基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的軌道結(jié)構(gòu)快速修復(fù)技術(shù)

郭 瑞

(中鐵二十局集團(tuán)有限公司，陜西西安 710016)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，高速鐵路建設(shè)得到了空前的發(fā)展，而無砟軌道具有穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結(jié)構(gòu)耐久性強(qiáng)、維修工作量少和技術(shù)相對成熟等特點(diǎn)，在高速鐵路得到普遍采用，近年來，許多高鐵已施工完成并相繼投入運(yùn)營[1-2]。目前，我國采用的板式無砟軌道形式主要是從日本新干線板式軌道引進(jìn)的CRTSⅠ型板式無砟軌道和從德國博格板式軌道引進(jìn)的CRTSⅡ型板式無砟軌道[3]。無砟軌道在長期運(yùn)營和外界復(fù)雜自然環(huán)境作用下不可避免地出現(xiàn)損壞和老化，高速行駛的列車加重了無砟軌道的破壞，若不及時維修，則無法正常運(yùn)營。因此，無砟軌道維修技術(shù)是高速鐵路長期安全運(yùn)營的保障。

軌道的基底結(jié)構(gòu)不但承受上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量，還要長時間承受動載的作用，其發(fā)生損壞將導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)惡化，改變路基的荷載條件，荷載不均勻的作用在基底結(jié)構(gòu)，形成惡性循環(huán)。高速鐵路僅有4h的天窗時間，加大了線路養(yǎng)護(hù)維修難度與工作量，而高速鐵路隧道內(nèi)無砟軌道基底結(jié)構(gòu)不允許有基底破壞和過大的沉降變形。針對鐵路隧道環(huán)境復(fù)雜、運(yùn)營安全要求高，以及無砟軌道快速修復(fù)技術(shù)欠缺的現(xiàn)狀，研究和探索無砟軌道基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)快速修復(fù)技術(shù)。

1 無砟軌道病害類型及原因

我國高速鐵路的無砟軌道主要類型為CRTS I型和CRTS II型，雖然結(jié)構(gòu)設(shè)計不同，但出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)病害大體相同。板式無砟軌道主要由混凝土底座、水泥乳化瀝青砂漿墊層、預(yù)制混凝土軌道板、板問連接構(gòu)件、鋼軌及扣件等構(gòu)成。

1.1 砂漿墊層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫

砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫是高鐵板式無砟軌道的常見傷損之一，CRTS I型無砟軌道的砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫主要出現(xiàn)在軌道板四角，部分出現(xiàn)在軌道板中部，一般離縫在2 mm以下，個別在3 mm以上。產(chǎn)生砂漿墊層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫缺陷的原因比較復(fù)雜，主要原因有軌道板四角翹曲，灌注砂漿不飽滿，軌道板與砂漿層熱脹冷縮速率不同，鋼軌精調(diào)時由扣件引起等[4]。

根據(jù)國外高速鐵路經(jīng)驗(yàn)和對我國高速鐵路的調(diào)研[5]，砂漿層與軌道板離縫在2 mm及以上時，軌道結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生的一些危害，如加速砂漿層傷損和老化；動車組列車高速通過時，車體搖晃，影響舒適性；軌道板傷損；扣件系統(tǒng)產(chǎn)生不同程度傷損。

CRTS II型無砟軌道的砂漿層和軌道板結(jié)構(gòu)離縫與CRTS I型不同。CRTSⅡ型無砟軌道砂漿層無灌注袋，采用支模后整體澆筑，澆筑時從外面難以觀察灌注飽滿情況，砂漿固化后，可能會出現(xiàn)外面飽滿內(nèi)部空虛狀況。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫一般在1 mm以下，離縫最長可達(dá)10 m以上，深度不等。產(chǎn)生的原因主要是施工和當(dāng)?shù)販囟取⒂晁拳h(huán)境因素有關(guān)，南方地區(qū)雨水多，致使離縫深度較大，貫穿縫較多；部分砂漿層與混凝土底座離縫。

CRTSⅡ型無砟軌道為縱連板式結(jié)構(gòu)，1 mm以下離縫，即便是貫穿縫，也較難被軌檢車發(fā)現(xiàn)，目前主要靠人工排查。隨著雨雪侵蝕及動車組列車通過時對軌道板與砂漿層的拍打，離縫逐漸加深加大，往往傷損軌道板。

