CRTSⅠ型板式轨道快速注浆抬升方案研究

陈醉，杨荣山，汪杰

CRTSⅠ型板式轨道快速注浆抬升方案研究

陈醉1, 2，杨荣山1, 2，汪杰1, 2

(1. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

针对CRTSⅠ型板式轨道超出扣件系统调整范围的基础沉降，提出快速、有效的轨道板注浆抬升修复方案。采用有限元法分析轨道板顶升过程中轨道结构受力特性，研究不同抬升位置和抬升高度对结构安全的影响，并提出合理的抬升方案。研究结果表明：轨道板抬升过程中，底座板受力较小，伸缩缝对其受力无明显影响；钢轨对轨道板受力影响较大，在不拆除扣件系统的条件下直接在轨道板板中单点抬升轨道板，其上表面有开裂的风险。因此，在抬板注浆过程中，为减小轨道板受力，注浆前宜拆除扣件系统；若保留扣件系统，宜采用相邻双板端部同步抬升轨道板或单板1号和4号抬升孔同步抬升轨道板的施工方案。

CRTSⅠ型板式轨道；抬升；注浆；快速修复；有限元法

CRTS I型板式轨道(以下简称“Ⅰ型板”)是我国无砟轨道结构形式之一，主要由钢轨、扣件、轨道板、CA砂浆、凸台和底座板等结构组成，因其结构简单、施工与维护方便等特点，在我国具有较长的里程铺设[1−3]。根据运营线路的现场调研，我国I型板的总体使用情况良好，但受大规模施工作业、多变的下部基础和经时效应下的结构退化等因素限制，在列车荷载和环境因素的长期作用下，已出现路基地段道床不均匀沉降的病害[4−5]。由于高速铁路的基础变形速率不大，在运营过程中，持续较小的基础变形可通过扣件系统来调整。与I型板匹配WJ-7扣件的高低调量为−4~+30 mm，但施工时会用掉一部分扣件调量，实际运营时的扣件调量已不足30 mm[6−7]。一旦基础变形超出扣件调量，就需要在扣件调高用尽后进一步调整道床标高。本文研究基础变形超出扣件调量时的工况。针对调整道床标高的修复方法，当前主要有路基注浆、基床表层注浆和砂浆层厚度调整等[8−12]。路基注浆法虽满足高速铁路的加固要求，但注浆过程工序复杂，不易控制精度，且存在路基上拱的风险[13]。调整砂浆层厚度的修复方法因其施工简便、精度高的特点，可满足无砟轨道高平顺性的要求。该方法主要有灌注快硬水泥砂浆、填充预制树脂、叠灌特种快硬CA砂浆等方式，在灌注填充材料前需拆除扣件系统，通过特定装置将轨道板抬升至目标高度[9−10]。采用该方法抬升轨道板，操作要求高，工序复杂。基于上述不足，本文提出灌注快硬高强度材料的注浆方法抬升轨道板。当轨道板抬升到位后，灌注的浆料在板底形成永久支撑，再填注快速修复砂浆，达到对轨道板快速抬升修复的目的。该方法不需要额外的抬升装置，仅通过灌浆设备就能完成抬升灌注修复，装备简单，优点突出。为了分析注浆抬升对轨道结构的影响，通过有限元法对Ⅰ型板抬升过程进行力学仿真计算，分析不同注浆抬升位置和钢轨对轨道结构的受力影响，并提出合理的Ⅰ型板注浆抬升方案。

1 计算模型与参数

根据Ⅰ型板的结构特点，建立力学模型，如图1所示。

图1 力学模型图示

模型中，采用Euler梁单元模拟钢轨，线性弹簧单元模拟扣件，以实体单元模拟轨道板、凸台、底座板等部件。由于钢轨的作用，轨道板间存在相互作用，为全面分析注浆抬升对轨道结构的影响，建立6块轨道板进行力学分析，并考虑预应力钢筋的影响[14]。底座板端部的伸缩缝仅考虑受剪；轨道板与底座板、凸台的约束简化为具有单向压缩功能的非线性弹簧，模拟CA砂浆、树脂的弹性支承刚度，其力−位移关系曲线分别由弹性模量等效转换获得[3]，如图2所示(位移以弹簧受拉为正，受压 为负)。

图2 弹簧力-位移参数曲线图示

模型主要计算参数如表1所示。

表1 主要计算参数

2 轨道板抬升检算

根据实际施工情况，Ⅰ型板上有4个抬升孔(如图3所示)，在轨道板下方注浆，单次最大抬升高度为10 mm。为了达到施工简便的目的，暂不拆除扣件系统，即存在钢轨的约束作用。针对轨道板抬升分布，设置4个工况：

