刘浩 江成 姜子清 黄安宁 张志远 郑新国 李培刚

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；3.中国铁路上海局集团有限公司上海高铁基础设施段，上海 200439；4.上海应用技术大学轨道交通学院，上海 201418）

高铁路桥过渡段纵连式无砟轨道台后锚固体系由摩擦板、端刺、路基填料等组成，以减小桥梁区段轨道结构纵向荷载对路基区段轨道结构的影响，降低不同构筑物间的刚度差异，实现了底座板和轨道板跨梁缝连续铺设［1-3］，并严格控制台后锚固体系中端刺结构的纵向位移，保证不同结构物间的协调变形与纵向刚度的平顺性。路桥过渡段范围的结构受力特征较为复杂，不仅承受桥梁结构传来的纵向温度荷载作用［4-5］，还受到由于路基-桥梁刚度差异而引起的列车动力荷载冲击作用，是轨道结构的薄弱环节。随着运营时间的延长，部分线路端刺锚固区不可避免地出现影响结构服役稳定性的问题。

端刺锚固结构受力及变形研究多集中于设计和建设阶段［6-8］，针对运营期端刺锚固结构受力变形规律的研究相对较少。同时，由于锚固限位结构位于轨道结构下方路基中，属于隐蔽结构，在运营条件下难以进行检查维修。因此，纵连式无砟轨道台后锚固结构变形特征及其对轨道结构的影响是线路运营维护中应重点关注的问题，对于保证路桥结合部纵连式无砟轨道的服役稳定，以及合理制定专项养护维修措施具有较好的现实意义和应用价值。

本文对运营期纵连式无砟轨道台后锚固区结构服役状态进行了现场调研及监测，分析运营条件下台后锚固结构体系受力变形特征，掌握运营条件下无砟轨道台后端刺区结构伤损形式，在此基础上，提出了运营期台后锚固结构变形控制措施，以期为台后锚固区结构养护维修提供指导。

1 纵连式无砟轨道锚固结构设计及功能需求

对于纵连板式无砟轨道结构，由于桥梁上无砟轨道底座板采用纵向连续配筋，在温度力及制动力下纵向荷载可达11 MN，并且要求纵向位移不超过3 mm［4，6］，常规的锚固地梁难以满足纵连板式结构后台锚固的需要。为此，原铁道部工程管理中心组织开展了纵连板式无砟轨道端刺锚固结构设计及应用研究，并相继在京津城际、京沪高铁、沪杭高铁等线路中进行了应用。

台后锚固限位体系主要由土工布隔离层、摩擦板、小端刺、主端刺及过渡板组成［9］，摩擦板、端刺和过渡板为连续整体，混凝土设计强度C30。摩擦板下设置一定量的小端刺，并在其未尾设立主端刺。底座板与摩擦板间铺设两层土工布，摩擦因数控制在0.5 ～0.8。为进一步减小路桥过渡段的差异沉降，实现线路基础刚度平顺过渡，向路基土体中掺入一定量的水泥对土体进行改良，以提高承载力和抗疲劳性能，降低土体的压缩性。路基填料分为两类，近桥台区域（约20 m）采用级配碎石掺水泥填筑，其余区段采用AB填料。Ⅱ型端刺区过渡段平面图见图1［9］。

图1 Ⅱ形端刺过渡段平面图（单位：mm）

端刺锚固结构受力较为复杂，主要利用摩擦板与土体、端刺底板与土体的摩擦力抵抗无砟轨道纵向力。温度、列车荷载作用下纵向水平力经摩擦板传递至锚固于土体的端刺结构，避免了单一主端刺集中受力的问题。设计检算主要控制端刺顶部水平位移和结构的受力稳定性。为加强端刺过渡板与路基支承层结合部地段的变形协调性及受力均衡性，Ⅱ型端刺区、过渡板及相邻支承层上的三块轨道板与基础间设置4排16根φ28剪力筋以加强锚固。轨道板剪力筋布置见图2。

图2 轨道板剪力筋布置（单位：mm）

2 运营期台后端刺区结构稳定特征

对于纵连板式无砟轨道端刺锚固结构，由于桥上底座板与台后锚固体系纵连，温度交变荷载、列车制动荷载以及下部基础的不可控变形等均会对锚固体系位移传递、应力水平产生不利影响，可能会导致锚固结构变形超限，端刺与路基间的作用力不足以平衡温度变化等荷载作用引起的水平力［10］，使得端刺过渡板与路基支承层连接处产生离缝，影响结构稳定性。

