高速铁路CRTSⅢ型先张轨道板质量控制关键技术探讨

栗恒满

(郑西铁路客运专线有限责任公司，郑州 450008)

高速铁路CRTSⅢ型先张轨道板质量控制关键技术探讨

栗恒满

(郑西铁路客运专线有限责任公司，郑州 450008)

通过对高速铁路CRTSⅢ型双向先张预应力轨道板初张拉和终张拉过程完成后单根预应力筋张拉力的测试分析，提出“初张拉控制均匀性、终张拉控制总张拉力”的控制理念，并提出初张拉力值偏差应控制在3 kN以内。针对轨道板早期脱模特点，提出胶凝材料粒度匹配和活性激发技术;为减少板底浮浆、实现骨料适量自然外露，提出减小混凝土坍落度、多层连续浇筑的技术措施。

高速铁路；无砟轨道；先张板；预应力；生产工艺

我国前期对双向后张法预应力轨道板开展了系统研究，并在沪宁、哈大、广深港等CRTSI型和成灌、盘营、沈丹等CRTSⅢ型板式无砟轨道线路推广应用[1-3]。相比而言，双向先张法预应力轨道板研究相对较少，国外亦无规模化应用先例。为丰富轨道板预应力体系，完善无砟轨道系统技术，我国近期开展了具有自主知识产权的双向先张法预应力轨道板系统研究[1，4，5]，形成了设计和制造技术，并在西宝客专CRTSⅢ型先张板式无砟轨道试验段系统验证基础上，在郑徐客专全面推广应用。

郑徐客专全长361.937 km，其中CRTSⅢ型板式无砟轨道345.760 km，铺设各型双向先张预应力轨道板共计12.72万块。主型轨道板P5600长5 600 mm，宽2 500 mm，厚200 mm；轨道板纵横向均施加预应力，纵向配置16根φ10 mm预应力筋，截面中心对称布置；横向配置24根φ10 mm预应力筋，截面中心布置；轨道板顶面和底面配置普通钢筋，形成骨架。目前，轨道板制造采用“矩阵单元”生产工艺，由于前期工程经验较少，结合郑徐客专双向先张预应力轨道板的首次规模化生产，深化预应力施加等关键工序质量控制技术研究，对完善双向先张预应力轨道板生产工艺、保证成品轨道板质量具有重要意义，并可为后续工程提供参考。

1 双向先张预应力轨道板生产工艺

CRTSⅢ型双向先张预应力轨道板采用“矩阵单元”生产工艺，每个张拉台座设置8块轨道板模板，呈“2×4矩阵”布置；轨道板预应力筋定长下料，端部不露出轨道板侧面，两端通过螺纹与张拉杆相连；相邻模板对应张拉杆之间设置连接器，实现张拉端张拉梁与固定端反力墙之间传力的连续性。根据端侧模与底模的组合方式，轨道板模板分为原位型和随动型两种，以随动型模板为例，其生产工艺如图1所示。

图1 双向先张预应力轨道板生产工艺

(1)底模清理：采用清模工具清除承轨槽、预埋件安装位置等的杂物；

(2)预埋套管及螺旋筋安装：将扣件预埋套管及配套螺旋筋牢固安装在底模定位销上，避免混凝土振动成型时上浮；

(3)钢筋骨架与端侧模组装：在专业作业区将普通钢筋骨架及预应力钢筋吊入端侧模内，并完成各预应力筋与张拉杆组装；

(4)端侧模及钢筋骨架安装：将钢筋骨架与端侧模整体吊入张拉台座，并将端侧模通过螺栓锁紧于底模上；

(5)连接器安装：在张拉端、固定端及模板间安装连接器，实现张拉端和固定端传力的连续性；

(6)初张拉：采用单根张拉设备，逐根张拉预应力筋至张拉控制值的30%，消除系统间隙，为终张拉过程提供相对均匀的基准；

(7)终张拉：在张拉端采用张拉梁，整体均匀缓慢张拉预应力筋至张拉控制值，持荷后锁紧；

(8)混凝土浇筑：轨道板混凝土逐模浇筑、逐模振动；

(9)轨道板养护：轨道板混凝土采用蒸汽养护方式，分为静置、升温、恒温和降温4个阶段，并保证升降温速率和轨道板芯部温度不超过55 ℃；

(10)预应力放张：混凝土强度达到48 MPa、弹性模量大于3.4×104MPa以上，采用张拉梁进行整体缓慢放张；

(11)拆除连接器：依次拆除张拉端、固定端及模板间连接器；

(12)轨道板及端侧模吊离：解除端侧模与底座之间的紧固螺母，将轨道板、端侧模及张拉杆一起吊离张拉台座；

(13)拆除张拉杆：在专用台座上进行张拉杆的拆卸，并打开端侧模，实现轨道板完全脱模；

(14)封锚：进行锚穴清理并喷涂界面剂，填压封锚材料；

(15)水养：封锚材料达到一定强度、轨道板表面温度与养护水温之差小于10 ℃时，将轨道板吊入水养池进行水中养护；

(16)存放：轨道板水养3 d以上并检验合格后，运至存板区存放，并湿润养护至10 d以上。

在整个生产工艺流程中，轨道板及端侧模吊离张拉台座后，即可进行底模清理，进入下一“台座内循环”；张拉杆拆卸和轨道板完全脱模、端侧模清理、钢筋骨架与端侧模组装等工序均在相应作业区完成，实现“台座外循环”；通过端侧模与底模的合理配置，可实现台座内、外循环的有序衔接，有效减少张拉台座占用时间，提高生产效率。

