雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱整治技術研究

蔡培堯，姜子清，劉 浩，張文達，馬穎偉

（1.中國鐵路廣州局集團有限公司，廣東廣州 510088；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；3.中國鐵路濟南局集團有限公司工務部，山東濟南 250001）

雙塊式無砟軌道結構以其高穩定性、高平順性、少維修的特點在我國高速鐵路建設中得到了廣泛應用［1-2］。截至目前，已投入運營的武廣高速鐵路、鄭西高速鐵路等都采用或者部分采用雙塊式無砟軌道結構［3］，部分在建或擬建的線路，如貴南、漢十、鄭萬等29條線路鋪設8 529 km的雙塊式無砟軌道。

雙塊式無砟軌道采用橋上單元、路基上連續的總體鋪設方案。根據雙塊式無砟軌道通用參考圖，在路橋過渡段，為加強道床板端部的穩定性，對道床板端部錨固結構進行了加強，在軌枕正下方設置2 個間距為5 m 端梁。同時，為了約束溫度荷載下路橋過渡段范圍內道床板的伸縮變形，在橋梁側道床板起點至第2 個端梁向路基側20 m 范圍內，在道床板下設置鋼筋混凝土底座，并在2 個端梁之間及第2 個端梁向路基側20 m 范圍內布置門形聯結鋼筋［3］。然而，在較早開通運營的高速鐵路線路如武廣高速鐵路，在路橋過渡段處，根據臺后路基處理情況在距橋臺5～10 m范圍內設置端梁結構，道床板直接澆筑在支承層上［4-6］。由于軌道結構斷開，在溫度荷載作用下連續道床板將存在較大的溫度縱向力，若道床板與支承層間連接狀態不良，容易形成由端梁發生變形引起的道床板上拱現象，嚴重時影響線路的平順性，影響列車安全運行［7-11］。

基于此，本文通過雙塊式無砟軌道使用狀態現場調查，結合雙塊式無砟軌道結構特點及傳力特性，對路橋過渡段道床板上拱成因進行了分析；應用有限單元法，對路橋過渡段范圍內道床板上拱變形規律開展了研究，分析層間摩擦因數、溫度荷載、端梁錨固鋼筋等對道床板上拱變形的影響；在此基礎上提出雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱整治對策和工藝流程，介紹了現場實際應用的實施效果，以期為我國高速鐵路雙塊式無砟軌道類似病害的養護維修提供借鑒及參考。

1 路橋過渡段道床板上拱原因及影響因素分析

路基地段雙塊式無砟軌道為縱向連續結構，夏季持續高溫導致道床板內溫度升高，使得路基端部端梁附近易出現連續道床板與支承層分離上拱現象［12］，見圖1。根據運營實踐可知：某雙塊式無砟軌道路基地段端梁附近道床板相對支承層發生上拱變形，在靠近端梁2 m范圍內的道床板最大上拱值約6.5 mm，2～3 m范圍內最大上拱值約2.5 mm，在3～5 m 道床板與支承層間離縫現象逐漸消失［13］。

對于路橋過渡段位置處雙塊式無砟軌道，當道床板施工溫度一定時，隨著板內溫度的升高，道床板內的縱向溫度力將逐漸增大。若道床板與支承層間的接觸狀態不良，道床板內部分縱向溫度力將傳遞給端梁結構，從而引起道床板上拱變形。

圖1 路橋過渡段道床板上拱

1.1 道床板上拱原因分析

通過現場調研獲得路橋過渡段雙塊式無砟軌道道床板上拱變形情況，并結合軌道結構縱連特征，對可能引起道床板上拱的原因進行分析，主要得到以下4個方面：

1）道床板與支承層黏結強度較低

在路橋過渡段處支承層施工完成后和道床板澆筑之前這段時間內，由于施工車輛、行人等原因導致拉毛破損、泥土殘留，致使一定長度范圍內道床板和支承層的層間黏結強度減小，二者可以在縱向上相對滑動。

