應用高聚物復合結(jié)構(gòu)層整治基床翻漿冒泥技術(shù)研究

吾望超，蘇 謙，劉 亭，王武斌

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

路基基床由天然土石材料構(gòu)成，具有多樣、分散與分層差異等特性，同時又直接受到列車動荷載與環(huán)境等因素的影響，長期運營后容易產(chǎn)生病害[1]，其中基床翻漿冒泥是較為常見的病害之一。發(fā)生翻漿冒泥病害的基床土質(zhì)中往往含有易軟化物質(zhì)、粉質(zhì)土含量較高，且具有親水性強、透水性差等特點[2]。在排水不暢的路段，自然降水或地下水的侵入使不良基床軟化形成泥漿。在列車動荷載的作用下，泥漿受擠壓抽吸作用通過道床空隙向上翻冒，道砟陷入軟化的基床，形成翻漿冒泥病害，降低道床彈性[3]，破壞軌道的平順與穩(wěn)定，影響列車運營的安全性和舒適性。

針對有砟軌道基床翻漿冒泥病害，傳統(tǒng)的整治手段有疏通、修建防排水系統(tǒng)，更換基床填土，開挖鋪設(shè)土工封閉層或無紡土工纖維滲濾層等[4]。對于沒有斷線維修條件的運營鐵路，只能利用數(shù)小時的天窗時間進行線路維修施工。開挖道砟、鋪設(shè)土工布是目前在運營線路翻漿冒泥整治中廣泛采用的一種方式，但土工布為柔性材料在長期作用下易被裹挾、翻卷而喪失結(jié)構(gòu)的整體性，且在使用中存在破損情況，對基床的強度、剛度無改善作用。

本文針對目前既有線基床翻漿冒泥整治技術(shù)所存在的問題，提出化學高聚物-碎石復合結(jié)構(gòu)層的新型整治方式，結(jié)合其在寶成(寶雞—成都)鐵路翻漿冒泥病害工點的應用，研究該結(jié)構(gòu)層的施工工藝，并通過行車測試其整治效果。

1 高聚物復合結(jié)構(gòu)層

高聚物復合結(jié)構(gòu)層(以下簡稱結(jié)構(gòu)層)為具有一定強度、剛度與韌性的防水層，該結(jié)構(gòu)介于基床與道床之間。通過在施工時設(shè)置排水坡度，即可將上部降水引導至外側(cè)排水溝，阻隔降水下滲的通道；同時，結(jié)構(gòu)層也隔絕了泥漿上翻的通道，避免形成翻漿冒泥。

1.1 結(jié)構(gòu)層材料

結(jié)構(gòu)層所用的材料由粒徑小于10 mm碎石、雙組份噴涂聚脲[5-6]材料以及特殊配比的雙組份聚氨酯材料組成。材料的部分力學指標見表1。

表1 聚氨酯碎石材料力學指標 MPa

聚氨酯是指主鏈中含有氨基甲酸酯特征單元的一類高分子。通過變化聚氨酯的原料品種以及活潑氫與NCO的比例，聚氨酯的性能可以在很寬廣的范圍內(nèi)進行調(diào)整[7]。利用聚氨酯這一特性，本文采用特殊配比的聚氨酯雙組份材料，使其力學性能、反應時間、流動性、耐久性等特性與結(jié)構(gòu)層功能相適應，滿足翻漿冒泥病害整治的需要。

1.2 結(jié)構(gòu)層組成

結(jié)構(gòu)層位于道砟與基床之間，為雙層復合結(jié)構(gòu)。下層為7 cm厚的聚氨酯-碎石復合層，上層噴涂有2～3 mm厚的聚脲層，如圖1所示。

圖1 翻漿冒泥整治新結(jié)構(gòu)層示意

聚氨酯-碎石復合層(以下簡稱復合層)作為結(jié)構(gòu)層的基礎(chǔ)，有著較高的抗壓、抗折、抗拉強度，有著較好的拉伸性能與韌性，在長期列車動荷載作用下不易破壞。復合層的整體性較好，能夠克服土工布等柔性材料易被裹挾、翻卷的缺陷，可以在一定程度上改善基床的強度、剛度，復合層的彈性模量與道床結(jié)構(gòu)相匹配。

在復合層中，碎石起剛性骨架的作用，提高結(jié)構(gòu)的強度同時降低材料成本；聚氨酯起膠結(jié)作用，將碎石層膠結(jié)為整體結(jié)構(gòu)。不同于水泥基膠凝材料，聚氨酯作為膠凝材料時，抗折強度更高、韌性更好、流動性更強。上部聚脲層為銀灰色固體，且具有防水、綜合性能優(yōu)異、耐磨性能良好等特性。因此聚脲層起保護下層結(jié)構(gòu)、疏導上部降水的作用。

2 翻漿冒泥整治高聚物結(jié)構(gòu)層施工

以寶成鐵路下行線一基床病害工點為例，采用高聚物-碎石復合結(jié)構(gòu)層進行整治。該段線路屬上下行并行線，基床主要為泥巖。新建該鐵路時由于設(shè)計標準較低，未對翻漿冒泥地段進行加固及防水處理，再加上道床厚度不足，在列車荷載及水的作用下，造成翻漿冒泥，嚴重影響鐵路運輸安全。