对于双向先张预应力混凝土轨道板生产过程各工序而言，预应力施工工序直接影响轨道板有效预压应力，进而影响轨道板的承载能力和耐久性；而预应力偏心则可导致轨道板初始翘曲变形，影响承轨槽的直线度和平面度，严重时可能影响轨道板的正常使用，因此，预应力施加是轨道板质量控制的关键技术之一。混凝土的制备和浇筑直接影响轨道板的实体质量，轨道板底面粗糙度和浮浆层则影响轨道板和自密实混凝土层之间的粘结，进而影响复合板的受力特性和耐久性，是轨道板质量控制的另一关键技术。因此，双向先张预应力轨道板生产应加强预应力施加和混凝土浇筑工序的质量控制和研究。

2 预应力工程质量控制关键技术

双向先张预应力轨道板预应力筋单根张拉控制值为80.0 kN，张拉过程分为初张拉和终张拉两个阶段，初张拉在固定端单根张拉实现，张拉至控制值的30%，即24.0 kN；终张拉在张拉端通过张拉梁整体张拉实现。为保证预应力的有效施加，张拉梁和台座变形量均按1.0 mm进行控制。

2.1 初张拉与终张拉相关性研究

以P5600型轨道板为例，在张拉台座内，轨道板横向对应一块轨道板长度设置一根张拉梁，轨道板纵向对应每两块轨道板宽度设置一根张拉梁，某板场典型台座单根预应力筋初张拉力和最终张拉力测试结果如图2所示，终张拉力(终张拉过程施加于预应力筋的力)即最终张拉力和初张拉力之差统计分析结果如图3所示。

图2 轨道板纵横向预应力钢筋张拉测试结果

图3 终张拉力值统计结果

由图2和图3测试结果可知：

(1)由于张拉梁和台座变形量均按1.0 mm进行控制，抗弯刚度较大，单根预应力筋最终张拉力与初张拉力值具有较好的一致性；

(2)单根预应力筋终张拉力统计分析可知，其平均值为54.89 kN，标准差为2.38 kN，变异系数为0.043，终张拉力离散性较小。

由上述分析可知，预应力筋最终张拉力对初张拉力值具有较好的继承性；同时，由于终张拉过程完成后，进行单根预应力筋最终张拉力的采集和均匀性分析需要设置大量传感器和配套采集系统，既增加了前期投入，又容易造成轨道板制造过程中传感器和线路的损坏，可操作性不强。藉此，宜通过初张拉过程控制，保证单根预应力筋最终张拉力的均匀性；同时，预应力筋最终张拉力还与张拉台座摩阻等参数有关，其影响可通过终张拉过程张拉力的修正实现，因此，可通过终张拉过程控制，保证轨道板总体张拉力。

2.2 初张拉力值偏差研究

典型台座单根预应力筋最终张拉力Ft、初张拉力值Fc及终张拉力值Fz的统计分析如图4所示，由图可知，三者均服从正态分布，而初张拉和终张拉是两个相互独立的过程，因此，可以认为Ft的正态分布特性是由Fc和Fz两个相互独立的正态分布特性叠加的结果。

注：图中F分别代表Fc、Fz及Ft的数学期望。图4 预应力筋张拉力值统计分析

根据TJ/GW 118—2013[6]要求，实测单根预应力筋最终张拉力与张拉控制值偏差不应大于10.0%，即8.0 kN，因此，对于Ft～N(Ft，σt)，根据“3σ规则”，可得σt=2.67 kN；而对于Fz～N(Fz，σz)，根据实测数据的统计分析，σz=2.38 kN；所以，对于Fc～N(Fc，σc)有

同样，根据“3σ规则”，可认为初张拉力值偏差控制在3.63kN以内，能够满足最终张拉力偏差8.0kN的控制要求。考虑现场可操作性，建议初张拉力值偏差按3.0kN进行控制。

3 混凝土工程质量控制关键技术

混凝土制备及浇筑是影响混凝土及预应力混凝土结构实体质量的关键因素。对于CRTSⅢ型板式无砟轨道系统而言，双向先张预应力轨道板用混凝土应满足：① 均匀密实，保证结构受力及预应力筋与混凝土之间的粘结锚固；② 振动成型后，轨道板底面粗糙，保证轨道板与自密实混凝土粘结，实现复合板的协同工作；③ 较高的早期强度和弹性模量，减小脱模时间，提高生产效率。目前，国内外混凝土质量控制及原材料对混凝土强度和弹性模量的影响规律已有大量研究成果，仅从CRTSⅢ型板式无砟轨道系统需求出发，针对增强复合板层间粘结，从混凝土配合比设计及浇筑和振动工艺进行探讨。

