【摘" " 要】：考慮無砟軌道在列車長期重復(fù)荷載的作用下會出現(xiàn)軌道板開裂、軌道板上拱離縫及砂漿層破壞等問題，破壞軌道系統(tǒng)的完整性，從而影響列車運行的舒適性與安全性，通過調(diào)研國內(nèi)外已開通無砟軌道線路存在的病害問題，分析無砟軌道典型病害、病害致因及主要影響機理，研究病害的檢測和監(jiān)測技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】：無砟軌道；高速鐵路；病害

Review of Research of Ballastless Track Diseases

LI Sheng1，LI Zhengzhong2，PI Huiran2，ZHANG Xueyuan2

（1.Tianjin Line 3 Transit Operation Co.Ltd.，Tianjin 300380，China；2.Tianjin Transportation Research Institute， Tianjin 300074， China）

【Abstract】：Some problems such as track plate cracking， track plate upper arch off joints and mortar layer damage of ballastless track are considered under the action of long-term repeated load of trains， ballastless track damage will destroy the integrity of the track system， thus affecting the comfort and safety of train operation. In this paper， we analyze and study the existing ballastless track lines at home and abroad， including the existing common ballastless track types， ballastless track defects and the causes and mechanisms of the defects， and the detection and monitoring technology of ballastless track defects.

【Key words】：ballastless track; high-speed railway; diseases

隨著高速鐵路運營期的增加，無砟軌道結(jié)構(gòu)的多種病害逐漸顯露，如軌道板開裂、軌道板上拱離縫、砂漿層破壞及底座板開裂等[1]。由于結(jié)構(gòu)特點，無砟軌道出現(xiàn)病害后需要花費大量經(jīng)費和時間去修復(fù)，最后達到的效果可能還不理想；因此，需要對無砟軌道的病害進行調(diào)查，明確病害機理，為優(yōu)化軌道結(jié)構(gòu)、合理養(yǎng)護軌道及在發(fā)生病害后更快更好地修復(fù)無砟軌道提供指導(dǎo)。

1 我國無砟軌道型式及應(yīng)用簡介

目前，我國高速鐵路無砟軌道的結(jié)構(gòu)型式主要有CRTSI、CRTSII、CRTSIII型板式及雙塊式等。見圖1和表1。

我國無砟軌道屬于典型的層狀結(jié)構(gòu)，各層的彈性模量和強度隨著與車輛荷載的相對位置，從上到下依次減??；為了限制不同層狀結(jié)構(gòu)之間的相對位移，在層狀結(jié)構(gòu)之間通過設(shè)置摩擦或者限位裝置，使無砟軌道結(jié)構(gòu)形成一個整體，承受共同承受高速列車荷載以及環(huán)境作用[2]。

2 病害調(diào)研

無砟軌道作為一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強、線路平順性及材料耐久性好的軌道結(jié)構(gòu)，克服了有砟軌道整體結(jié)構(gòu)性較差、道床容易劣化、不容易保持高平順性、需要常搗固維修且維修成本高等缺點。隨著鐵道工程技術(shù)不斷發(fā)展，無砟軌道結(jié)構(gòu)已成為世界各國高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的主要選擇對象[3]。通過對我國對已開通運營無砟軌道線路使用情況的調(diào)查[4～17]，發(fā)現(xiàn)無砟軌道中出現(xiàn)了大量結(jié)構(gòu)性破壞，主要體現(xiàn)在層狀結(jié)構(gòu)之間連接失效及各層結(jié)構(gòu)的裂縫等。見表2。

無砟軌道病害常常發(fā)生于層狀結(jié)構(gòu)之間，特別是新舊混凝土接觸面，由于混凝土間的連接強度較弱，在車輛荷載的作用下導(dǎo)致層間離縫，最終引發(fā)其他病害。比如：CRTSⅠ型板式無砟軌道的CA砂漿層與軌道板之間的離縫，在雨水侵入與車輛荷載作用下會導(dǎo)致砂漿層翻漿冒泥甚至破壞；軌道板由于濕度和溫度變化產(chǎn)生變形，變形過大會導(dǎo)致CRTSⅡ型板式無砟軌道后澆筑的寬窄接縫接觸面斷裂或者寬窄接縫壓碎；CRTSⅢ型板式無砟軌道的軌道板與自密實混凝土間會發(fā)生離縫以及翻漿冒泥等病害；雙塊式無砟軌道道床板與預(yù)制混凝土軌枕之間產(chǎn)生松動，在列車荷載的作用下最終導(dǎo)致軌枕空吊，影響行車的平順性與安全性。

3 病害的主要原因和影響因素

3.1 混凝土耐久性

混凝土是無砟軌道的主體，其耐久性直接決定了無砟軌道的服役狀態(tài)?；炷羵麚p中最常見的就是開裂傷損，主要發(fā)生在軌道板、支撐層、道床板及與軌枕上。出現(xiàn)裂縫后，裂縫處混凝土的強度降低，雨水侵入，容易導(dǎo)致凍融破壞及鹽類腐蝕，在列車動載的作用下加劇劣化，最終失去承載能力，影響列車行車安全[18]。

鹽類腐蝕也是導(dǎo)致混凝土劣化的一個重要原因，環(huán)境中的氯離子通過擴散、滲透及毛細作用進入混凝土，與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋銹蝕，最終斷裂[19]；同時，在列車循環(huán)荷載的作用下，混凝土內(nèi)部會發(fā)生一系列的細觀微觀損傷，增加了氯離子的傳輸通道，最終導(dǎo)致鋼筋混凝土的氯鹽侵蝕加快[20]。

