CRTSII型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆劣化特征与更换技术研究

王 峰 中国铁路上海局集团有限公司上海高铁基础设施段

1 前言

至2020 年底，中国高速铁路网运营总里程已超过3.8 万km。其中采用CRTSⅡ型板式无砟轨道的高速铁路有京津城际、京沪高铁、沪杭高铁、宁杭高铁等，总长约为4772 双线公里，设计时速基本为350 km/h。这些高铁线路建设期为2007年至 2014 年 11 月，并于 2008 年 8 月至 2015 年 6 月先后开通运营，其中投入运营年限最短7 年，最长达14 年，大部分时速350 km的主干线路运行了10年以上。

CRTSⅡ型板式无砟轨道结构自上至下主要由钢轨、扣件、轨道板、水泥乳化沥青砂浆充填层、水硬性支承层/混凝土底座等组成，其中，水泥乳化沥青砂浆是轨道板与水硬性支承层/混凝土底座板之间的填充层，其在轨道结构中起到“承上启下”的关键作用（如图1 所示）。充填层的服役性能对轨道结构的平顺性与稳定性具有重要影响，若该结构发生严重病害，轨道结构的平顺性、耐久性及列车运营的安全性和舒适性将很难保证。

图1 CRTS II型板式无砟轨道结构

当前，维护高速铁路安全可靠、快速舒适、服役持久的运营状态是铁路运营管理的主要任务。因此，本文通过对运营中CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层服役现状进行了调查研究，揭示了水泥乳化沥青砂浆充填层的病害特征，分析了劣化原因；对于劣化严重的砂浆充填层，通过模拟试验与工程实践，在高铁修规规定的养护维修技术的基础上，提出了水泥乳化沥青砂浆充填层天窗内更换成套技术，为运营中CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆的养护维修提供借鉴与参考。

2 水泥乳化沥青砂浆劣化特征

通过对运营中砂浆充填层服役现状的调查研究表明，当前该结构主要劣化特征体现在层间离缝、冒浆和竖向开裂三个方面，其劣化特征具体表现为：

（1）层间离缝

在高铁服役过程中，因温度荷载、列车动载和雨水等因素的耦合作用，轨道板与充填层层间离缝已成为普遍现象；部分轨道板与充填层的粘结已完全失效，如图2 所示。研究表明：若砂浆充填层与轨道板间吊空，轨道板加速度可增大10 余倍，位移可增大20 余倍，钢轨对轨道板的压应力急剧增大，并可能出现拉应力现象；当砂浆充填层与轨道板间的离缝较大时，轨道板竖向位移和充填层压应力都将急剧增大。可见，层间粘结失效将直接影响CRTSⅡ型轨道结构的传力特征，甚至影响高速铁路线路的平顺性，对高速铁路运营安全造成重大威胁。

图2 砂浆充填层与轨道板、底座板间的层间离缝现象

（2）冒浆

随着服役时间的延长，水泥乳化沥青砂浆充填层普遍出现不同程度的冒浆现象，且线路服役时间越长，冒浆现象越严重，表现为支承层/底座板以及线间、外封闭层表面的白色或褐色的溶蚀物越多、分布面积越大，如图3 所示。CRTSⅡ型板式轨道结构中冒浆实际为动力水造成的表层砂浆磨蚀及水泥水化产物的溶出，如图4所示，而磨蚀导致充填层厚度减薄，离缝宽度增大，影响了轨道结构的平顺性；水泥水化产物的溶出降低了表层砂浆的力学性能及耐久性，影响了轨道结构的服役寿命。

图3 水泥乳化沥青砂浆充填层冒浆现象

（3）竖向开裂

现场调查发现：运营中砂浆充填层出现了较多垂直于底座板/支承层的贯穿性裂缝，如图4 所示，充填层的竖向贯穿性裂缝影响其整体受力性能，随着运营时间的延长，可能导致充填层进一步碎裂，从而完全失效。

图4 砂浆充填层竖向开裂现象

3 水泥乳化沥青砂浆劣化原因分析

通过对已运营CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层劣化特征调研分析发现，砂浆充填层的劣化主要以温度应力引起的层间离缝开始。有研究指出：随着正负温度的交替出现，轨道板与砂浆充填层逐渐产生离缝。由于CRTSⅡ型板式无砟轨道属于纵向连续结构，当温度发生变化时，内部将产生较大的温度力；若连续出现极端高温天气，轨道结构将承受较大的温度压应力，导致在温度结构薄弱处发生上拱变形；而当连续出现极端低温天气时，轨道结构又将承受明显的温度拉应力，纵向温度力的交替出现容易造成CRTSⅡ型板式无砟轨道的轨道板与充填层之间产生离缝。另外，运营中在列车动荷载的作用下，轨下结构容易产生变形，加速了离缝的发展。

当轨道板与水泥乳化沥青砂浆充填层发生离缝后，外界水分很容易进入轨道板与充填层或充填层与底座混凝土之间的缝隙，缝隙中的水在列车动荷载的长期作用下会持续对水泥乳化沥青砂浆作用极大的动水压力，引起水泥乳化沥青砂浆表面侵蚀。水泥水化产物的溶蚀降低了水泥乳化沥青砂浆本身具有的力学性能，同时，离缝的存在加速了轨道板的振动加速度，加之动水压力的作用，随着服役时间的延长，水泥乳化沥青砂浆充填层便会发生开裂脱落与碎裂溃散。