2）道床板整體升溫較大且端部伸長

道床板整體升溫后，道床板端部一定長度范圍內發生伸長，若道床板縱向伸長完全受阻，則道床板將受到整體壓應力。

3）道床板施工溫度低，高溫時道床板內溫度力過大。

4）臺后施工縫未按要求施工，縫內存在混凝土硬塊；支承層頂面作為無砟軌道施工運輸通道，表面粗糙度降低；端梁施工存在缺陷，與道床板連接不牢固。

1.2 道床板上拱影響因素分析

采用有限單元法，結合路橋過渡段雙塊式無砟軌道道床板、端梁、支承層及路基土層之間的力學相互作用關系，建立了道床板上拱變形計算模型，如圖2所示［6，8］。

圖2 路橋過渡段道床板上拱變形計算模型

模型中端梁橋梁側道床板為自由端，端梁路基側道床板為固定端［9-10］。支承層、級配碎石層及A，B 填料層對道床板的垂向支撐作用采用非線性彈簧模擬；道床板與支承層間采用縱垂向受壓不受拉的非線性彈簧模擬，并考慮結構自重的影響；支承層、級配碎石層及A，B 填料層對端梁的縱向阻力作用均采用非線性彈簧模擬；A，B 填料層對端梁底面的垂向阻力作用亦采用非線性彈簧模擬；錨固銷釘對道床板的縱向、垂向阻力作用均采用線性彈簧模擬。模型長度取為100 m。路橋過渡段道床板上拱計算中，線路軌道采用CHN60 鋼軌，扣件縱向阻力15 kN/m/軌，垂向剛度50 kN/mm，其他參數見表1。

表1 路橋過渡段道床板上拱計算參數

模型中荷載為溫度荷載且只考慮升溫工況?；炷寥肽囟瓤刂圃?～30 ℃，且不應高于當地60年內統計的最低氣溫加40 ℃。路基支承面剛度取76 MPa/m，路基對端梁的橫向支承剛度和道床板的垂向支承剛度根據路基支承面剛度及單元劃分大小確定。當端梁發生垂向位移時，認為路基土體對端梁有一定的摩擦阻力，土體與端梁的摩擦因數取0.2。

1）層間摩擦因數影響分析

取不同的道床板與支承層間摩擦因數，對溫度荷載下道床板上拱變形進行分析。道床板與支承層間摩擦因數分別取0.2，0.5，0.8，1.0，5.0，道床板整體升溫30 ℃時的計算結果見圖3。

圖3 不同摩擦因數下道床板上拱變形曲線

根據圖2中的計算結果，提取不同摩擦因數下道床板上拱范圍及位移最大值，匯總結果見表2。其中，為保證道床板與支承層間的可靠黏結，道床板相對支承層的最大伸縮量應小于層間黏結失效時的極限位移0.5 mm。因此，道床板伸縮區長度按照板滑移量為0.5 mm時的位置進行取值。

表2 不同摩擦因數下道床板上拱范圍及最大位移

由表2可知，隨著摩擦因數的增大，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱位移、道床板伸縮區長度及發生上拱的范圍均減小。層間摩擦因數為0.5 時，道床板上拱最大值為8.28 mm；摩擦因數為1.0 時，上拱最大值為7.36 mm。隨著摩擦因數的繼續增加，道床板上拱變形最大值逐漸降低，層間摩擦因數為5.0 時上拱最大值減小為1.54 mm。

2）溫度荷載影響分析

道床板與支承層間為摩擦接觸狀態且摩擦因數取0.5，考慮道床板整體升溫，升溫幅度分別為20，30，40，45 ℃時道床板上拱變形曲線見圖4。

圖4 不同溫度作用下道床板上拱變形曲線

由圖4可知，升溫幅度對道床板上拱位移量影響較大，而對道床板上拱范圍的影響較小。

不同升溫幅度下道床板縱向、垂向位移曲線見圖5。

圖5 不同升溫幅度下道床板縱、垂向位移曲線

由圖5可知，在縱向溫度力的作用下，道床板上拱最大值發生在端梁路基側距端梁一定范圍內，隨著升溫幅度的增加，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱量均明顯增大。當道床板整體升溫20 ℃時上拱最大值為2.73 mm，整體升溫45 ℃時上拱最大值已達到23.60 mm。

3）錨固銷釘影響分析

錨固銷釘具有抵抗道床板與支承層間相對位移產生的剪切力和上拔力的能力，有利于保持道床板的整體性和穩定性［4，12］?？紤]道床板整體升溫45 ℃、層間摩擦因數取0.5，在道床板端梁后布置錨固鋼筋，銷釘縱向間距為0.65 m，從道床板自由端起布置范圍分別取5，10，20，30 m。不同錨固方案下道床板上拱變形曲線見圖6。

圖6 不同錨固方案下道床板上拱變形曲線

由圖6可知，錨固銷釘可有效減小溫度荷載作用下的道床板上拱位移量。當在道床板20 m 范圍內錨固銷釘時，上拱變形最大值約為0.93 mm，較未布置銷釘時上拱變形量大幅降低，上拱范圍減小到4 m 左右；當銷釘錨固范圍大于20 m 時，道床板上拱變形的差異較小。因此，當采用錨固銷釘進行道床板上拱整治時，可結合軌道結構特點、氣溫條件，并參考本文計算結果，合理選擇銷釘錨固數量及布置方案。

