曲線超高段聚氨酯固化道床施工變形控制

柴強(qiáng)

（中國(guó)鐵路濟(jì)南局集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250001）

聚氨酯固化道床結(jié)合了有砟和無砟軌道優(yōu)點(diǎn)，是一種極有開發(fā)前景的新型軌道結(jié)構(gòu)［1-4］，可解決目前有砟軌道橋隧地段養(yǎng)護(hù)維修難、無砟軌道彈性差、噪聲大等問題［5-8］。聚氨酯固化道床的澆注過程，實(shí)際上就是固化材料發(fā)泡、膨脹，并黏結(jié)道砟和填充空隙的過程，但固化材料的聚合反應(yīng)在碎石道床內(nèi)部產(chǎn)生膨脹力，會(huì)引起道砟間接觸機(jī)理的改變以及軌道變形［9-10］，而且聚氨酯固化道床施工是在線路精調(diào)后進(jìn)行，不均勻變形會(huì)導(dǎo)致線路不平順，甚至出現(xiàn)扣件無法調(diào)節(jié)的極端情況，故應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)變形控制［11］。

聚氨酯固化道床技術(shù)相繼在高速鐵路、重載鐵路、普速鐵路成功運(yùn)用，但在高速鐵路線路超高段的應(yīng)用較少。本文以濟(jì)青高速鐵路聚氨酯固化道床施工為工程背景，分析直線段、緩和曲線段與圓曲線段施工過程中的變形規(guī)律，并提出控制措施，為今后類似的工程提供參考。

1 工程概況

濟(jì)青高速鐵路在穿越地質(zhì)活動(dòng)斷裂帶區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為聚氨酯固化道床，該段處于路基地段，雙線全長(zhǎng)2.942 km。起止里程為DK208+597.78—DK213+150.00。

DK208+320—DK209+280區(qū)段為 30‰ 下坡，DK209+280—DK212+650區(qū)段為8‰下坡，DK212+650—DK213+650區(qū)段為6.5‰上坡，其他為平坡。左線DK205+924.42—DK210+806.14和DK212+883.08—DK214+409.35區(qū)段為曲線，曲線半徑分別為8 000，10 000 m；右線 DK205+924.42—DK210+806.14和DK212+883.08—DK214+409.35區(qū)段為曲線，曲線半徑分別為8 005，9 995 m，其他為直線段。

2 曲線超高段聚氨酯固化道床施工變形控制措施及分析

2.1 常規(guī)作業(yè)變形

施工前測(cè)量每根枕木中心線對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)、外軌軌面高程。宜采用電子水準(zhǔn)儀測(cè)量，每區(qū)段內(nèi)選擇相應(yīng)的CPⅢ樁作為基準(zhǔn)點(diǎn)，減小誤差的累積［8］。其左線軌道高程變化見下一頁(yè)的圖1。

由圖1可知：左線聚氨酯固化道床施工過程中，直線段高程變化較為平穩(wěn)，在-1～1 mm變化；圓曲線段高程變化趨勢(shì)較為平穩(wěn)，在-2～1 mm變化；緩和曲線段高程變化趨勢(shì)較大，在-3～3 mm變化。

左線固化前后的軌道質(zhì)量指數(shù)（Track Quality Index，TQI）見表1、表2。

由表1、表2可知，直線段固化前、后平均TQI值分別為2.10，2.29 mm；圓曲線段固化前、后平均TQI值分別為2.27，3.72 mm；緩和曲線段固化前、后平均TQI值分別為2.36，3.98 mm。

圓曲線與緩和曲線段TQI值變化較大。經(jīng)分析，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能為：

1）曲線超高段內(nèi)軌側(cè)與外軌側(cè)道床厚度不一致，其道床密實(shí)度有差異；

2）因曲線超高段的緣故，設(shè)備重心及保壓裝置（見下一頁(yè)的圖2）重心均偏于內(nèi)軌側(cè)，導(dǎo)致保壓力不平衡，內(nèi)軌側(cè)的沉降量大于外軌側(cè)；

3）線路最大超高值為150 mm，超高側(cè)道床厚度較大，故澆注量大，導(dǎo)致內(nèi)軌側(cè)與外軌側(cè)產(chǎn)生較大的澆注時(shí)間差，從而導(dǎo)致內(nèi)外軌變形不一致；

圖1 左線不同區(qū)段軌道高程變化量

表1 左線固化前TQI值mm

表2 左線固化后TQI值 mm

由于線路在固化過程中發(fā)生一定程度變形，且TQI值在緩和曲線、圓曲線段變化較大，會(huì)導(dǎo)致后期軌道精調(diào)工作量增大，需進(jìn)一步優(yōu)化變形控制措施。

2.2 變形控制措施

對(duì)比直線段、緩和曲線段、圓曲線段固化施工變形，可知超高段高程變化趨勢(shì)較大，且TQI值變化較大?？紤]施工工藝及施工裝備情況，采用以下控制措施：