無砟軌道中大部分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，近海地區(qū)鐵路，比如：溫福鐵路、甬臺溫鐵路及海南環(huán)島高鐵等容易受到氯鹽侵蝕作用。

3.2 環(huán)境因素

環(huán)境因素是導(dǎo)致無砟軌道病害的一個常見原因，包括日照、雨水、濕度、溫度、腐蝕性介質(zhì)及風(fēng)沙等。Takahashi T等[21]對寒冷地區(qū)無砟軌道病害進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)暴露在陽光下的軌道板發(fā)生劣化的頻率更高，主要是由堿骨料反應(yīng)和凍害影響導(dǎo)致的。我國西南地區(qū)存在著酸雨現(xiàn)象，曾曉輝等[22]通過試驗發(fā)現(xiàn)酸雨會對CA砂漿產(chǎn)生嚴重破壞，導(dǎo)致砂漿層喪失承載能力。無砟軌道是直接暴露在大氣環(huán)境中，受溫度影響大，溫度荷載主要影響無砟軌道結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性，石現(xiàn)峰等[23]對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)在溫度作用下的影響進行仿真計算，發(fā)現(xiàn)溫度對板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的影響十分明顯，溫度越高，變形幅度越大。

3.3 列車動載作用

無砟軌道長期受到列車高強度動載作用，隨著服役時間的增加，軌道結(jié)構(gòu)在列車動載和環(huán)境因素的影響下結(jié)構(gòu)會逐漸劣化，最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，影響行車平順性及安全性。列車動載主要會影響氯離子在混凝土內(nèi)部的滲透性，動載增大，氯離子的滲透性能和滲透深度都會增加[24～25]；同時，列車動載作用會降低混凝土碳化耦合作用下的混凝土疲勞壽命及抗凍性能[26～27]。

4 病害的檢測和監(jiān)測技術(shù)

在列車荷載和環(huán)境因素的作用下，隨著運營期的增加，無砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的病害，對高速鐵路運行的平穩(wěn)性、舒適性及安全性帶來了威脅，如果不能及時發(fā)現(xiàn)無砟軌道的結(jié)構(gòu)病害，會給后續(xù)的維修工作增加難度和成本，同時軌道結(jié)構(gòu)的后續(xù)破壞會成為列車行車的安全隱患。高速鐵路站間距長、天窗時間短，傳統(tǒng)的人工巡檢已經(jīng)不能滿足高速鐵路工務(wù)的要求，近幾年出現(xiàn)了無損、快速、準確率高的相關(guān)檢測技術(shù)。

4.1 探地雷達法

探地雷達是一種電磁技術(shù)，主要原理是發(fā)射天線向地下發(fā)射電磁波，由于電磁波遇到介電參數(shù)差異的目標體時會發(fā)生反射，接收天線接收并記錄反射信號，最后根據(jù)接收的雷達波形、電磁場強度、振幅、頻譜特征和雙程走時等參數(shù)來推斷混凝土中的情況[28]。見圖2。

通過對探地雷達正演數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，探地雷達能夠很好地檢測CA砂漿層的破損、裂縫、填充狀態(tài)及CA砂漿和軌道板件離縫[29～30]；同時，探地雷達對鋼筋混凝土層間密實和鋼筋結(jié)構(gòu)等內(nèi)部缺陷的檢測也具有較好效果[31～ 32]。

4.2 超聲波檢測

超聲波脈沖在軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部進行傳播，遇到內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷時會發(fā)生反射、折射以及繞射，導(dǎo)致超聲波的波形及波速的改變，通過對超聲探頭接收回波信號進行分析可以知道混凝土內(nèi)部的缺陷[33]。見圖3。

超聲檢測在高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)裂縫檢測中主要用于混凝土表面裂縫的檢測，裂縫深度位于50～250 mm之間檢測精度最高[34～35]；同時，對CA砂漿層的內(nèi)部缺陷及砂漿層與軌道板間離縫的檢測準確度高[36～37]。

4.3 光纖監(jiān)測技術(shù)

光纖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在隧道變形監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用[38～39]?，F(xiàn)場應(yīng)用表明，分布式光纖的微應(yīng)變監(jiān)測效果良好，能很好反應(yīng)隧道變形狀態(tài)。有學(xué)者[40]提出在自密實混凝土澆筑過程中將光纖布設(shè)在自密實混凝土內(nèi)，通過分布式光纖應(yīng)變傳感器來監(jiān)測自密實混凝土內(nèi)部的脫空位置。見圖4。

5 結(jié)論

我國的無砟軌道類型眾多，針對不同類型無砟軌道病害的研究現(xiàn)狀和進展，介紹了各種無砟軌道產(chǎn)生的病害類型；導(dǎo)致無砟軌道病害的原因眾多，最主要的是混凝土耐久性降低，與無砟軌道是以混凝土為主體結(jié)構(gòu)的事實相符。無砟軌道傷損會對車輛-軌道系統(tǒng)造成嚴重的影響，比如振動、噪聲甚至脫軌等，嚴重影響列車行車的舒適性和安全性。近些年，無砟軌道的無損檢測發(fā)展迅速，但是隨著高速鐵路線網(wǎng)的不斷擴大，智能化監(jiān)測技術(shù)可能是未來無砟軌道病害研究的重點。

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收稿日期：2023-06-04

課題項目：天津市交通運輸科技發(fā)展計劃項目（2022-37）

作者簡介：李晟（1975 - ）， 男， 學(xué)士， 遼寧沈陽人， 高級工程師， 從事城市軌道交通運營安全管理工作。