寬枕板式聚氨酯固化道床上拱變形試驗研究

樓梁偉，劉 瑞，葉曉宇，李書明，郄錄朝，徐 旸

(1.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；2.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； 3.北京鐵科特種工程技術(shù)開發(fā)公司，北京 100081)

烏魯木齊地鐵1號線位于城市南北向主客流走廊，線路將南嶺客運站、新疆大學(xué)、大巴扎、南門等大型客流集散點串聯(lián)起來，為烏魯木齊城市軌道交通的骨干道路。1號線跨越了4條地質(zhì)斷層，其中3條均具有活動性，需要考慮其對地鐵工程的影響。

烏魯木齊地鐵1號線活動斷層地段(體育館至植物園區(qū)間DK17+880—DK18+080、八樓至大西溝區(qū)間DK11+535—DK11+765、小西溝至鐵路局區(qū)間DK15+320—DK15+640)采用新型板式軌道結(jié)構(gòu)，寬枕板下方鋪設(shè)碎石道床，從寬枕板預(yù)設(shè)澆注孔和寬枕板四周澆注聚氨酯材料將碎石道床全部固結(jié)，形成寬枕板式聚氨酯固化道床。寬枕板式聚氨酯固化道床是一種新型的整體道床，具有彈性好、緩沖性能優(yōu)越、防污性能良好的特性。寬枕板式聚氨酯固化道床不僅在一定程度上保持了有砟道床彈性良好、噪聲小、維護方便等諸多優(yōu)點，還提高了道床結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，增強了道床的承載力，延長了道床的使用壽命，降低了線路養(yǎng)護維修的工作量，便于日常巡檢和緊急情況下乘客疏散，滿足研究活動斷層錯位時軌道結(jié)構(gòu)的調(diào)整、修復(fù)要求[1]。此外，在線路基礎(chǔ)發(fā)生瞬時空間大變形時軌道結(jié)構(gòu)可以快速、便捷地修復(fù)，為活動斷層區(qū)域軌道設(shè)防提供依據(jù)[2]。

道床專用聚氨酯材料的研究已逐漸成熟，但針對寬枕板式聚氨酯固化道床施工工藝的研究尚未完善。寬枕板式聚氨酯固化道床在前期澆注施工過程中出現(xiàn)了不同程度的軌道結(jié)構(gòu)上拱現(xiàn)象，造成后期軌道精調(diào)困難[3-4]。因此，為進一步促進寬枕板式聚氨酯固化道床在城市軌道中的應(yīng)用，有效控制施工的影響因素，本研究制作實尺模型，改變聚氨酯澆注方式，測試聚氨酯澆注發(fā)泡后道床的膨脹力及寬枕板的上拱變形量，并根據(jù)試驗結(jié)果提出針對性的工藝優(yōu)化措施。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 試驗實尺模型制作

按照圖1所示的烏魯木齊地鐵1號線混凝土底板及圍板結(jié)構(gòu)加工圖的設(shè)計要求，制作試驗實尺模型。

圖1 混凝土底板及圍板結(jié)構(gòu)加工圖(單位：mm)

模擬烏魯木齊地鐵1號線8大區(qū)間曲線段，并按照寬枕板式道床超高地段要求，道床采用一級水洗道砟進行填筑。軌道中心線處底砟厚度為30 cm，表面5 cm 厚度的面砟采用10～35 cm的小碎石，并按曲線外側(cè)鋼軌比內(nèi)側(cè)高120 mm進行順坡。道砟分3次填筑，第1次 20 cm，第2次10 cm，第3次5 cm，每層填筑后采用振動夯實機對道床進行夯實。然后鋪設(shè)寬枕板，最后回填寬枕板周圍道砟并夯實。

1.2 變形量測量方法

該試驗主要測量聚氨酯澆注完成后寬枕板的上拱變形量，測量方式分為水準儀測量和百分表測量2種。測點分布如圖2所示。

圖2 測點分布

1)水準儀測量：在寬枕板內(nèi)側(cè)和外側(cè)各安裝1個觀測點，即測點5和測點6，并在實驗室地面設(shè)置1個基準點，記錄初始高程。待聚氨酯發(fā)泡完成、道床變形穩(wěn)定后，記錄澆注后的高程。

2)百分表測量：在寬枕板4個角各布置1個百分表，測點分別為1，2，3，4，澆注聚氨酯前將4個百分表調(diào)零，記錄初始刻度。

2 膨脹力測試研究

2.1 膨脹力測試裝置

為測試澆注聚氨酯時道床產(chǎn)生的膨脹力，在寬枕板上方安裝壓力測試裝置。沿線路方向在鋼軌中心線上方放置2根橫梁，橫梁通過立柱與道床底板連接，用于防止?jié)沧r寬枕板上拱。在每根固定橫梁與寬枕板之間布置2個壓力傳感器。膨脹力測試裝置如圖3所示。