针对运营期纵连式无砟轨道台后Ⅱ型端刺锚固区轨道结构的服役稳定性，通过现场定期跟踪测试、监测等手段，分析外部荷载长期作用下结构的变形特征。

2.1 端刺区轨道结构变形情况

根据纵连式无砟轨道台后端刺锚固区轨道结构及附属设施状态的周期性检查结果，在每年的高温季节7—8月份（最高气温超过35 ℃），端刺区轨道板层间离缝、上拱等伤损较为明显。为进一步明确锚固结构变形特征及其引起的结构伤损形式，2018—2019年对某高铁线路针对性地开展了专项调研分析。

1）2018年调研分析

由前述分析可知，纵连式无砟轨道结构温度效应特征明显，锚固结构的变形特征与季节性温度周期的变化相关。因此，针对低温至高温环境条件下端刺区结构变形状态展开调研分析，见表1。

表1 2018年Ⅱ型端刺区结构变形情况

根据高速铁路纵连式无砟轨道台后锚固区功能设计及轨道结构特点，结合前期研究成果可知［4，6］，温度、列车荷载作用下端刺过渡板末端的变形量最大（图3），且当温度升高时端刺最大纵向位移远离桥台，降温时则朝向桥台。为保证结构稳定，需严格控制温度荷载作用下的端刺水平位移。然而根据现场长期检查结果可知，随着运营时间的增加端刺过渡板与路基支承层处容易产生离缝，且高温季节时较大，而在温度降低时离缝逐渐减小，与外部纵向荷载作用下的结构变形规律一致。另外，端刺锚固结构变形会影响过渡板与支承层连接部位附近的宽窄接缝状态，即低温季节产生板间离缝，高温季节可能存在纵向偏心受压，增大板端上拱风险。

2）2019年调研分析

为继续跟踪分析端刺区结构服役稳定特征，2019年1—6月，对某路桥过渡段范围内端刺锚固区轨道结构变形情况进行了现场调研分析。结果发现，端刺锚固区轨道结构同样存在支承层离缝、宽窄接缝破损开裂等问题。其中，离缝主要位于Ⅱ形端刺尾部过渡板与路基段支承层间连接处，且存在混凝土破损剥落现象。根据工务部门长期检测结果，连接部位离缝存在季节性伸缩变化，见图4。温度较低时，在路基段支承层与过渡段底座交界处出现支承层离缝现象。当温度较高时离缝闭合，造成支承层挤压破裂。另外，支承层与过渡板开裂处均伴随板间接缝离缝现象。

图3 过渡板与路基支承层间离缝主要位置（单位：mm）

图4 过渡板与路基段连接位置离缝变化情况

2.2 端刺区结构变形监测结果

通过在过渡板、轨道板及路基支承层布置变形观测标识，基于长期观测和微视频监测相结合的方案，分析端刺锚固区轨道结构离缝及其变化规律。监测工点为K1022+800—K1023+300 处路桥过渡段范围内端刺过渡板与路基支承层处，端刺过渡板与路基支承层间离缝随季节性温度（2018年11月至2019年9月）变化曲线见图5。

图5 过渡板与路基支承层离缝随季节性温度变化曲线

从图5可知，离缝与温度荷载关系明显，且与现场专项检查分析所得的变化规律一致，具体表现为：冬季低温条件下的离缝较大，随着温度升高，过渡板与路基支承层间离缝逐渐减小，当温度达到37.5 ℃以上时离缝闭合。从2018年12月至2019年7月，在端刺过渡板和路基支承层水平间距测试过程中发现，随着温度降低端刺水平位移朝向桥台，间距明显增大，当环境温度从8 ℃降至-1 ℃时间距从3.8 mm 增大至7.2 mm；随着温度升高，端刺变形远离桥台，当温升幅度为38.5 ℃时，离缝已降低为0，温度继续升高则产生闭合挤压现象。

另外，纵连式无砟轨道受层间黏结强度下降、纵向刚度不连续等因素的影响，温度荷载下的结构变形特征主要表现为低温条件下板端接缝离缝、高温季节板端上拱等。对于端刺锚固区轨道结构，在层间传力体系的影响下，端刺纵向水平位移会对过渡板与路基支承层附近的宽窄接缝状态产生不利影响，不同温度条件下板端宽窄接缝间离缝变化见表2。

表2 板端宽窄接缝间离缝

由表2 可知，板间接缝离缝总体上呈现出随季节性温度周期性变化的规律。冬季低温条件下离缝较大，随着温度升高板间接缝离缝逐渐减小，且当温度达到35 ℃以上时离缝闭合。从2018年12月至2019年7月，宽窄接缝在测量期间随着温度的降低，离缝明显增大，当环境温度从7 ℃降至-2 ℃时离缝已增大至约8.0 mm；当温升至37.5 ℃及以上时宽窄接缝开始出现闭合挤压现象。另外，现场监测结果发现，受端刺水平位移的影响，过渡板与轨道板间存在相对位移，且温度越高相对位移越大。根据前期设计资料可知［9］，在端刺过渡板范围内已进行植筋预加固，两者之间的相对位移不利于植筋限位受力及砂浆层黏结状态。