水泥乳化沥青砂浆充填层劣化的原因非常复杂，除上述因轨道板与砂浆充填层界面粘结缺陷、以及混凝土材料与水泥乳化沥青砂浆热变形行为差异引起离缝的产生而导致水泥乳化沥青砂浆充填层的主要病因外，有研究从材料自身性能特性出发，探究光、氧、热引起水泥乳化沥青砂浆中沥青组分老化导致水泥乳化沥青砂浆的性能衰变现象，以及沥青的低温脆性和冻融循环等引起的水泥乳化沥青砂浆充填层的劣化现象。

4 水泥乳化沥青砂浆天窗更换技术

由于CRTSⅡ型轨道结构纵连的特点，充填层一旦失效，其养护维修难度极大。对于劣化严重的水泥乳化沥青砂浆充填层，通过模拟试验与工程实践，在《高速铁路无砟轨道线路维修规则》规定的水泥乳化沥青砂浆相关养护维修技术的基础上，研究提出了天窗时间内对砂浆充填层进行更换的成套技术。

4.1 主要工艺流程

通过模拟试验与工程实践，提出了水泥乳化沥青砂浆充填层天窗内进行更换的工艺流程为：初始数据采集→施工起终点补强植筋→侧向挡块局部凿除→轨道板解锁→既有植筋取出→抬升钢轨并提升轨道板→凿除既有砂浆层→轨道板落位及精调→灌注砂浆层→恢复宽窄接缝→侧向挡块恢复→植筋锚固→轨道精调。其工艺流程如图5所示。

图5 CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层更换工艺流程

4.2 关键工艺控制

在进行CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层更换时，须对以下工序进行重点控制：

（1）抬升钢轨作业

为凿除清理砂浆提供作业空间，须松开待更换砂浆层对应轨道板及其前后一定范围内的扣件，扣件松开长度应结合施工温度、钢轨锁定温度和最大抬升高度等，通过线下工艺试验确定；竖直顶升钢轨后须可靠支撑，同时，为了便于钢轨抬升后恢复，钢轨抬升施工温度不得高于锁定轨温。抬升钢轨及轨道板如图6所示。

图6 抬升钢轨及抬升轨道板

（2）轨道板落位及精调

轨道板复位并精调，轨道板精调时的测量采用精密水准仪及全站仪进行控制，轨道板精调定位精度控制需满足表1要求。

表1 轨道板精调定位允许偏差

轨道板精调完成后需使用夹持限位装置进行横纵向限位，从而避免因各类因素道岔轨道板扰动，同时确保在灌注砂浆至砂浆初凝过程中不出现轨道板上浮、偏移等情况，重点需对轨道板的两端和中部同时进行扣压，夹持限位装置如图7所示。

图7 夹持限位装置示意图

（3）灌注砂浆层

在完成板底清洁、轨道板精调和轨道板夹持限位工序后，需对轨道板四周进行封边处理，以上工作完成并验收合格后，才可进行聚合物水泥砂浆的灌注，聚合物水泥砂浆需满足无砟轨道结构特性、高速铁路露天服役环境（潮湿环境、温湿度变化）、周期疲劳荷载、高速铁路运营特点、水泥乳化沥青砂浆材料特性及功能需求、修补材料与水泥乳化沥青砂浆匹配性、施工便捷性和技术经济性等多个方面要求。砂浆灌注应饱满，无空洞。砂浆灌注完成后，灌注孔内的砂浆表面距离轨道板上沿约150 mm。砂浆需达到初期强度后方可拆除轨道板下面的精调校正装置和承重。

根据施工期间天窗时间情况，可以选择当日天窗灌注，也可以在后续天窗灌注。如果铺板后天窗时间不足以完成砂浆灌注及等强等工序，则可以在后续天窗进行砂浆灌注，但需在当日天窗间隔灌注临时砂浆袋对轨道板进行临时支撑，同时在轨道板两侧安装紧压限位装置对轨道板进行扣压及左右限位。临时砂浆袋沿轨道板两侧按650 mm 间隔铺设灌注，并位于轨枕正下方。

砂浆灌注过程中需对轨道板高程及中线进行实时监测，发现异常应立即停止灌注并处理。充填层砂浆灌注完成并达到砂浆初凝后需要立即对轨道板高程、中线空间状态进行复测，确保满足要求，允许偏差为±2 mm，如不满足应返工重铺。

（4）恢复宽窄接缝

砂浆充填层灌注完成后恢复宽窄接缝。如充填层为成区段更换时，从中间至两边对称张拉轨道板张拉锁，安装接缝钢筋并进行绝缘处理，安装侧模后灌注宽窄接缝及灌浆孔混凝土，混凝土初凝后，进行润湿养护。

5 结论与建议

（1）通过调查研究表明：运营中CRTSⅡ型板式无砟轨道水泥乳化沥青砂浆充填层主要劣化特征体现在层间离缝、冒浆和竖向开裂三个方面。

（2）水泥乳化沥青砂浆充填层的劣化自层间离缝开始；离缝后，外界水分更容易进入轨道板与充填层或充填层与底座混凝土之间的缝隙，在动荷载的长期作用下，水会持续对水泥乳化沥青砂浆作用极大的动水压力，引起水泥乳化沥青砂浆表面侵蚀；离缝的存在又加速了轨道板的振动加速度，加之动水压力的作用，水泥乳化沥青砂浆充填层便会发生开裂脱落与碎裂溃散。

（3）对于劣化严重的水泥乳化沥青砂浆，提出了利用天窗时段完成对水泥乳化沥青砂浆充填层更换的成套技术，该技术也可完成CRTSⅡ型板式无砟轨道线路沉降、偏移地段成区段抬升和纠偏整治。

（4）为进一步确保劳动安全和施工工效，有必要研究在钢轨或轨道板提升更低高度的情况下即可完成对劣化水泥乳化沥青砂浆充填层的凿除清理作业的配套技术、关键装备。