1）須調(diào)整保壓配重，增大外軌側(cè)保壓力，以消除施工中產(chǎn)生的不均勻變形［11］。

2）優(yōu)化澆注流量，減小澆注時(shí)間差，避免相同軌枕端部高差的不利情況。

常規(guī)作業(yè)條件下，在超高值150 mm處典型區(qū)段澆注點(diǎn)位布置如圖3所示，各點(diǎn)位澆注時(shí)間見表3。

圖2 保壓裝置

圖3 澆注點(diǎn)位布置示意

表3 常規(guī)作業(yè)典型區(qū)段各點(diǎn)位澆注時(shí)間

由表3可知，采用六槍頭澆注設(shè)備同時(shí)澆注，常規(guī)作業(yè)條件下超高值150 mm處各點(diǎn)位澆注時(shí)間差最大可達(dá)到16 s，且外軌側(cè)（1#，2#，3#點(diǎn)位）與內(nèi)軌側(cè)（4#，5#，6#點(diǎn)位）澆注時(shí)間差可達(dá)到14 s。聚氨酯泡沫固化材料起發(fā)時(shí)間通常為3～15 s，故澆注時(shí)間差會(huì)產(chǎn)生起發(fā)時(shí)間相位差，從而導(dǎo)致的線路不平順［11-14］。

由于超高緣故，外軌側(cè)道床厚度大于內(nèi)軌側(cè)，故外軌側(cè)澆注量及澆注時(shí)間大于內(nèi)軌側(cè)。在保證澆注總量不變的情況下，調(diào)大外軌側(cè)澆注點(diǎn)位的流量，則外軌側(cè)澆注時(shí)間會(huì)減小，內(nèi)軌側(cè)與外軌側(cè)澆注時(shí)間差亦隨之減小，見表4。相同工況條件下，內(nèi)軌側(cè)與外軌側(cè)的澆注時(shí)間差減小至3 s，避免了因起發(fā)時(shí)間相位差導(dǎo)致的不利情況。

表4 優(yōu)化澆注流量后典型區(qū)段各點(diǎn)位澆注時(shí)間

優(yōu)化保壓裝置及澆注流量后，進(jìn)行右線施工，其軌道高程變化量見圖4。

圖4 右線不同區(qū)段軌道高程變化量

由圖4可知：右線聚氨酯固化道床施工過程中，直線段高程變化較為平穩(wěn)，在-2～0 mm變化；圓曲線段高程變化較為平穩(wěn)，在-3～0 mm變化；緩和曲線段高程變化較大，在-3～1 mm變化。

右線固化前、后的TQI值見表5、表6。

由表5、表6可知，直線段固化前后的平均TQI值分別為2.40，2.55 mm；圓曲線段固化前后的平均TQI值分別為1.99，2.57 mm；緩和曲線段固化前后的平均TQI值分別為2.30，3.96 mm。

與左線相比，直線段高程變化基本一致，TQI值變化基本一致；圓曲線段高程變化基本一致，TQI值變化減小；緩和曲線段高程變化減小，TQI值變化基本一致。

針對(duì)左軌向和右軌向2項(xiàng)指標(biāo)單獨(dú)分析，取圓曲線段和緩和曲線段相對(duì)應(yīng)的左軌向、右軌向平均值。常規(guī)作業(yè)條件下左線軌向變化見表7，優(yōu)化控制措施后右線軌向變化見表8。

表5 右線固化前TQI值 mm

表6 右線固化后TQI值 mm

表7 常規(guī)作業(yè)條件下左線軌向變化 mm

表8 優(yōu)化控制措施后右線軌向變化 mm

由表7、表8可知，優(yōu)化控制措施后，其圓曲線段、緩和曲線段的左軌向、右軌向的變化量均減小，尤其左軌向變化量在固化后比固化前更小，效果更好，該優(yōu)化措施達(dá)到了預(yù)期效果。

綜上，右線固化過程變形控制整體優(yōu)于左線，減小了施工過程中由材料發(fā)泡膨脹所引起的軌面不平順。根據(jù)絕對(duì)高程測(cè)量結(jié)果，曲線超高段內(nèi)軌側(cè)變形一般大于外軌側(cè)。

3 結(jié)論及建議

1）聚氨酯固化道床在線路超高段施工應(yīng)考慮保壓裝置重心偏載的不利因素，調(diào)整保壓配重；同時(shí)應(yīng)調(diào)整內(nèi)軌側(cè)與外軌側(cè)的澆注流量，減小由于澆注時(shí)間差導(dǎo)致的線路不平順。

2）聚氨酯固化道床施工，在直線段與圓曲線段固化前后高程變化較為平穩(wěn)，緩和曲線段高程變化較大。

3）聚氨酯固化道床在線路超高段施工，其軌面高程普遍呈下降趨勢(shì)，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)變形一般大于外軌側(cè)，差值約1 mm。

4）軌道高程變化為聚氨酯固化道床施工過程監(jiān)控的重要指標(biāo)。建議今后在聚氨酯固化道床施工過程中加強(qiáng)對(duì)除軌道高程外其他軌道幾何狀態(tài)指標(biāo)監(jiān)測(cè)，尤其應(yīng)重視軌道平面變化的監(jiān)測(cè)。

5）建議進(jìn)一步研發(fā)膨脹力小的高速鐵路用聚氨酯固化材料，減小施工過程中因聚氨酯發(fā)泡產(chǎn)生膨脹力對(duì)軌道造成影響。