1.2 砂漿層缺損結(jié)構(gòu)病害

砂漿層缺損指砂漿因過度老化導(dǎo)致砂漿層斷裂和剝落，在我國早期的無砟軌道試驗(yàn)段出現(xiàn)較多，目前新建線路開通時間短，砂漿層采用了優(yōu)化的砂漿配方以及灌注袋的保護(hù)，尚未出現(xiàn)此類病害，長期運(yùn)營可能會出現(xiàn)。

鐘英華[6]在對遂渝線無砟軌道試驗(yàn)段的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)水泥砂漿層的破損，砂漿層病害主要包括砂漿層的斷裂和剝落，一般在軌道板板間接縫部位和軌道板精調(diào)爪附近較為突出，并且會日趨嚴(yán)重[7]。

砂漿層缺損病害是直接由砂漿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度決定的，與砂漿的配合比、生產(chǎn)工藝、施工工藝、運(yùn)營條件和溫度變化等因素密切相關(guān)，在列車荷載作用下產(chǎn)生的離縫和豎向裂縫等傷損，常會誘發(fā)此類災(zāi)害。施工中的補(bǔ)灌砂漿若與原砂漿層無法有效粘結(jié)，在列車循環(huán)荷載作用下，將會誘發(fā)砂漿層缺損掉塊，嚴(yán)重影響到砂漿層的性能和軌道結(jié)構(gòu)的耐久性。

1.3 混凝土傷損

混凝土傷損主要是無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)傷損，是高速鐵路無砟軌道的主要病害之一，包括底座及路基混凝土產(chǎn)生裂縫、軌道板承軌槽掉塊、軌道板混凝土掉塊、鋼筋裸露、側(cè)向擋塊大面積掉塊等。

在高鐵客運(yùn)專線中出現(xiàn)的混凝土裂縫，并非列車循環(huán)荷載作用導(dǎo)致，而是由于軌道變形作用導(dǎo)致。變形受到約束后產(chǎn)生的壓力大于混凝土的抗壓強(qiáng)度將導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。同時材料不均勻、施工溫度、收縮變形、鋼筋異常、地基不均勻沉降、混凝土骨料沉落等，都會誘發(fā)混凝土裂縫[8]。

混凝土道床板出現(xiàn)裂縫以后，板中鋼筋容易銹蝕，銹蝕鋼筋對混凝土不斷擠脹使裂縫不斷擴(kuò)張，導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫并產(chǎn)生掉塊傷損。在長期服役的環(huán)境下，混凝土?xí)c大氣中的二氧化碳作用發(fā)生反應(yīng)，碳化后混凝土的脆性增大，加速了混凝土的掉塊剝離[9]，若產(chǎn)生滲水將加快基礎(chǔ)下沉，大大降低了無砟軌道混凝土道床的耐久性以及承載能力，甚至影響到行車安全。

基于病害產(chǎn)生的原因采取相關(guān)監(jiān)測，并通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，推斷將會發(fā)生何種災(zāi)害，提取采取措施，或者病害已經(jīng)發(fā)生在人并未識別但通過儀器等可以識別的部位，因及時采取病害的針對性快速修復(fù)技術(shù)。

2 快速修復(fù)技術(shù)

軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞將對列車運(yùn)行帶來了極大威脅，嚴(yán)重時會引起列車脫軌等重大安全事故。因此，必須及時采取修復(fù)措施，避免損傷進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1 快速修復(fù)技術(shù)原則

(1)快速修復(fù)。由于我國高速鐵路日間行車密度大，因此一般白天無法對運(yùn)營線路進(jìn)行檢查，日常養(yǎng)護(hù)維修普遍放在夜間，養(yǎng)護(hù)維修天窗時間為4 h，病害整治維修時間必須在天窗時問完成，材料強(qiáng)度必須在天窗時間達(dá)到，否則將影響正常運(yùn)營。針對這一原則，相關(guān)研究人員從快速檢測病害和快速修復(fù)材料等方面進(jìn)行了研究。

(2)“可二次”維修性。在復(fù)雜的運(yùn)營條件和使用狀態(tài)下往往會出現(xiàn)二次傷損，于是要求對維修后出現(xiàn)的二次傷損需能夠進(jìn)行二次維修，同時要求維修材料具有“可維修”性，或可以從無砟軌道結(jié)構(gòu)病害處直接將病害徹底剔除，或維修材料可以進(jìn)行反復(fù)維修并且新舊維修材料融合良好。

