曲線超高段聚氨酯固化道床施工工藝研究

樓梁偉，葉曉宇，蔡德鉤，郄錄朝，李書明，姚建平

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081； 3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

聚氨酯固化道床是在已達到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注聚氨酯材料，經(jīng)發(fā)泡、膨脹后聚氨酯彈性材料擠滿碎石道砟之間空隙所形成的膨化彈性固結(jié)整體道床結(jié)構(gòu)[1]。該結(jié)構(gòu)既具有碎石道床良好的彈性和可維修性，又兼?zhèn)湔w道床穩(wěn)定性好、使用壽命長、道床維修作業(yè)少等特點[2-5]，適合于高速、重載鐵路有砟軌道橋隧段和環(huán)境惡劣的特殊地段[6-7]。但目前聚氨酯固化道床技術(shù)在曲線超高段的應(yīng)用較少，本文以濟青高速鐵路聚氨酯固化道床項目為工程背景，總結(jié)曲線超高段聚氨酯固化道床施工工藝，為今后類似工程提供參考。

1 工程概況

濟青高速鐵路活動斷裂帶DK208+597.78—DK213+150.00段設(shè)計為有砟軌道，采用聚氨酯固化道床技術(shù)(聚氨酯固化道床斷面如圖1所示)。其中短鏈 1 609.9 m，線路全長 2 942.0 m，位于新建濟青高速鐵路濰坊北站(DK190+990)與高密北站之間(DK255+400)路基地段。線路設(shè)計情況見表1，線路曲線情況見表2。

圖1 聚氨酯固化道床斷面

起始里程終止里程坡度/‰備注DK208+320DK209+28030下坡DK209+280DK212+6508下坡DK212+650DK213+6506.5上坡

表2 線路曲線情況

2 施工方法及施工過程質(zhì)量控制要點

曲線超高段聚氨酯固化道床主要施工步驟為高程測量、扒砟、烘干作業(yè)、澆注作業(yè)和檢驗。該線路曲線超高值較大(最大超高值為155 mm)，且線路情況較為復(fù)雜，故在原有施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了更高的要求。

聚氨酯固化道床基本施工工藝流程如圖2所示。

圖2 聚氨酯固化道床基本施工工藝流程

2.1 高程測量

施工前測量每根枕木中心線對應(yīng)位置的內(nèi)、外軌軌面高程。宜采用電子水準儀測量，每區(qū)段內(nèi)選擇相應(yīng)的CPⅢ樁作為基準點，減小誤差的累積。

2.2 扒砟

扒砟是將枕盒內(nèi)的道砟扒至軌枕底以上約5 cm的位置，并在對應(yīng)的澆注點位扒窩設(shè)置導(dǎo)流槽，道床厚度大于50 cm的地方可采用打孔的方式作為輔助。澆注時漿液沿澆注點流入枕下，將枕下受力范圍內(nèi)的道砟全部固結(jié)。

施工期間氣溫較高，應(yīng)根據(jù)每日的固化施工作業(yè)量合理制定扒砟的長度，并采用間斷式的方式，即每隔一段距離扒開一段，防止出現(xiàn)高溫脹軌的現(xiàn)象。該項目實施過程中每隔25 m扒砟一段具有較好的效果。

2.3 烘干作業(yè)

聚氨酯固化道床技術(shù)對道砟的溫度和濕度有較高的要求，其烘干作業(yè)是必不可少的重要環(huán)節(jié)。由于道床厚度及潮濕程度不一樣，為保證烘干效果及功效，每天通過烘干、冷卻作業(yè)及道床挖開后檢查的方式(枕端、枕間分別挖開檢查，檢查烘干深度、道床溫度)確認烘干溫度、烘干時間及冷卻作業(yè)時間。同時，確認道床深度，為澆注量的調(diào)整提供依據(jù)。

