(diǎn)同步抬升過程中，抬升點(diǎn)的重心會發(fā)生轉(zhuǎn)移，此區(qū)段為應(yīng)力重新分配的過程；抬升高度高于該區(qū)段后，軌道板拉應(yīng)力繼續(xù)保持高速增長。抬升高度10 mm條件下，3種工況對應(yīng)最大值分別為3.90，2.33和5.31 MPa，只有單板1號和4號抬升孔同步抬升的方案(工況6)滿足強(qiáng)度要求。此外，若采用單板1號和3號抬升孔同步抬升的方案(工況5)，抬升高度為5 mm時，軌道板最大拉應(yīng)力接近抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，若現(xiàn)場抬板高度目標(biāo)值為10 mm，在不拆除扣件系統(tǒng)的條件下，可采用單板1號和4號抬升孔同步抬升或者單板1號和3號抬升孔分2次同步抬升5 mm的方案，其中前者施工較簡便，對軌道板受力影響較小。因此，現(xiàn)場宜采用單板1號和4號抬升孔同步抬升軌道板的方案。

4 結(jié)論

1) 軌道板抬升過程中，底座板受力較小，伸縮縫對其受力無明顯影響，現(xiàn)場軌道板抬升過程中不需考慮伸縮縫的作用。

2) 鋼軌對軌道板受力影響較大，現(xiàn)場進(jìn)行板下注漿前宜拆除扣件系統(tǒng)。在不拆除扣件系統(tǒng)的條件下直接在軌道板板中單點(diǎn)抬升軌道板，其上表面有開裂的風(fēng)險。

3) 若保留扣件系統(tǒng)抬升軌道板，宜采用相鄰雙板端部同步抬升軌道板或單板1號和4號抬升孔同步抬升軌道板的施工方案。

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(編輯 陽麗霞)

Rapid lifting plans of grouting for CRTS I slab track

CHEN Zui1, 2, YANG Rongshan1, 2, WANG Jie1, 2

(1. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Aiming at the settlement of CRTS I slab track beyond the adjustment range of fastener system, rapid and effective lifting plans of grouting for the track slab were proposed. Stress characteristic of track structure during the lifting process was analyzed using finite element method. Effects of different lifting positions and heights on structural safety were studied, and sensible lifting plans were proposed. Results show that during the lifting process of the track slab, base layer has less stress, and the influence of the expansion joint is not significant. Rail has great impact on the stress of the track slab. If the track slab is directly lift up at a single point at the middle of the track without removing the fastener system, the upper surface is under the risk of cracking. Therefore, in order to reduce the stress of the track slab, the fastener system should be removed during the lifting process of grouting. If fastener system is remained, construction plans of lifting two adjacent slabs at the ends synchronously or lifting single slab at both Point 1 and Point 4 synchronously should be adopted.

CRTS I slab track; lifting; grouting; rapid restoration; finite element method

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.003

U213.2+14

A

1672 ? 7029(2018)12 ? 3037 ? 07

2017?12?10

國家自然科學(xué)基金資助項目(51778543)；國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項目(U1434208)；四川省科技計劃資助項目(2016GZ0333)

楊榮山(1975?)，男，河北蓉城人，教授，博士，從事高速重載軌道結(jié)構(gòu)與軌道動力學(xué)等方面的研究；E?mail：yrs@home.swjtu.edu.cn