施成 趙勇 劉心成 王夢(mèng)

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是我國(guó)在全面總結(jié)分析前期引進(jìn)無(wú)砟軌道建設(shè)和運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)基礎(chǔ)理論、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工程材料、建造技術(shù)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等系統(tǒng)研究，研發(fā)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)砟軌道系統(tǒng)［1-2］，先后應(yīng)用于盤(pán)營(yíng)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(guò)9 000 km。

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道采用具有高流動(dòng)性、高間隙通過(guò)性和高抗離析性的自密實(shí)混凝土作為充填層材料［3-4］，軌道板與自密實(shí)混凝土通過(guò)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(shí)間增長(zhǎng)，部分地段軌道板和自密實(shí)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(duì)無(wú)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(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫的發(fā)展機(jī)理、影響程度及控制措施開(kāi)展了系列研究。趙聞強(qiáng)［5］結(jié)合層間界面性能發(fā)展特點(diǎn)構(gòu)建了無(wú)砟軌道層間經(jīng)時(shí)損傷分析模型，揭示了施工期及運(yùn)營(yíng)期無(wú)砟軌道層間損傷風(fēng)險(xiǎn)及演化規(guī)律。婁平等［6］以車輛及層間離縫CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于車輛-軌道耦合動(dòng)力學(xué)理論，探討了層間離縫對(duì)車體加速度、輪軌力、軌道部件位移等動(dòng)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(dòng)模型，研究了不同程度板端離縫對(duì)車輛和軌道系統(tǒng)動(dòng)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(wú)砟軌道受力情況，并基于德?tīng)柗品ㄌ岢隽藢娱g離縫評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)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(wú)砟軌道層間質(zhì)量的控制措施，并分析了相應(yīng)無(wú)損檢測(cè)方法。

對(duì)CRTSⅢ型板式無(wú)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(jī)理及對(duì)軌道結(jié)構(gòu)受力的影響，而對(duì)實(shí)際條件下離縫評(píng)判及控制標(biāo)準(zhǔn)的研究較少。本文基于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、測(cè)試及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)行無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)維修相關(guān)規(guī)范實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，研究提出CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的層間傷損評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)建議，以期為無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及分析

CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道是沿線路空間縱向分布的多層帶狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)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(shí)混凝土層間離縫是CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道的常見(jiàn)傷損類型之一。

1.1 層間離縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

選取一嚴(yán)寒地區(qū)高速鐵路路基及橋梁區(qū)段各1 km無(wú)砟軌道開(kāi)展離縫跟蹤調(diào)研。觀測(cè)地段近20%的軌道板與自密實(shí)混凝土間存在可見(jiàn)離縫，離縫寬度一般在0.2 mm以下，離縫長(zhǎng)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(mén)參照既有維修規(guī)則對(duì)部分早期出現(xiàn)的離縫進(jìn)行了修補(bǔ)。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(shí)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(huì)導(dǎo)致層間黏結(jié)狀態(tài)進(jìn)一步惡化，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 無(wú)砟軌道層間離縫傷損

根據(jù)跟蹤觀測(cè)結(jié)果及工務(wù)部門(mén)運(yùn)營(yíng)維護(hù)記錄，CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫傷損大多在線路建設(shè)期或開(kāi)通初期已出現(xiàn)。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，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(zhǎng)度等指標(biāo)隨時(shí)間變化無(wú)明顯增長(zhǎng)。

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(shí)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(shí)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(duì)層間黏結(jié)造成了不利影響。離縫在陰面和陽(yáng)面、路基和橋梁地段出現(xiàn)頻次基本相當(dāng)，表明日照、下部基礎(chǔ)等對(duì)層間離縫無(wú)明顯影響。

1.2 表觀特征統(tǒng)計(jì)分析

為掌握運(yùn)營(yíng)條件下CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫的表觀特征，選取觀測(cè)區(qū)段內(nèi)約1 000塊軌道板作為樣本，對(duì)離縫長(zhǎng)度、寬度及深度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析。離縫傷損的分類綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)、軌道板承軌臺(tái)位置、既有維修規(guī)則分級(jí)等因素。其中，離縫長(zhǎng)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(tái)位置，以50 mm和100 mm為界分為三類。

觀測(cè)區(qū)段內(nèi)軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫的長(zhǎng)度、寬度、深度總體上比較小，共觀測(cè)到沿軌道板縱向通長(zhǎng)離縫9處。觀測(cè)區(qū)段內(nèi)離縫表觀特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1?？芍簂<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(jì)

2 層間缺陷面積測(cè)試

傳統(tǒng)的無(wú)砟軌道層間傷損檢測(cè)主要采用目測(cè)、尺量等方式，對(duì)軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫的外觀尺寸進(jìn)行測(cè)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(lái)，超聲波、沖擊回波等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)陸續(xù)被應(yīng)用到無(wú)砟軌道層間傷損檢測(cè)中。選取一高速鐵路典型區(qū)段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，利用層間狀態(tài)檢測(cè)儀開(kāi)展軌道層間缺陷面積測(cè)試，為相關(guān)評(píng)定指標(biāo)的確定提供依據(jù)。