2 道床板上拱整治技術

針對路橋過渡段道床板上拱病害，結合前文理論分析得到的道床板上拱變形規律，對道床板上拱整治技術進行研究，提出了銷釘錨固加強的整治方案，并介紹了該方案在一特大橋臺后過渡段道床板上拱整治中的成功應用情況［12］。

2.1 道床板上拱預加固技術方案

由前文分析結果可知，錨固銷釘可以加強道床板與支承層間的整體性，緩解較大溫度力作用下端梁變形引起的道床上拱變形。因此，可以將錨固銷釘作為道床板上拱的預加固措施。具體技術方案如下：

1）徹底清理臺后道床板伸縮縫，移除縫內一切雜物，必要時應對道床板混凝土進行切割，使伸縮縫寬度滿足要求。清理后在伸縮縫內重新填充泡沫板，并用嵌縫材料將伸縮縫從頂面和側面進行密封，且嵌縫材料厚度不小于20 mm。

2）在道床板內植入鋼筋，其布置方式如圖7所示。

圖7 道床板上拱預加固銷釘布置方式

3）在橋臺后第2，6號及端梁后第10，11，13，16，20號軌枕盒內植入鋼筋，每軌枕盒植入1 排，每排4 個。錨固銷釘鉆孔前應先采用鋼筋探測儀對道床板內鋼筋位置進行探測，并根據探測結果對鉆孔位置進行適當調整，鉆孔須貫穿道床板并深入支承層一定深度。

2.2 路基端部道床板上拱整治措施

針對路橋過渡段道床板上拱的原因分析及理論計算結果，研究并提出了道床板上拱整治技術方案，具體如下：

1）徹底清理臺后道床板伸縮縫，移除縫內一切雜物。清理后按設計重新填充泡沫板，并用密封膠進行密封。

2）在道床板內植入銷釘，銷釘布置方式如圖8所示。

圖8 橫斷面銷釘布置（單位：mm）

①路橋分界點至端梁范圍內：除第1，4 個軌枕盒及端梁范圍內不植入銷釘外，其他軌枕盒內按“3+2+3+2+…”（軌枕盒內植入銷釘數量按3 根和2 根間隔植入）的方式植入銷釘。

②端梁往后20 m 范圍內：除端梁范圍內部植入銷釘外，其他軌枕盒內按“3+2+3+2+…”（軌枕盒內植入銷釘數量按3根和2根間隔植入）的方式植入銷釘。

③端梁往后20～40 m 范圍內：軌枕盒內按“3+2+0+3+2+0+…”（軌枕盒內植入銷釘數量按3根、2根和0根間隔植入）的方式植入銷釘。

3）對于道床板與支承層離縫可采用注漿，注漿要求可參考鐵運〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則（試行）》［14］；待達到一定強度后再在該段植入銷釘，每軌枕盒植入1排。

4）對軌道重新進行調整，使其平順度滿足要求。

3 結論

通過對雙塊式無砟軌道路橋過渡段道床板上拱問題及整治技術的研究，主要得到以下結論：

1）由道床板上拱成因分析及參數影響分析可知，降低道床板溫度、增大道床與支承層間黏結強度或摩擦因數能有效減小道床板的上拱位移量；布置錨固銷釘能有效控制溫度荷載下的道床板上拱變形。

2）隨著道床板與支承層間摩擦因數的增大，溫度荷載下的道床板縱向伸縮位移、垂向上拱位移、伸縮區長度及上拱范圍均明顯減小。當層間摩擦因數為1.0 時，道床板上拱位移最大值為7.36 mm；摩擦因數增大至5.0時，上拱變形最大值減小為1.54 mm。

3）升溫幅度對道床板上拱變形的影響較大，當道床板整體升溫30 ℃時，上拱位移最大值已達到8.82 mm；隨著升溫幅度的增加，道床板縱向伸縮位移、垂向上拱量隨之增大。

4）錨固銷釘具有抵抗道床板與支承層間相對位移產生的剪切力和上拔力的能力，合理的銷釘布置能夠有效解決因道床板上拱引起的軌道結構整體性與穩定性問題。當在道床板20 m 范圍內錨固銷釘時，上拱變形最大值約為0.93 mm，較未布置銷釘時上拱變形量大幅降低，上拱范圍減小至4 m左右。

5）雙塊式無砟軌道端梁位置處結構差異造成溫度力不平衡，容易引起軌道結構上拱。當設置錨固銷釘后，特殊情況下道床板可能會與下部混凝土底座同時變形。建議在錨固區段考慮擋塊、栓釘等豎向約束，并結合當地氣象條件合理設計端梁結構，以保證結構的穩定和安全。