通常2臺烘干小車同時作業(yè)(如圖3所示)，每次有效的烘干數(shù)量為3根枕木/車，有效烘干時間約為10 min/次，對于道床較厚的區(qū)段(枕下道床厚度大于50 cm)或濕度較大的區(qū)段(有明顯潮濕現(xiàn)象或道床底部有明水)，有效烘干時間不小于15 min/次。

圖3 烘干作業(yè)

烘干作業(yè)的質(zhì)量控制要點[8]：①道床適合聚氨酯反應(yīng)的溫度15～30 ℃(可用激光測溫儀測試)；②道床相對濕度應(yīng)低于30%(可采用濕度計測試)；③從道床側(cè)面溢出的氣體濕度應(yīng)不高于20%～30%。

2.4 澆注作業(yè)

澆注作業(yè)是聚氨酯固化道床技術(shù)的核心工序，通過設(shè)置參數(shù)、調(diào)整澆注點位以及控制澆注質(zhì)量，確保澆注作業(yè)滿足規(guī)范要求。

2.4.1 逐枕編號及記錄

該線路曲線超高段占全部施工段的85%以上，且基床表層設(shè)置4%的橫坡，故道床的厚度變化較大，需要對逐根枕木進行編號，并實時記錄澆注量和軌面標高，保證聚氨酯材料能夠固化至道床底部，且軌面標高的變化小于規(guī)范中的要求，也便于后期的統(tǒng)計和分析。

2.4.2 檢驗聚氨酯泡沫體

聚氨酯泡沫體的日常檢驗至關(guān)重要，其材料的穩(wěn)定性是確保固化施工的重要環(huán)節(jié)。對于現(xiàn)場施工而言，其起發(fā)時間、表干時間和自由泡的密度是衡量材料性能的主要指標[9]。

由于曲線超高和基床表層橫坡的緣故，該線路內(nèi)軌側(cè)的道床厚度約35 cm，外軌側(cè)厚度約50～60 cm。若材料起發(fā)時間太快，則聚氨酯材料無法滲流至底部。綜合對比后，起發(fā)時間14～15 s為合理范圍。聚氨酯材料不同起發(fā)時間狀態(tài)對比見圖4。

2.4.3 澆注參數(shù)設(shè)置及點位控制

為保證聚氨酯固化道床的穩(wěn)定性，需要合理設(shè)置澆注參數(shù)，并實時監(jiān)控和調(diào)整。澆注點位之間的距離應(yīng)根據(jù)實際情況做出調(diào)整。

結(jié)合理論分析和現(xiàn)場的施工經(jīng)驗，可得出：

1)A料溫度恒定在28～30 ℃，B料溫度恒定在30～32 ℃，則澆注過程中材料的穩(wěn)定性良好。

2)澆注槍頭A料和B料壓力恒定在10～12 MPa，則泡沫體狀態(tài)最優(yōu)，且同條件下，B料側(cè)的壓力略大于A料側(cè)效果更佳。

3)結(jié)合聚氨酯材料的單點擴散情況以及實際澆注的效果，各點位之間的距離在30 cm左右合適，不宜超過40 cm。

4)超高段一側(cè)由于厚度較大，其各點位的距離應(yīng)略大，其中軌道外側(cè)兩點位的距離30～33 cm適宜，保證固化后斷面尺寸滿足要求。

2.4.4 澆注量的控制

澆注量主要根據(jù)道床的厚度來調(diào)整，且受道床密實度及道床的溫濕度影響。各點位的澆注量會根據(jù)實際情況實時修改，每根軌枕共有12個澆注點位，其中1#—6#點位與7#—12#點位相對應(yīng)的澆注位置和澆注量一致,1#—3#與4#—6#點位基本呈對稱分布。1#與2#點位之間的距離25～30 cm為宜，2#與3#點位之間的距離35～40 cm為宜。澆注點位布置如圖5所示。

以右線DK208+800處軌枕為例(超高值為155 mm)，1#—6#點位澆注時間(澆注的流量為固定值)分別為24,17,19,14,11,12 s。其中1#—3#點位位于超高一側(cè)，由于路基橫坡的緣故，超高側(cè)、非超高側(cè)枕下道床厚度分別約為60,35 cm。