1) 单板中部(2号抬升孔)抬升；

2) 单板端部(4号抬升孔)抬升；

3) 相邻双板中部(2号抬升孔)同步抬升；

4) 相邻双板端部(4号抬升孔)同步抬升。

以工况1为例，经仿真计算，在抬升高度10 mm条件下轨道板上表面拉应力、下表面压应力分布如图4~5所示。

图3 抬升孔分布

图4 轨道板上表面拉应力分布

图5 轨道板下表面压应力分布

图中不同颜色代表不同应力的量值，颜色越深，应力值即越大。计算结果表明，在轨道板下方注浆，顶升轨道板会造成上表面受拉的情况，轨道板在抬升过程中的最大拉、压应力分别位于上表面、下表面抬升点周围。由于钢轨的连接作用，相邻轨道板也有少量的抬升位移，其应力集中于抬升点附近，导致该点应力值偏大。Ⅰ型板所用C60混凝土抗拉、抗压强度标准值分别为2.85 MPa与38.5 MPa[15]，故可以轨道板表面该点的应力作为判断依据，分析抬升方案的合理性。经计算，4种工况下抬升孔周围最大拉、压应力值如表2所示。

表2 轨道板最大拉、压应力值

结果表明，抬升点位于板中时，轨道板应力值最大。分别对比工况1和3，工况2和4结果发现，若采用双板同步抬升的方案，相邻的抬升板会相互承担应力，故应力值较小。因此，若不拆除扣件，采用双板同步抬升的方案对轨道板受力影响较小。4种工况的轨道板下表面压应力远小于抗压强度标准值，故现场抬升轨道板可忽略压应力的影响。抬升高度10 mm条件下，若采用板中抬升的方案(工况1和3)，轨道板上表面最大拉应力超过强度限值，虽然轨道板有一定的预应力，但上表面仍有开裂风险；若采用板端抬升的方案(工况2和4)，轨道板最大拉应力能满足强度要求，故现场可采用此方案抬升轨道板。相比于单板抬升(工况2)，相邻双板同步抬升的方案(工况4)对轨道板受力更有利。因此，若不拆除扣件，现场宜采用相邻双板端部同步抬升的方案。

2.1 底座板伸缩缝的影响

Ⅰ型板的底座为现浇钢筋混凝土结构，为了能够有效满足底座板变形的要求，通常会在端部之间设置伸缩缝，使底座板能在纵向自由伸缩，并起到连接的作用。伸缩缝仅传递底座板剪力，但无承受纵向力与弯矩的作用，因此，其结构强度比其他部分较弱。为研究轨道板抬升过程中伸缩缝处底座板受力情况，以工况1为例，分析抬升高度10 mm，抬升板位于底座板端部时，底座板上表面拉应力分布如图6所示。

图6 底座板上表面拉应力分布

结果表明，受Ⅰ型板凸台结构的影响，伸缩缝于凸台边界周围会出现拉应力集中现象，抬升板位于底座板中部与端部时底座板上表面最大拉、压应力如表3所示。

表3 底座板上表面最大拉、压应力值

结果表明，在轨道板抬升过程中，底座板受力较小，凸台周围虽有应力集中现象，但受填充树脂的保护作用，伸缩缝对底座板受力影响不大。抬升板位于底座板端部时，其最大压应力值比抬升板位于底座板中部略小，最大拉应力值略大，但不会导致混凝土的破坏。故现场轨道板抬升过程中不需考虑伸缩缝对底座板的削弱作用。

2.2 抬升高度的影响

前述分析表明，若采用单点抬升10 mm的方案，板中抬升可能会导致上表面开裂。根据实际情况，在保证轨道板不发生开裂的前提下，可用多次注浆抬升的方案。下面分析抬升高度对轨道板受力的影响。根据前述分析，可忽略压应力的影响。假定不拆除扣件系统，分析4种工况在轨道板不同抬升高度条件下抬升点周围最大拉应力变化规律如图7所示。

图7 不同抬升高度的轨道板最大拉应力

结果表明，轨道板拉应力与抬升高度密切相关，其值随抬升高度呈正增长关系。抬升高度小于2 mm时，拉应力增长迅速；抬升高度大于2 mm后，拉应力增长放缓；抬升高度大于4 mm后，4种工况下轨道板最大拉应力大致随抬升高度大致呈线性增长。根据图7，若采用板端抬升的方案(工况2和4)，抬升高度不超过10 mm时，轨道板上表面拉应力均能保持强度限值范围内；若为单板中部抬升(工况1)，抬升高度超过2 mm时，轨道板最大拉应力即超过强度限值；若为相邻双板中部同步抬升(工况3)，抬升高度不超过5 mm时，轨道板最大拉应力满足强度要求。因此，若现场抬板高度目标值为10 mm，在不拆除扣件系统的条件下，可采用相邻双板中部、分2次同步抬升5 mm的方案。