考虑纵连式无砟轨道结构特性及端刺水平位移的影响，台后端刺锚固区板端宽窄接缝离缝问题应引起足够的重视。在冬季低温季节板端离缝下的雨水浸入会弱化层间黏结性能，而高温环境下宽窄接缝挤压破损容易导致结构纵向刚度不连续，进而影响线路平顺性。

综上可知，纵连式无砟轨道台后端刺锚固区结构变形特征主要为支承层与过渡板间、轨道板与轨道板间的纵向相对位移，主要集中在过渡板末端靠近路基侧，且呈现出随季节性温度而周期性变化的规律。

3 台后端刺锚固区结构伤损形式

通过现场调研分析可知，运营期Ⅱ型端刺区主要为锚固结构变形引起的区域性伤损。主要表现为：结合部离缝、宽窄接缝挤压破碎、轨道板上拱、支承层/底座板裂缝、路基线间封闭层开裂等，集中分布在过渡板末端靠近路基侧。

3.1 轨道板伤损

台后端刺区轨道板伤损主要表现为裂缝和掉块，其中轨道板表面裂纹较为典型，在路基等普通区段同样存在。根据TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》关于无砟道床伤损形式及伤损等级判定标准的规定［11］：轨道板除预裂缝处以外，其他部位不得有裂缝，且当裂缝宽度在0.3 mm 及以上时，伤损等级判定为Ⅲ级。轨道板预裂缝在结构设计中是允许开裂的，部分情况下有利于温度荷载作用下的结构应力释放，但应限制裂缝宽度，避免开裂影响结构耐久性与稳定性。

端刺区轨道结构力学行为与锚固体系传力特征有关，锚固结构水平位移会对轨道板受力产生不利影响，具体表现为应力过大或集中导致的混凝土结构开裂。现场专项检查发现，端刺锚固区轨道板伤损形式为板面横向裂纹，裂纹在靠近板端第三根轨枕处，距端刺过渡板最右侧约5 m，且该处裂纹位于预加固植筋位置。目前，工务部门采用了裂纹表面封闭的措施进行维护，建议加强日常检查，对该类型轨道板伤损的发展情况进行定期观测，尤其是在夏季高温季节。

3.2 砂浆层伤损

端刺锚固区砂浆病害与普通地段的伤损形式相同，主要表现为裂缝和破损。裂缝病害包括垂直裂缝及斜裂缝，破损主要发生在宽窄接缝和精调爪支撑位置。另外，作为纵连式无砟轨道的一种典型伤损形式，在结构整体温度荷载变形、温度翘曲以及端刺纵向水平位移的影响下，台后锚固区轨道结构存在砂浆与轨道板层间离缝（图6），且同时伴随砂浆析出泛浆问题。

针对此类伤损，TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则（试行）》中规定［11］：水泥乳化沥青砂浆充填层应与轨道板底部和支承层底座板密贴。台后端刺锚固区砂浆层间离缝引起的黏结强度下降不利于纵连式无砟轨道层间传力和承载，再加上端刺水平位移的影响，可能会加大板端上拱变形的概率。另外，为准确评判运营期纵连式无砟轨道砂浆层使用性能，基于冲击回波法的砂浆层状态快速检测仪（已通过上道试用评审），在京沪、京津、沪杭等高铁线路进行了现场检测应用，实现了天窗时间内对砂浆层离缝的快速检测。

根据砂浆层黏结状态的检测结果，可为进一步开展端刺区结构变形机理分析及轨道板高温季节上拱变形、低温条件下板端结合部离缝的影响提供数据支撑。

3.3 板端接缝伤损

已有研究成果表明，轨道板端接缝材料伤损导致偏心受力是引起轨道板上拱的主要原因之一。台后端刺锚固区宽窄接缝伤损主要表现为：窄接缝缺损破碎、宽接缝破碎以及其与轨道板之间界面离缝过大等，且在过渡板与路基支承层附近较为明显。宽窄接缝开裂、离缝见图7。

