高速铁路无砟轨道主要病害

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1、混凝土无砟轨道病害类型及解决措施高铁3103 第八组成员：李红刚 曾晔波 张一格 马 飞 史 琨 赵 凡一、病害 (缺陷)类型目前国内高速铁路采用的无砟轨道重要有两种, 即板式无砟轨道与双块式无砟轨道。图 1给出的是路基段双块式无砟轨道构造病害分布示意图。图 1中 a , b , c , d 4个虚圈圈定的是无砟轨道常用病害发育部位, 具体病害总结见表 1 。表 1 高速铁路无砟轨道中的重要病害类型及其因素病害部位病害类型也许因素发展成果道床板表面裂缝设计配筋与施工质量等上下贯穿裂缝道床板内部不密实、 空隙、 空洞、钢筋异常施工捣固不均等配筋大小不一或错位承载力过低、 道床板破裂道床板承载力不

2、均、 破损道床板与支撑层间空隙、 脱空、抗剪销钉缺失凿毛、 去渣, 干缩, 道床板裂缝等未做抗剪销钉承载力过低、 道床板破裂、 支承层破裂道床板挠曲变形、 层间空隙, 道床板破裂支撑层表层空隙、 起伏找平或道床板下部破坏摩擦引起道床板、 支撑层整体破损、 破裂支撑层内部空隙、 不密实、 破裂捣固不均, 异物掺杂等支撑层破损、 破裂级配碎石下沉地基下沉等道床整体下沉、 破损等双块轨枕周边空隙、 裂缝捣固不均、干缩等道床板裂缝等二、病害 (缺陷 )解决措施针对无砟轨道质量缺陷检测, 涉及地质雷达法、 瞬变电磁法、 混凝土钢筋探测仪法、 超声回弹法在内的多种措施可供考虑。然而, 针对无砟轨道中浮现的

3、混凝土构造层间裂隙、 层内不密实或空隙、 各混凝土层的破损或破裂及钢筋缺失和错位此类病害 (缺陷 ), 根据混凝土轨道内部配筋密度, 天窗点限制及对病害精拟定位的检测规定, 采用地质雷达法是开展该项检测的最佳措施。 1、地质雷达法是一种地球物理探测措施, 它通过发射器向地下持续发射脉冲式高频电磁波, 电磁波向下传播过程中, 遇到有电性差别的界面或目的体 (介电常数和电导率不同 )时会发生反射和透射。接受器接受并记录在某界面或目的体 ( 介电常数和电导率不同 )上反射回来的反射波。根据记录到的反射波的达到时间, 电磁波在该介质中的传播速度, 可以拟定界面或目的体的深度, 根据反射波的形态、 强弱

4、及其频率特性等组合特性可以进一步鉴定目的体的形态和性质。如图 2所示。图 2 地质雷达探测原理示意图地质雷达参数: 雷达主机为美国 GSSI公司的SI R20主机, 开双通道; 天线为与 SI R20配套的 900 M天线; 采集时窗分别为, 15 ns与 30 ns ; 采样点数为2048 点。检测速度, 3 km /h 。15 ns时窗, 重要考虑对 45 cm 左右深度范畴内病害的检测, 可以有限辨认出道床板、 轨道板内诸如空隙、 钢筋、 含水等病害。30 ns时窗, 重要考虑对 1.5m 深度范畴内病害的检测, 可以有效检测出支撑层内部、 支撑层与级配碎石间的病害 (缺陷 )。1.1

5、正常的无砟轨道正常的无砟轨道, 钢筋混凝土道床板 (轨道板 )、素混凝土支撑层 ( CA砂浆层 )与级配碎石 (路基基床表层 )分层性特性明显, 层间特性反射面光滑、 平整;道床板内部钢筋反映清晰 明显, 钢筋粗细及位置均一,表目前地质雷达图像上为形态相似的强反射区点 (图3中标记 )。图 3中已用黑色框线清晰标示出各层构造范畴及钢筋反射特性。在该图中, 各构造层内除钢筋强反射外, 无强烈反射位置, 表征层内密实限度较好, 无不密实、 空隙及空洞存在; 各层间反射同相轴较均一, 未见强烈反射, 表征道床板与支撑层, 支撑层与级配碎石层间接触良好, 无空隙或破损起伏。 图 3 正常的无砟轨道典型

6、检测图像1.2 道床板与支撑层间病害道床板施工过程中, 由于未能对下层支撑层表面进行充足凿毛、浮渣清除、粉尘清除或两层施工间隔较长 (特别相隔冬夏 )等因素, 混凝土在干缩与长期高速荷载冲击振动下, 导致道床板与支撑层间产生明显空隙或脱空现象。由于捣固不均或层间空隙发展, 致使素混凝土 ( CA 砂浆 )层发生磨损、 破损并体现为层面裂损、 起伏。道床板与支撑层间空隙、 裂缝的存在, 会加速道床板混凝土 (垂向 )裂缝的发育, 并最后两者贯穿。道床板与支撑层间空隙与垂向裂缝的贯穿, 使得降水在空隙中积聚且由于周边封闭无法排出。图 4中, 展示了道床板与支撑层间的空隙、 空隙含水及支撑层的磨 (