3 方案改进

3.1 拆除扣件系统抬升方案

前述分析表明，若不拆除扣件系统，轨道板上表面应力集中明显。由于Ⅰ型板为单元结构，若拆除扣件系统，可消除钢轨对轨道板的连接，减小轨道板的相互作用。下面以工况1和2为例，分析钢轨在轨道板抬升过程中对其受力的影响。经计算，拆除扣件的轨道板在不同抬升高度条件下抬升点周围最大拉应力变化规律如图8所示。

图8 拆除扣件后轨道板最大拉应力

结果表明，拆除扣件后，抬升点周围拉应力明显减小。若采用板中抬升的方案(工况1)进行注浆，拆除扣件后，轨道板最大拉应力与抬升高度呈线性增长关系；若采用板端抬升的方案(工况2)进行注浆，抬升高度大于5 mm时，轨道板上表面拉应力达到最大值0.84 MPa，抬升高度超过5 mm后，轨道板最大拉应力随抬升高度大致呈线性缓慢减小趋势。抬升高度为10 mm时，工况1和工况2的轨道板抬升点周围最大拉应力均小于强度限值，分别为2.09 MPa与0.79 MPa，相比保留扣件系统的情况分别减少71.2%与72.1%。故现场进行板下注浆前宜拆除扣件系统，削弱钢轨的约束作用。

3.2 多点同步抬升方案

高速铁路无砟轨道天窗维修时间较短，若拆除扣件系统后抬升轨道板，施工周期偏长。根据前述计算，若不拆除扣件系统采用单点抬升，虽然板端抬升的方案满足轨道板受力要求，但单点支撑不易保持顶升后轨道板的几何形位。为了减小施工周期，同时为了保持顶升后轨道板的稳定性，需分析不拆除扣件系统的条件下，多点同步抬升轨道板的受力情况。下面设置以下3种典型工况：

1) 单板1号和3号抬升孔同步抬升；

2) 单板1号和4号抬升孔同步抬升；

3) 单板2号和3号抬升孔同步抬升。

以上工况分别对应工况5~7。经计算，3种工况在不同抬升高度条件下抬升点周围最大拉应力变化规律如图9所示。

图9 多点同步抬升的轨道板最大拉应力

结果表明，不同抬升孔同步抬升的轨道板拉应力变化规律基本相近，其最大拉应力随抬升高度的增高而变大。3种工况对应的曲线均有增长较缓的区段，这是由于多点同步抬升过程中，抬升点的重心会发生转移，此区段为应力重新分配的过程；抬升高度高于该区段后，轨道板拉应力继续保持高速增长。抬升高度10 mm条件下，3种工况对应最大值分别为3.90，2.33和5.31 MPa，只有单板1号和4号抬升孔同步抬升的方案(工况6)满足强度要求。此外，若采用单板1号和3号抬升孔同步抬升的方案(工况5)，抬升高度为5 mm时，轨道板最大拉应力接近抗拉强度标准值。因此，若现场抬板高度目标值为10 mm，在不拆除扣件系统的条件下，可采用单板1号和4号抬升孔同步抬升或者单板1号和3号抬升孔分2次同步抬升5 mm的方案，其中前者施工较简便，对轨道板受力影响较小。因此，现场宜采用单板1号和4号抬升孔同步抬升轨道板的方案。

4 结论

1) 轨道板抬升过程中，底座板受力较小，伸缩缝对其受力无明显影响，现场轨道板抬升过程中不需考虑伸缩缝的作用。

2) 钢轨对轨道板受力影响较大，现场进行板下注浆前宜拆除扣件系统。在不拆除扣件系统的条件下直接在轨道板板中单点抬升轨道板，其上表面有开裂的风险。

3) 若保留扣件系统抬升轨道板，宜采用相邻双板端部同步抬升轨道板或单板1号和4号抬升孔同步抬升轨道板的施工方案。

[1] 王涛, 李洪刚, 贾恒琼, 等. 冬季低温对CRTSI型CA砂浆质量影响研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2016, 13(11): 2148−2153. WANG Tao, LI Honggang, JIA Hengqiong, et al. Influences of low temperature on ca mortar in winter[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2016, 13(11): 2148−2153.

[2] 邵丕彦, 李海燕, 吴韶亮, 等. CRTS I型轨道板温度变形及与砂浆垫层间离缝的测试研究[J]. 中国铁道科学, 2013, 34(2): 18−22. SHAO Piyan, LI Haiyan, WU Shaoliang, et al. Measurement and research on temperature warping of CRTS I track slab and crack between track slab and cement asphalt mortar cushion[J]. China Railway Science, 2013, 34(2): 18−22.