(1)配合比设计

为保证轨道板混凝土具有较高的早期强度，并且不影响耐久性，宜采用功能化胶凝材料的途径，即在水泥中掺入复合掺和料，使水泥和复合掺和料构成的胶凝材料体系具有较好的级配组成和活性。通过活性矿物掺和料的增强效应、填充效应、增塑效应和温峰削减效应，提高和改善轨道板混凝土力学性能和耐久性能。

考虑到双向先张预应力轨道板混凝土需要在16h左右的较短时间内达到脱模强度，即需要混凝土中胶凝材料在较短时间内发生水化而获得强度，而较高的水化热能够加速胶凝材料的水化反应速率。因此，应采用具有较高水化活性的矿物掺和料或添加能够促进矿物掺和料水化反应的活性激发组分，以充分发挥矿物掺和料的“超叠加效应”，满足轨道板早期脱模要求。同时，复合掺和料的掺加，有利于降低胶凝材料用量，减少轨道板底面浮浆。

(2)混凝土浇筑及振动

CRTSⅢ型双向先张预应力轨道板混凝土浇筑采用布料机方式，以实现布料均匀，轨道板混凝土目前多分两层连续浇筑，每层各50%左右。为保证轨道板外观质量，混凝土坍落度相对较大，一般在120mm左右，成品轨道板底面浮浆普遍存在，而轨道板底面粗糙度主要通过拉毛方式实现，且拉毛质量参差不齐。

为尽可能减少轨道板底面浮浆并实现骨料的适量自然外露，宜通过优化混凝土配合比减小坍落度的途径实现；同时可调整混凝土布料方式，将两层连续布料优化为多层连续布料，如50%、40%和10%组合的三层布料方式等，适度减小上层混凝土的浇筑厚度；此外，还应结合板场具体条件，在正式生产前，深化混凝土坍落度、模板刚度、支座刚度、振动频率、振幅及振动时间等参数研究，确定相关工艺参数，并结合混凝土原材料及季节等变化，适时调整，以实现较好的板体和板底质量。

4 结论

通过对高速铁路CRTSⅢ型双向先张预应力轨道板生产工艺及关键工序质量控制技术的研究和分析，得到如下主要结论：

(1)在张拉台座和张拉梁具有较高的抗弯刚度时，单根预应力筋最终张拉力与初始张拉力具有较好的一致性，藉此提出了“初张拉控制均匀性、终张拉控制总张拉力”的控制理念。

(2)为满足单根预应力筋最终张拉力与张拉控制值偏差不大于8.0kN的技术要求，初张拉力值偏差应控制在3.0kN以内；

(3)轨道板混凝土宜采用功能化胶凝材料的途径，掺加复合掺和料，使胶凝材料体系具有较好的级配组成和活性，从而加速胶凝材料水化反应速率，满足轨道板早期脱模要求；

(4)宜通过减小混凝土坍落度和多层布料方式实现轨道板底面骨料适量自然外露，增加轨道板底面粗糙度，并减少浮浆。

[1] 王梦，杨全亮，王继军，等.高速铁路先张法轨道板预应力传递长度研究[J].中国铁道科学，2015，36(1):48-53．

[2] 李阳春.武汉至咸宁城际铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道技术[J].铁道工程学报，2013(4):51-55．

[3] 高亮，赵磊，曲村，等.路基上CRTSⅢ型板式无砟轨道设计方案比较分析[J].同济大学学报：自然科学版，2013，41(6):848-855．

[4] 施成，王继军，王梦，等.先张法轨道板预应力传递长度的关键影响因素研究[J].铁道建筑，2015(2):96-100．

[5] 林晓波.先张法预制轨道板振捣技术研究[J].铁道建筑技术，2014(11):100-102．

[6] 中国铁路总公司.TJ/GW118—2013高速铁路CRTSⅢ型板式无砟轨道先张法预应力混凝土轨道板暂行技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2013．

An Approach to Key Techniques for Quality Control of CRTSⅢ Pre-stressed Track Slab of High Speed Railway

LI Heng-man

(Zhengzhou-Xi’an Passenger Dedicated Railway Co.， Ltd.， Zhengzhou 450008， China)

The concept of “Uniformity is controlled by initial stressing， and total stressing is controlled by final stressing” is brought forward based on test analysis of the stress force of a single pre-stressed bar after double directional initial stressing and final stressing of CRTS III track slab. The analysis results show that the allowance of initial stressing shall be controlled within 3 kN， and the combination of matching grain of cementing material with reactive excitation for early demoulding is proposed. To minimize laitance on base board and achieve appropriate amount of aggregate naturally exposed. such measures as cutting down concrete slum and multi-layer concreting are suggested.

High speed railway; Ballastless track; Pre-stressed track slab; Pre-stressing; Production proccesses

2015-05-04

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G003-B，2014G001-B)

栗恒满(1963—)，男，高级工程师。

1004-2954(2015)10-0038-04

U238； U213.2+44

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2015.10.009