2.2 材料選擇

材料選擇的原則為在天窗內(nèi)固化與原材料融合良好，同時符合《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中材料力學(xué)性質(zhì)和其他指標(biāo)的要求。

根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)病害類型和維修原則，我國無砟軌道發(fā)展早期，用于無砟軌道快速維修的材料為無機(jī)材料，主要包括混凝土修補(bǔ)的快干水泥砂漿和由快干水泥組成的水泥乳化瀝青材料?？旄伤嗌皾{價格便宜，但由于自身強(qiáng)度較低以及黏結(jié)強(qiáng)度不高，主要用于非受力混凝土缺損維修，若用于在受力部位，常造成二次傷損。水泥乳化瀝青砂漿作為砂漿層修補(bǔ)材料，是高速鐵路板式無砟軌道修復(fù)的核心技術(shù)，作為修補(bǔ)材料，水泥乳化瀝青與原砂漿層的匹配性能較好，曾被日本大量應(yīng)用于新干線的無砟軌道結(jié)構(gòu)砂漿層維修，因其耐腐蝕性和耐凍融性差，在維修后3～5 a會出現(xiàn)不同程度的二次傷損，目前逐漸被其他有機(jī)材料(如乙烯基樹脂)代替。

由于無機(jī)材料不能滿足無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修需求，近年來有機(jī)材料被大量用于無砟軌道快速維修，主要有環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、異丁烯樹脂和有機(jī)硅材料。環(huán)氧樹脂因其良好的機(jī)械性能和對混凝土優(yōu)良黏結(jié)性能用于混凝土裂縫和缺損維修；砂漿層離縫和缺損維修常使用異丁烯樹脂和乙烯基樹脂；僅有混凝土伸縮縫病害的修復(fù)使用有機(jī)硅。這些有機(jī)材料具有“可二次”維修性，新材料可在舊材料基礎(chǔ)上進(jìn)行維修，無需清除。但是這些高分子材料存在著固有的缺陷，例如老化問題，施工條件復(fù)雜及成本昂貴等。因此材料的研究仍在進(jìn)行中。

2.3 快速修復(fù)方法

2.3.1 砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫維修

針對砂漿層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫維修，目前最有效的方法是注漿。根據(jù)壓力大小，注漿分為常壓注漿法、低壓注漿法和高壓注漿法。由于軌道系統(tǒng)的開放性和離縫高度的微小件，高壓注漿法往往使維修材料流入不該進(jìn)入的軌道部件中，常壓注漿法則難以將縫隙灌注飽滿，因此低壓注漿法最為合理。動車組列車通過時軌道板時對砂漿層的擠壓強(qiáng)度約為0.1 MPa，因此將灌注壓強(qiáng)設(shè)置為0.1 MPa，保證了注漿時漿液壓力對軌道板和砂漿層沒有破壞性。

對1 mm以上的連續(xù)離縫封閉后，在注漿段的最遠(yuǎn)端設(shè)立觀察孔，觀察注漿是否飽滿；對1 mm以下的連續(xù)離縫，采用細(xì)鉆頭沿砂漿層上沿每隔30 cm打孔進(jìn)行注漿，注漿至相鄰注漿孔漏漿；對內(nèi)部不連續(xù)離縫，采用細(xì)絲探明后多點(diǎn)注漿，多點(diǎn)注漿與連續(xù)離縫注漿方式相同，其維修施工步驟如下：

(1)在軌道板上標(biāo)明注漿孔和觀察孔位置。

(2)采用玻璃膠或其他密封膠將離縫封閉。

(3)插人注漿管和觀察器，進(jìn)行注漿。

(4)注漿至觀察器或相鄰注漿后漏漿后，停止注漿。

(5)維修材料固化后拆除密封條，如果發(fā)現(xiàn)灌注不飽滿應(yīng)重新封閉進(jìn)行二次灌注。

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

2.3.2 漿層缺損維修

砂漿層缺損維修施工步驟如下：

(1)清除松動破損砂漿層。

(2)將混凝土底座打毛，并清理浮土。

(3)每隔30 cm打人錨固鋼釘，并涂刷底漆。

(4)填人新的修補(bǔ)砂漿，并搗鼓密實(shí)。

(5)立模至材料固化，防止因重力原因?qū)е虏牧匣洹?/p>

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

2.3.3 混凝土傷損維修

混凝土傷損維修是防止因混凝土傷損造成鋼筋裸露銹蝕或結(jié)構(gòu)功能喪失等。維修的部位在強(qiáng)度上應(yīng)該符合原混凝土要求，并且有良好的黏結(jié)性和耐腐蝕性，并應(yīng)防止脫落造成更多隱患，需在傷損部位進(jìn)行植筋等，維修施工步驟如下：