[3] 郭利康, 张四放, 杨荣山, 等. CRTS I型板式无砟轨道脱空状态对结构模态的影响[J]. 铁道标准设计, 2015(9): 29−32. GUO Likang, ZHANG Sifang, YANG Rongshan, et al. The influence of CRTS I slab track disengaging on structural modal[J]. Railway Standard Design, 2015(9): 29−32.

[4] 徐庆元, 李斌, 范浩. 路基不均匀沉降对列车-路基上无砟轨道耦合系统动力特性的影响[J]. 铁道科学与工程学报, 2012, 9(3): 13−19. XU Qingyuan, LI Bin, FAN Hao. Influence of uneven settlement of subgrade on dynamic characteristic of train-ballastless track on subgrade coupling system[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2012, 9(3): 13−19.

[5] 张珍珍. CRTS I型板式无砟轨道路基沉降抬板维修技术研究[J]. 铁道标准设计, 2015(4): 13−15. ZHANG Zhenzhen. Study on slab uplifting treatment of subgrade settlement of CRTS I ballastless slab track[J]. Railway Standard Design, 2015(4): 13−15.

[6] 杨明辉. 城市轨道交通整体道床沉降修复技术[J]. 铁道标准设计, 2016(2): 23−28. YANG Minghui. Renovation techniques for monolithic concrete track settlement of urban rail transit[J]. Railway Standard Design, 2016(2): 23−28.

[7] 王胜. 高速铁路无砟轨道静态精调技术分析及应用[J]. 上海铁道科技, 2014(4): 83−84. WANG Sheng. Analysis and application of static accurate adjustment technique for ballastless track of high speed railway[J]. Shanghai Railway Science & Technology, 2014(4): 83−84.

[8] 中国铁道科学研究院金属及化学研究所. I型板式无砟轨道沉降抬升注浆维修技术研究[R]. 北京: 中国铁道科学研究院金属及化学研究所, 2013. Metals & Chemistry Research Institute of CARS. Research on lifting maintenance of grouting technology for settlement of CRTS track slab[R]. Beijing: Metals & Chemistry Research Institute of CARS, 2013.

[9] 张家海. CRTS I型板式无砟轨道抬升修复技术研究[J]. 上海铁道科技, 2013(4): 71−73. ZHANG Jiahai. Repairing technology of lifting of CRTS I slab track [J]. Shanghai Railway Science & Technology, 2013(4): 71−73.

[10] 王涛, 李海燕, 邵丕彦, 等. 快速修复CRTS I型板式轨道沉降的抬板叠灌法[J]. 中国铁道科学, 2016, 37(4): 28−33. WANG Tao, LI Haiyan, SHAO Piyan, et al. Plate-lift filling double-layer mortar technology for rapidly restoring subgrade settlement of CRTS I slab track[J]. China Railway Science, 2016, 37(4): 28−33.

[11] 李立新, 童无欺, 邹金锋. 注浆抬升位移的随机介质理论预测方法[J]. 铁道科学与工程学报, 2013, 10(5): 47−51. LI Lixin, TONG Wuqi, ZOU Jinfeng. Study on grouting uplift displacement prediction using stochastic medium theory[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(5): 47−51.

[12] 聂志红, 刘源, 罗承平, 等. 基床表层级配碎石注浆改良模型试验[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2015, 35(4): 48−53. NIE Zhihong, LIU Yuan, LUO Chengping, et al. Model test on grouting improvement of graded gravel in surface layer of subgrade[J]. Journal of Chang’an University (Natural Science Edition), 2015, 35(4): 48−53.

[13] 姚建平. 运营高速铁路路基基底注浆加固关键控制技术[J]. 铁道建筑, 2017, 57(9): 104−106. YAO Jianping. Key control techniques on grouting to strengthen subgrade and basement of operating high speed railway[J]. Railway Engineering, 2017, 57(9): 104−106.

[14] 赵磊, 高亮, 蔡小培, 等. CRTS I型无砟轨道板预应力筋破坏所致附加荷载的影响分析[J]. 铁道学报, 2015, 37(12): 74−80. ZHAO Lei, GAO Liang, CAI Xiaopei, et al. Analysis of influence of additional load caused by prestressed reinforcement destruction of CRTS I track slab[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(12): 74−80.

[15] GB 50010—2010, 混凝土结构设计规范[S]. GB 50010—2010, Code for design of concrete structures [S].

(编辑 阳丽霞)

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

国家自然科学基金资助项目(51778543)；国家自然科学基金重点资助项目(U1434208)；四川省科技计划资助项目(2016GZ0333)

杨荣山(1975−)，男，河北蓉城人，教授，博士，从事高速重载轨道结构与轨道动力学等方面的研究；E−mail：yrs@home.swjtu.edu.cn