綜上分析可知：①澆注量的大小與道床厚度成正比例關(guān)系;②2#和5#點位的澆注量通常少于其臨近點位的澆注量(即2#點位的澆注量小于1#點位的,3#和5#點位的澆注量小于4#和6#點位的);③相鄰點位(如1#—3#，4#—6#)的澆注量差別較小，固化后道床均勻飽滿;④澆注量的調(diào)整應(yīng)遵循循序漸進原則，適當微調(diào)，保證固化的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

2.4.5 保壓及回填道砟

根據(jù)實際施工的需要，并結(jié)合工作效率，可每次固化3～4根軌枕后，由專人指示機車司機移動機車及車輛，采用澆注小車和預(yù)混系統(tǒng)平板車對固化道床進行保壓。確保軌道線形變化處于規(guī)范要求內(nèi)。

澆注完成后及時回填固化道床的枕盒，道砟回填后基本將聚氨酯固化道床覆蓋，完成道床標準斷面的整理作業(yè)，表面應(yīng)采用粒徑較大的道砟顆粒[10]。

2.5 檢驗

固化完成后必須對斷面進行檢驗，判斷固化的效果并對下一步的調(diào)整工作積累數(shù)據(jù)。同時應(yīng)監(jiān)測軌道線形變化。

2.5.1 固化斷面檢驗

根據(jù)設(shè)計文件和相關(guān)的技術(shù)條件規(guī)定，固化道床橫斷面為雙塊式梯形，澆注厚度為35 cm時，其梯形頂面寬度不小于85 cm，底面寬度不小于115 cm[3]。

對于曲線超高段而言，由于道床的澆注厚度增大(厚度50～60 cm)，故所形成的梯形斷面尺寸也較大，通常梯形頂面的寬度約90～100 cm，底部的寬度約125～140 cm。

2.5.2 軌面高程變形檢驗

以每一對CPⅢ樁為一個監(jiān)測段落，對逐根軌枕進行編號，監(jiān)測固化前后軌面高程變化。以右線DK209+000—DK209+100段為例，固化前后軌面高程差值變化曲線見圖6(其中，負值為固化后軌面高程下降，正值為固化后軌面高程上拱)?？芍袒┕ず?，經(jīng)保壓等作業(yè)，軌面高程普遍呈現(xiàn)下降趨勢；軌面高程變化值一般小于2 mm；內(nèi)軌側(cè)的軌面高程變形往往大于外軌側(cè)，差值約1 mm。經(jīng)分析由于曲線超高的緣故，所有設(shè)備的重心均偏軌道內(nèi)側(cè)，故內(nèi)軌側(cè)的變形值較大。

圖6 右線DK209+000—DK209+100段固化前后軌面高程差值變化曲線

3 結(jié)論及建議

1)曲線超高段聚氨酯固化道床施工工藝與正線基本一致，但對烘干和澆注作業(yè)提出了較高要求。

2)烘干作業(yè)時間根據(jù)道床的厚度需調(diào)整至 15 min。

3)澆注作業(yè)應(yīng)嚴格控制各項指標和參數(shù)，針對曲線超高的特殊情況，聚氨酯材料起發(fā)時間應(yīng)控制在14～15 s。

4)澆注量與道床的厚度成正比例關(guān)系，其相鄰澆注點位的澆注量差別較小。相鄰澆注點位之間的距離25～40 cm為宜，不宜超過40 cm。

5)曲線超高段聚氨酯固化道床所形成的梯形斷面尺寸也較大。當澆注厚度為50～60 cm時，梯形頂面的寬度約90～100 cm，底部的寬度約125～140 cm。

6)曲線超高段聚氨酯固化施工后，軌面高程普遍呈下降趨勢，其變形值一般小于2 mm，但內(nèi)軌側(cè)變形一般大于外軌側(cè)，差值約1 mm。