圖3 膨脹力測試裝置

2.2 澆注順序及點位

根據(jù)前期烏魯木齊地鐵1號線現(xiàn)場施工工藝和曲線段超高設(shè)計，確定試驗中聚氨酯澆注量和澆注順序。試驗澆注順序及點位如圖4所示。

圖4 澆注順序及點位

2.3 澆注量

控制材料的溫度和壓力，設(shè)定聚氨酯材料的起發(fā)時間為21 s，表干時間為135 s[5]。試驗澆注量見表1。

表1 試驗澆注量

2.4 結(jié)果分析

由前可見，寬枕板上方共安裝了4個壓力傳感器，測試澆注時的膨脹力時域波形。單個壓力傳感器的膨脹力測試波形見圖5。

圖5 膨脹力測試波形

由圖5可知，單個壓力傳感器測得的最大膨脹力約為10 kN,則寬枕板式固化道床澆注聚氨酯后最大膨脹力約為40 kN，單板膨脹力與普通Ⅲ型枕固化道床相比[6]增大約1倍。采用24 kN荷載保壓條件下上拱變形量為16～18 mm。分析試驗結(jié)果得出，聚氨酯發(fā)泡后產(chǎn)生的膨脹力會持續(xù)較長時間，由于實尺模型四周為封閉狀態(tài)，膨脹力只能從頂部釋放，因此驗證了寬枕板式聚氨酯固化道床在施工時會出現(xiàn)軌道上拱的現(xiàn)象。

3 聚氨酯澆注方式對變形量的影響

3.1 澆注批次對變形量的影響

3.1.1 澆注批次設(shè)計

圖6為聚氨酯澆注順序及點位。第1個實尺模型按照圖6設(shè)置的澆注順序及點位一次性進行澆注。為觀察寬枕板間的澆注點是否會對膨脹力形成黏結(jié)約束，第2個實尺模型先澆注圖6中的1—16號點，24 h后澆注17—20號點，再過24 h澆注21—30號點。

圖6 澆注順序及點位

3.1.2 澆注量

控制材料的溫度和壓力，設(shè)定聚氨酯材料的起發(fā)時間為19 s，表干時間為98 s[5]。試驗澆注量設(shè)置見表2。

表2 試驗澆注量設(shè)置

3.1.3 結(jié)果分析

圖7為澆注板縫間點后和澆注板中間點后測點1—4的實時變形量。可知，當(dāng)澆注寬枕板板縫間的道床時，膨脹變形微??；當(dāng)從寬枕板主澆注孔澆注下方道床時，出現(xiàn)較大膨脹變形。由此分析得出，板縫間的聚氨酯對整個寬枕板的上拱變形量影響較小；先澆注板縫間的點位，寬枕板已經(jīng)和混凝土板黏結(jié)形成約束力，則完整澆注后總體上拱變形量會減小。

圖7 測點1—4的實時變形量

3.2 澆注橫截面對變形量的影響

3.2.1 試驗設(shè)計

該試驗設(shè)計的目的是探究寬枕板式雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)相比于全斷面固化道床結(jié)構(gòu)是否可以降低上拱變形量。圖8為雙梯形結(jié)構(gòu)示意。

圖8 雙梯形結(jié)構(gòu)示意(單位：mm)

3.2.2 澆注順序及點位

本試驗采用寬枕板下雙梯形斷面澆注，首先澆注1—12號點位，24 h后澆注13—22號點位。澆注順序及點位如圖9所示。

圖9 澆注順序及點位

3.2.3 澆注量

控制材料的溫度和壓力，設(shè)定聚氨酯材料的起發(fā)時間為15 s，表干時間為120 s[5]。試驗澆注量設(shè)置見表3。

表3 試驗澆注量設(shè)置

圖10 測點1—4變形量隨時間變化曲線

3.2.4 結(jié)果分析

實時監(jiān)測顯示，澆注1—12號點位后和澆注13—22號點位后測點1—4變形量隨時間的變化曲線見圖10。可知：①雙梯形聚氨酯固化道床施工時對軌道結(jié)構(gòu)的影響較小。先澆注寬枕板板縫之間的點位，產(chǎn)生的黏結(jié)力部分抵消了澆注寬枕板板孔后的膨脹力，當(dāng)聚氨酯澆注完成后總的膨脹力減小。②雙梯形聚氨酯固化道床寬枕板內(nèi)側(cè)變形量相比于外側(cè)較大。原因是內(nèi)側(cè)道砟空隙較小，寬枕板上拱程度相對明顯，但寬枕板整體變形量仍在標(biāo)準范圍內(nèi)。

4 結(jié)論及建議

通過室內(nèi)試驗，研究了寬枕板式道床全斷面聚氨酯澆注后單塊寬枕板受到的膨脹力大小，并基于先前的澆注工藝，研究了不同的聚氨酯澆注方式對上拱變形量的影響，得出以下結(jié)論。

1)相比全斷面聚氨酯固化道床，曲線超高地段道床采用雙梯形聚氨酯固化道床后，上拱變形量明顯減小。由于內(nèi)側(cè)道砟空隙較小，澆注過程中出現(xiàn)了寬枕板內(nèi)側(cè)變形量相對較大，外側(cè)變形量相對較小的情況。

2)在曲線超高地段進行聚氨酯固化道床施工時，澆注量應(yīng)嚴格控制，減少寬枕板內(nèi)側(cè)整體的澆注量。

3)澆注時先澆注寬枕板板縫之間的點位，24 h后再澆注板中間的點位，聚氨酯會對寬枕板進行黏結(jié)從而形成約束力，減小寬枕板的上拱變形量。及時對寬枕板進行保壓，膨脹變形程度還會有所減小。

4)按照不同批次進行聚氨酯澆注試驗，得出現(xiàn)場施工時應(yīng)盡量多地分批次澆注。第1遍澆注寬枕板板縫之間的點位，第2遍澆注寬枕板中間點位，第3遍澆注寬枕板兩側(cè)點位。

5)在聚氨酯澆注時應(yīng)注意保壓的位置，因超高地段寬枕板內(nèi)側(cè)較低，保壓時應(yīng)將壓力盡可能多地保留在寬枕板的外側(cè)。