結(jié)構(gòu)層可分為現(xiàn)場噴涂和預制裝配2種施工方法。現(xiàn)場噴涂施工無需建設(shè)預制場地、設(shè)置預制模板，只需運送施工設(shè)備及材料進場，即可進行施工作業(yè)。此施工方式較為便捷，但施工效率較低，適用于小段翻漿冒泥病害路段的整治。預制裝配施工采用現(xiàn)場開辟預制場地、搭建模板、分段預制結(jié)構(gòu)層，最后拼接施工的方式進行。該種施工方式施工效率較高、施工快速，但需投入額外的場地和模板，適用于規(guī)模較大的翻漿冒泥病害整治工程。由于預制分段長度固定，開挖前也需做好周密的施工規(guī)劃并且保證一定的施工精度。施工流程如圖2所示。

圖2 新結(jié)構(gòu)層用于翻漿病害整治流程

綜合經(jīng)濟性、工程規(guī)模、工點地形等因素，該寶成鐵路翻漿冒泥工點的整治采用現(xiàn)場噴涂法進行施工。

2.1 翻漿冒泥整治新結(jié)構(gòu)層施工設(shè)備

施工設(shè)備有聚氨酯的噴涂與加熱設(shè)備、聚脲噴涂與加熱設(shè)備、空壓機、柴油發(fā)電機、照明設(shè)備、軌道行走設(shè)備、運輸工具等。還包括供氣管線、配電箱、螺絲刀、活動扳手、虎鉗、膠帶等附屬工(機)具。

2.2 現(xiàn)場噴涂施工流程

施工采用破底挖翻漿、鋪設(shè)高聚物結(jié)構(gòu)層的方式。高聚物結(jié)構(gòu)層寬3.6 m，結(jié)構(gòu)層中心與線路中心對齊。

1)施工準備。施工前預卸軌枕頭外的污損道砟，并用沙袋填筑缺口。側(cè)面道砟清理完畢后，潔凈道砟和碎石進場，堆放與線路外側(cè)。最后設(shè)備進場安放在線路外側(cè)待用。在線路封閉后，將設(shè)備安置在走形架上，連接好各個管線，將吸料棒插入料筒中，然后將設(shè)備移動至施工區(qū)域附近就位。

2)跳槽開挖。利用鐵鍬、鏟子、籮筐等工具跳槽開挖污損道砟，將開挖出的污損道砟挑至線路外側(cè)預設(shè)的傾倒點傾倒。對于雙線鐵路，線路外側(cè)軌枕頭處換砟深度不得少于400 mm；線路內(nèi)側(cè)軌枕頭處換砟深度不得少于300 mm。對于單線鐵路，線路中心線軌枕底下的換砟深度不得少于300 mm，軌枕頭處換砟深度不得少于350 mm。開挖面要求保持平整，經(jīng)檢驗合格后開挖工作完成。開挖過程中可打開發(fā)電機進行噴涂設(shè)備預熱。

3)鋪設(shè)碎石。在開挖后的路基平面上鋪設(shè)粒徑不超過10 mm的碎石，碎石鋪設(shè)高度為5 cm，鋪設(shè)時須盡量保證碎石層均勻、平整，其坡度與開挖后路基表面坡度保持一致。

4)噴涂聚氨酯。碎石鋪設(shè)完成后打開空壓機進行聚氨酯噴涂。噴涂過程依靠人工掌握，采用掃射噴涂法，噴涂量以聚氨酯還未反應時，與碎石表面基本平齊為準。

5)噴涂聚脲。噴涂聚氨酯后約5 min，反應基本完成，可進行聚脲噴涂。聚脲噴涂同樣采用掃射噴涂方式由人工控制。噴涂量可由銀灰色的聚脲完全遮蓋住下部黃色的聚氨酯層為準。

6)回填潔凈道砟。聚脲噴涂完畢3 min后檢查表面聚脲層是否完全硬化，合格后將再用道砟及新砟用拉鏟拉回到枕木盒及兩側(cè)，然后進行串鎬串實枕底，并用直沖式搗固機進行振搗。起道找平至標高，檢驗合格后完成回填工作。

7)拔道及收尾工作。設(shè)備下線撤回安放地點，雜物、垃圾清理出現(xiàn)場，檢查是否有遺漏在線路上的工具，將線路直線拔直、曲線撥圓順，完成后人員下線撤離。

8)線路開通。線路開通后利用間隔時間加強線路整修，列車通過后組織復查整修。

3 行車測試分析

為了研究整治效果，在軌枕上安裝加速度計，分別對高聚物結(jié)構(gòu)層與傳統(tǒng)土工布整治區(qū)段的行車加速度進行測量。加速度時程曲線見圖3。

圖3 列車通過整治區(qū)段加速度時程曲線

由圖3可知，同一列車通過高聚物整治區(qū)段的振動加速度最大值為2.127 m/s2，加速度均值是1.072 m/s2，通過土工布整治區(qū)段的振動加速度最大值為4.950 m/s2，加速度均值是3.139 m/s2。高聚物結(jié)構(gòu)層整治區(qū)段的加速度均值與土工布整治區(qū)段的加速度均值之比為0.342，說明高聚物結(jié)構(gòu)層整治區(qū)段的列車運行平順性更好，整治效果優(yōu)于土工布整治區(qū)段。

4 結(jié)語

高聚物-碎石復合結(jié)構(gòu)層具有強度高、韌性好、剛度匹配、防水、耐磨等優(yōu)勢，其施工較為快捷、方便，適用于運營線路的天窗點維修施工，為解決有砟鐵路翻漿冒泥病害提供了較為有效的技術(shù)方案。

此結(jié)構(gòu)層在寶成鐵路翻漿冒泥病害整治工點得到運用，其施工方案得到了進一步的認證與優(yōu)化，行車測試結(jié)果表明整治效果較為理想。

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