(1)鑿除松動混凝土。

(2)對混凝土傷損面進(jìn)行植筋，清除混凝土傷損面塵土。

(3)涂刷底漆。

(4)根據(jù)原混凝土形狀制模并填入樹脂。

(5)待樹脂固化后拆除模具。

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

回龍灣隧道位于重慶市巴南區(qū)一品鎮(zhèn)和界石鎮(zhèn)境內(nèi)，為新建雙線隧道，起止里程DK19+460～DK23+180，最大埋深196 m，全長4 350 m；洞身DK22+115.08～DK23+043.79段為半徑2 000 m的右偏曲線，其余為直線，設(shè)計縱坡為5 ‰、4.5 ‰、5.1 ‰的單面上坡，線路高程284.64～305.96 m。DK23+480～DK23+580段下穿在建龍州灣2號公路隧道。

經(jīng)過長期運(yùn)營，回龍灣隧道無砟軌道結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)不均勻沉降，在列車動載循環(huán)作用下軌道結(jié)構(gòu)超過強(qiáng)度極限產(chǎn)生開裂、下沉和翻漿冒泥。列車通過時，裂縫處出現(xiàn)噴水現(xiàn)象，可看到脫空的道床板產(chǎn)生較大的動變形，對道床板及軌枕產(chǎn)生不良影響，出現(xiàn)裂縫與崩裂。

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測

基準(zhǔn)點(diǎn)選擇在列車通過時裂縫外的結(jié)構(gòu)，在脫空嚴(yán)重的地方設(shè)置測點(diǎn)。圖1為貨物列車通過時路基動變形，表1為地質(zhì)雷達(dá)監(jiān)測到的隧道內(nèi)無砟軌道地段病害位置及表現(xiàn)形式。

在測試位置，軌道板脫空處于病害狀態(tài)，貨物列車經(jīng)過時產(chǎn)生的動變形較火.造成脫空縫隙處積水上涌，出現(xiàn)噴涌?？v向裂縫兩邊明顯有振動錯動現(xiàn)象。加固前，貨物列幣通過時道床板動變形最大為1.09 mm。

圖1 加固前貨物列車通過時路基動變形

表1 隧道內(nèi)無砟軌道地段病害位置及表現(xiàn)形式

3.3 快速修復(fù)方法

針對重慶鐵路樞紐東環(huán)線回龍灣隧道整體道床裂縫、下沉，以及翻漿冒泥等病害，采用注漿提升軌道板和精確定位方法。為此采用雙液組分、高強(qiáng)發(fā)泡樹脂進(jìn)行注漿加固處理，填充無砟軌道基底結(jié)構(gòu)空洞和進(jìn)行底面密封，精確提升軌道板。

3.4 效果檢測

(1)加固后，道床板動變形為0.45 mm，改善了列車通過時的動力響應(yīng)(圖2)。

圖2 加固后貨物列車通過時路基動變形

(2)加固后病害起止位置和隧道內(nèi)無砟軌道地段病害位置及表現(xiàn)形式深度明顯縮短，軌道板下結(jié)構(gòu)的整體密實(shí)狀況得到明顯改善，加固措施作用明顯。

4 結(jié)論

(1)總結(jié)了我國無砟軌道病害類型及原因，主要包括砂漿墊層與軌道板結(jié)構(gòu)離縫、砂漿層缺損結(jié)構(gòu)病害、混凝土傷損三種病害類型，病害一般是多種因素綜合的結(jié)果，因此，在進(jìn)行高鐵隧道監(jiān)測時要進(jìn)行全面快速檢測。

(2)軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞將對列車運(yùn)行帶來了極大威脅，修復(fù)技術(shù)要遵循快速修復(fù)和“可二次”維修性的原則，在材料選擇方面要復(fù)合上述原則和規(guī)范對材料性質(zhì)的要求，針對不同的病害采取不同的快速修復(fù)技術(shù)。

(3)通過對回龍灣隧道的路基動變形監(jiān)測和利用地質(zhì)雷達(dá)的物探監(jiān)測，監(jiān)測到整體道床裂縫、下沉，以及翻漿冒泥等病害，采用針對性快速修復(fù)技術(shù)，取得了較好的效果。