2.1 測(cè)試原理

利用超聲波、沖擊回波等手段檢測(cè)無(wú)砟軌道層間狀態(tài)的基本原理都是利用機(jī)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(duì)軌道板與自密實(shí)混凝土層間缺陷狀態(tài)開(kāi)展測(cè)試。在軌道板表面發(fā)射大功率聚焦超聲波后，根據(jù)測(cè)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(dāng)超聲波傳播至不同介質(zhì)界面時(shí)會(huì)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(duì)于CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道，軌道板混凝土與自密實(shí)混凝土的聲速及阻抗差異不顯著，因此當(dāng)軌道板與自密實(shí)混凝土層間黏結(jié)良好時(shí)，板面測(cè)得的超聲回波能量較??；而空氣與混凝土材料存在顯著的聲速和阻抗差異，當(dāng)軌道層間黏結(jié)狀態(tài)惡化，出現(xiàn)離縫脫空等缺陷時(shí)，表面測(cè)得的超聲回波能量明顯增加。因此，可根據(jù)板面測(cè)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(cè)原理如圖2所示，圖3為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 超聲波回波能量示意

圖3 無(wú)砟軌道層間缺陷測(cè)試

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

對(duì)每一測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的層間反射回波能量進(jìn)行無(wú)量綱化處理后，得到的反射系數(shù)（0 ~ 10）可表征無(wú)砟軌道層間黏結(jié)狀態(tài)。室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果表明：反射系數(shù)大于4時(shí)，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(shí)，該位置層間出現(xiàn)明顯脫空。

單塊軌道板所有測(cè)點(diǎn)測(cè)試完成后，依據(jù)各測(cè)點(diǎn)反射系數(shù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行克里金法插值計(jì)算，并繪制軌道板和自密實(shí)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到測(cè)試區(qū)段內(nèi)無(wú)砟軌道層間缺陷面積比的累計(jì)分布曲線，見(jiàn)圖5?？芍瑴y(cè)試區(qū)段CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間未測(cè)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(jì)分布曲線

3 層間傷損評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

TG/GW 115—2012《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》將無(wú)砟軌道裂縫、離縫等道床傷損分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三級(jí)，對(duì)應(yīng)處理措施分別為做好記錄、列入維修計(jì)劃并適時(shí)修補(bǔ)、及時(shí)修補(bǔ)。十余年養(yǎng)護(hù)維修工作經(jīng)驗(yàn)表明，我國(guó)無(wú)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(guò)于細(xì)化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)會(huì)極大增加現(xiàn)場(chǎng)檢查、記錄、分析的工作量［10］，運(yùn)維部門(mén)面臨檢查設(shè)備有限、維修費(fèi)用高、養(yǎng)護(hù)維修困難等問(wèn)題。

由于無(wú)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(diǎn)，建議CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)按Ⅰ、Ⅱ兩級(jí)分類。對(duì)于Ⅰ級(jí)傷損，做好觀測(cè)、記錄、分析，對(duì)于Ⅱ級(jí)傷損，列入維修計(jì)劃并適時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。

根據(jù)軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及統(tǒng)計(jì)分析情況，結(jié)合CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道等其他類型軌道離縫傷損養(yǎng)護(hù)維修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫表觀傷損的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表2。

表2 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道層間離縫傷損評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)無(wú)砟軌道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況，對(duì)于軌道板與自密實(shí)混凝土層間出現(xiàn)離縫泛漿的區(qū)段，應(yīng)做好記錄并進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，根據(jù)傷損劣化趨勢(shì)適時(shí)采取修補(bǔ)措施。

與離縫寬度、長(zhǎng)度等表觀檢查相比，缺陷面積更能反映無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)總體層間黏結(jié)質(zhì)量。針對(duì)自密實(shí)混凝土灌注質(zhì)量控制，Q/CR 596—2017《高速鐵路CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道自密實(shí)混凝土》規(guī)定：自密實(shí)混凝土表面無(wú)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(guò)板面積的2%。該檢測(cè)結(jié)果主要通過(guò)施工階段揭板試驗(yàn)得出。隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在運(yùn)營(yíng)階段對(duì)軌道層間缺陷面積開(kāi)展定量測(cè)試成為可能?；诮陙?lái)研發(fā)的層間狀態(tài)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，建議增加缺陷面積比作為傷損評(píng)定指標(biāo)。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路層間缺陷面積檢測(cè)結(jié)果，提出分級(jí)建議：缺陷面積比5% ~ 10%為Ⅰ級(jí)傷損，缺陷面積比大于10%為Ⅱ級(jí)傷損。

4 結(jié)論

1）隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)線路CRTSⅢ型板式無(wú)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(yùn)營(yíng)維護(hù)中對(duì)離縫泛漿等病害應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

2）軌道板與自密實(shí)混凝土層間離縫尺寸總體較小，觀測(cè)區(qū)段內(nèi)離縫長(zhǎng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出了離縫表觀傷損Ⅰ、Ⅱ兩級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)建議值。

3）采用高頻聚焦超聲波反射成像的無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)典型區(qū)段無(wú)砟軌道層間缺陷面積開(kāi)展了測(cè)試分析。建議按缺陷面積比5% ~ 10%、大于10%兩級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行層間傷損等級(jí)評(píng)定。