图7 宽窄接缝开裂、离缝

板端接缝状态改变会影响结构轴向传力机制，接缝处混凝土钢筋截面削弱、界面黏结破坏及接缝离缝等引起结构纵连刚度、受力及约束条件发生变化。TG/GW 115—2012 规定［11］：轨道板间接缝处混凝土裂缝不得大于0.2 mm，接缝现浇混凝土与轨道板间离缝不得大于0.3 mm。综合现场检查及监测结果，板端接缝状态随温度变化呈现出明显的周期性变化规律，具有典型的区域性伤损特征。低温条件下接缝离缝接近10 mm，高温季节则为挤压破损。工务维护部门现场检查发现季节性变化特征较为稳定，未出现较大的波动。未采取离缝填充、防水封闭等整治技术措施的原因是考虑到高温条件下端刺区锚固结构水平位移的影响，避免处理措施不当引起结构破损、线路高低变化超限等。

3.4 支承层/底座板伤损

通过2019年对某路桥过渡段端刺锚固区结构状态专项检查结果可知，支承层/底座板主要为裂纹类伤损，且裂缝位置存在混凝土破损脱落现象（图8）。从裂缝形式和发生位置初步判断是由于低温拉应力引起的断裂。纵连式无砟轨道结构设计中允许底座板和支承层开裂，但要求限制裂纹宽度及裂缝形式，按TG/GW 115—2012：桥梁地段连续底座板混凝土裂缝宽度不得大于0.3 mm；路基地段支承层不得有竖向贯通裂缝。然而台后端刺锚固区部分支承层裂纹宽度及贯穿断裂形式已超出该标准限值，高速列车经过时会加速其疲劳破坏，且雨水的浸入会导致基础不稳定。

图8 路桥过渡段支承层开裂

此外，台后端刺过渡板与路基上支承层离缝处伴随着线间防水封闭层出现贯穿裂缝（图9），初步分析其原因同样为温度荷载作用下拉应力过大。

图9 线间封闭层贯穿裂缝

4 运营期台后端刺锚固区变形控制措施建议

随着运营时间的增加，外部荷载作用下锚固结构变形以及结构区域性伤损会成为路桥过渡段无砟轨道运营过程中面临的主要问题。一旦快速发展会影响轨道结构稳定性，增大轨道几何形位变化，降低高速列车运行的安全性、舒适性等。针对台后端刺锚固结构变形特征及伤损表现形式，提出了运营维护技术措施的建议。具体如下：

1）针对无砟道床裂缝、离缝等多发共性伤损，建议按照TG/GW 115—2012 关于表观病害整治技术的规定，采用合适的材料进行修复，如轨道板开裂、挡肩裂缝可采用表面封闭法或低压注浆法，砂浆层离缝采用低黏度树脂注浆材料填充。

2）对于季节性温度荷载作用引起的端刺过渡板与路基支承层间、轨道板间接缝离缝等典型区域性伤损，可采用高弹韧性材料进行离缝填充，在确保位移变形协调的基础上进行应力释放，避免接缝刚度不匹配引起的结构破损及线路高低变化超限等。

3）为进一步分析台后端刺锚固结构力学传递及变形协调机制，建议对锚固区结构服役状态进行系统监测，重点关注循环温度荷载下端刺纵向变形及土体锚固力变化，为针对性地制定养护维修措施提供支撑。

4）针对端刺锚固结构季节性变形问题，建议开展路基锚固力增强材料及工艺工装的专项研究，提出加强锚固体系自身变形控制方案。

5 结论

通过运营期台后端刺锚固结构变形特征的专项检查及分析，主要得到以下结论：

1）纵连式无砟轨道结构温度效应明显，台后端刺锚固区结构变形特征表现为支承层与过渡板间、轨道结构关键连接部件的水平位移，且呈现出随季节性温度而周期性变化的规律。端刺锚固结构变形会影响过渡板与支承层连接部位附近的宽窄接缝状态，低温季节产生板间离缝，高温条件下存在纵向偏心受压情况。

2）根据现场专项调研及监测结果，端刺过渡板和路基支承层水平间距在低温条件下较大，且随着温度的升高而逐渐减小，直至结合部离缝闭合。当温降9 ℃时相对水平位移从3.8 mm增大至7.2 mm；当温升幅度为38.5 ℃时离缝已降低为0。温度从7 ℃降至-2 ℃时支承层-过渡板连接部位附近板间接缝离缝约8.0 mm；当温升38.5℃时宽窄接缝开始出现挤压，且伴随接缝混凝土开裂、破损。

3）考虑端刺水平位移的影响，不同于普通地段轨道结构，路桥过渡段端刺锚固区结构伤损具有的典型区域性分布特征，主要集中在过渡板末端靠近路基范围。目前，结构伤损主要影响耐久性，对结构稳定性及线路平顺状态的影响不大，但对于其产生机理及发展规律，需进一步跟踪分析。