7、破 )损起伏。 图 4 道床板与支撑层间的空隙及支撑层起伏1.3 道床板内部病害由于混凝土施工质量或施工过程中捣固不到位或捣固不均与裂缝发育等多种因素, 道床板上下两层钢筋网内部、 下层钢筋与支撑层间混凝土常形成欠密实区域。在高速荷载冲击振动之下, 欠密实区域多发展成为空隙或空洞, 形成道床板内部的病害。图 5即是该种病害相应的典型图像, 图中椭圆形虚线圈圈定的强反射区域即为道床板内空隙病害。图 5 道床板内部空隙或不密实探测典型图像1.4 道床板内钢筋异常钢筋混凝土道床板或钢筋混凝土底座, 配筋过程中, 常有配筋缺陷: 配筋大小不一、 配筋密度不够、 配筋位置发生错位。这都影响着钢筋混凝土层

8、的承载力和位置形态, 进而影响轨道的承载力和平顺性。图6展示了客运专线道床板上的配筋异常, 重要是左右段配筋粗细不一。图 6 道床板中的配筋异常1.5支撑层 (CA砂浆层 )裂损双块式无砟轨道中的支撑层为素混凝土层, 板式无砟轨道中的 CA砂浆层为素水泥乳化沥青砂浆层,皆无配筋。相对于钢筋混凝土构件, 在高速荷载冲击振动下, 无配筋混凝土或砂浆构造更易发生裂损破坏。特别在混凝土捣固不均区域, 破损常有发生。图 7即是对某双块式无砟轨道段检测得到的支撑层裂损典型图像, 如图中黑色椭圆虚线圈定强反射区域。图 7 支撑层破裂损坏探测典型图像三、无砟轨道基底构造病害现状针对梨树沟隧道整体道床裂缝、下沉

9、等病害，采用高强发泡树脂（4.75 #）进行注浆加固解决，对注浆前后动变形进行对比测试、物探测试和原位探测并进行分析，检查实际效果。结合国内无砟轨道构造病害类型及产生机理，进一步研究无砟轨道构造病害检测与迅速修复技术。1、隧道内无砟轨道构造病害一般有三类：一是混凝土下沉破损，即轨道构造在列车载荷作用下产生下沉变形；二是无砟轨道构造上鼓破损，重要是地下水水位抬起导致破损，或基本解决不到位；三是无砟轨道构造受地下水侵蚀而破坏。2、解决措施：线路几何尺寸变化应在扣件和垫板调节量范畴，进行调节不扰动道床，超过调节量范畴时需进行整治。整治方案应根据超过管理值的大小分级治理，尽量少扰动轨道与路基构造，保证

10、其功能不受影响。排水沟整治应与轨道构造整治同步进行，避免反复作业。（1）加强或增设排水设施。整治核心是排导和疏干基底构造地下水，不能局限排除地表水。发生翻浆冒泥等病害时，应增设地下排水设施，增长排水沟数量和深度。 （2）增长扣件的可调变形量。提高隧道内无砟轨道扣件的可调变形量，以改善无砟轨道对列车振动和沉降变形的适应性。 （3）灌注水泥浆。采用液压和气压装置，通过注浆管将水泥浆灌注到轨道与路基构造的裂缝和空隙中，水泥浆以充填、渗入和挤密等方式排挤裂缝中的水、空气和其她杂质，并充填其位置，形成高强度、防水性能 好的新构造体。此措施合用于轨道完整、基底空隙较多与翻浆冒泥地段，缺陷是难以抬升轨道板构

11、造。梨树沟隧道无砟轨道病害整治措施针对京通迅速铁路梨树沟隧道整体道床裂缝、下沉，以及翻浆冒泥等病害，采用注浆提高轨道板和精拟定位措施。常规注浆措施机具笨重，现场施工不便，天窗时间难以完毕整治，常规的注浆材料短时间达不到黏结强度规定。（4）基底换填。隧道基底构造受地下水冲刷严重，但轨道板完整无破损，可将基底软弱层清除，重新灌注基本混凝土。此措施整治彻底，缺陷是施工工艺有 待完善。 （5）整体轨道板维修。重要用于轨道构造破损严重，为此采用双液（A、B）组分、高强发泡树脂（4.75 #）进行注浆加固解决，填充无砟轨道基底构造空洞和进行底面密封，精确提高轨道板。混合比例11， 并采用特殊输送泵进行加温

12、灌注。其固化后对环境无任何污染。采用注浆加压装置（压力为710 MPa）将浆 液注入裂缝并布满。三、结论由于高速铁路无砟轨道病害在国内大规模投入使用时间尚短, 对于其病害 (缺陷 ) 的检测经验尚少, 本工作是尝试性和验证性的。根据对无砟轨道病害 (缺陷 )的检测, 分析, 可得出如下结论: 1、运用地质雷达法, 可以采用有关技术手段对双块式与板式无砟轨道中的重要病害进行精确、 迅速、无损检测; 检测成果可以精确反映病害所发育的深度、范畴及规模; 在目前多种检测手段中最为快捷、 精确、以便;2、迅速、 精确的检测成果的获得, 必须结合对病害发生的机理、 部位、特性等条件的分析, 具体状况具体看待;3、地质雷达检测可以有效揭示确认轨道板、 道床板中的不密实、 空隙等病害 (缺陷 );4、对各重要病害的精确, 迅速, 无损检测可以有效指引对病害的整治解决。5、已获得的典型病害图像, 为尝试建立病害迅速检测系统增长样本数据与图像特性。对于客运专线无砟轨道病害的检测, 尚处在初始阶段, 需要投入更多的关注与时间。为维护客运专线的长期正常运营, 积极积极的检测工作亟待开展。