雙塊式無砟軌道機(jī)械抬升方案設(shè)計(jì)及注漿加固效果研究

董敏琪，蘇謙,2，黃志超，程鵬，裴彥飛，劉寶森

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

截止2021 年1 月，我國鐵路運(yùn)營總里程達(dá)到15 萬km，其中高速鐵路運(yùn)營里程達(dá)到3.8 萬km，我國鐵路研究和技術(shù)創(chuàng)新的主題也由設(shè)計(jì)與建造技術(shù)轉(zhuǎn)為運(yùn)營維護(hù)安全保障技術(shù)[1]。由路基沉降引起無砟軌道上部結(jié)構(gòu)下沉是一種十分常見的病害，引起路基過度沉降的原因有3 種[2]，一是惡劣的氣候環(huán)境影響，二是復(fù)雜的自然地理環(huán)境，三是列車的荷載作用。傳統(tǒng)路基沉降病害的整治方法有擠密樁法、局部換填法、注漿加固法及土工合成材料加固法，該類型病害整治辦法耗時(shí)長，只能在中斷行車的條件下對(duì)建設(shè)期路基沉降進(jìn)行整治[3]。而對(duì)于既有高速鐵路運(yùn)營線，鐵路路基的養(yǎng)護(hù)維修只能在天窗點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)，因此傳統(tǒng)方法將不適用。對(duì)于既有高速鐵路運(yùn)營線，當(dāng)無砟軌道結(jié)構(gòu)下沉量超出扣件系統(tǒng)調(diào)整限值時(shí)，在天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行快速整治的辦法主要有化學(xué)抬升與機(jī)械抬升?；瘜W(xué)抬升是利用高壓注漿設(shè)備，在級(jí)配碎石層與軌道板之間注入高聚物材料，通過注漿壓力及高聚物膨脹力對(duì)軌道板進(jìn)行整體抬升[4]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于高聚物注漿抬升技術(shù)應(yīng)用于路基地段[5]、道岔區(qū)[6]、過渡段[7]、隧道內(nèi)無砟軌道[8]等已有諸多研究，對(duì)于抬升所用的高聚物注漿材料[9]及抬升后服役期耐久性[10]也有相關(guān)研究。高聚物在級(jí)配碎石層與軌道板之間的密閉空間中力學(xué)行為十分復(fù)雜，且高聚物在層間擴(kuò)散流動(dòng)時(shí)存在著膨脹能力耗散的問題，不利于抬升的精確控制，而上述有關(guān)化學(xué)抬升研究中均沒有闡述如何進(jìn)行無砟軌道結(jié)構(gòu)化學(xué)抬升的精確控制。因此，對(duì)于無砟軌道結(jié)構(gòu)的過量沉降，實(shí)際工程中常采用機(jī)械抬升。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于CRTSⅠ型[11]、CRTSⅡ[12]型板式無砟軌道的抬板施工工藝及相關(guān)技術(shù)難題做了部分研究，也有學(xué)者對(duì)機(jī)械抬升方案設(shè)計(jì)做了簡單介紹[13]。但均缺乏基于無砟軌道結(jié)構(gòu)安全的抬升方案設(shè)計(jì)研究，關(guān)鍵參數(shù)控制不明確。在實(shí)際應(yīng)用中，工程實(shí)踐者憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行抬升作業(yè)。且當(dāng)前對(duì)雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)的機(jī)械抬升相關(guān)研究較少，特別在材料為素混凝土的支承層底部進(jìn)行機(jī)械抬升，未見相關(guān)研究。綜上所述，本文依托渭井線(原遂渝線)雙塊式無砟軌道機(jī)械抬升工程，基于混凝土塑性損傷模型，利用ABAQUS 仿真計(jì)算進(jìn)行雙塊式無砟軌道機(jī)械抬升方案設(shè)計(jì)，并對(duì)方案安全性進(jìn)行檢算；依據(jù)方案進(jìn)行了現(xiàn)場整治作業(yè)，分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性及抬升作業(yè)效果。研究成果可為類似工程設(shè)計(jì)施工提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 工程背景

渭井線作為國內(nèi)第1條整區(qū)段鋪設(shè)的無砟軌道試驗(yàn)段，包含了多種板式無砟軌道和雙塊式無砟軌道，綜合試驗(yàn)段全長13.137 km。渭井線于2007年1 月開始運(yùn)營，初期僅運(yùn)營客車，2011 年7 月開始通行貨車，目前為客貨共線電氣化鐵路?？拓浌簿€不同荷載組合、線路地處雨水充沛的西南地區(qū)及軌道結(jié)構(gòu)破損嚴(yán)重等多種因素共同作用，導(dǎo)致軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)過量沉降，嚴(yán)重影響列車運(yùn)營安全。

本次機(jī)械抬升區(qū)段為：渭井線上行線K139+175～K139+235，軌道結(jié)構(gòu)類型為雙塊式無砟軌道，其中K139+205 處，軌道板沉降了23.5 mm，且有持續(xù)沉降趨勢，現(xiàn)場機(jī)械抬升如圖1所示。

圖1 渭井線現(xiàn)場機(jī)械抬升Fig.1 On-site mechanical lifting of Weijing line

1.2 工程措施

針對(duì)路基不均勻沉降造成的無砟軌道上部結(jié)構(gòu)過量下沉，擬采用機(jī)械抬升進(jìn)行整治。其主要整治思路是：利用全站儀和電子水準(zhǔn)儀確定目標(biāo)抬升板抬升高度，然后拆除抬升區(qū)段扣件系統(tǒng)并取出鋼軌底部橡膠墊板，采用機(jī)械抬升工裝在支承層底部將軌道板抬升至設(shè)計(jì)高度，所用抬升方法為分步抬升法；待目標(biāo)抬升板達(dá)到預(yù)定高度后，利用注漿工裝將填充材料注入級(jí)配碎石層與支承層之間，待填充材料達(dá)到初凝強(qiáng)度后，拆除工裝并恢復(fù)線路整體平順性。機(jī)械抬升工裝如圖2 所示，抬升時(shí)為防止支承層抬升點(diǎn)處受剪破壞及基床表層承載力不足破壞，需在精調(diào)爪與千斤頂?shù)撞糠謩e墊一塊鋼板。

圖2 機(jī)械抬升工裝Fig.2 Mechanical lifting tooling

2 機(jī)械抬升方案設(shè)計(jì)

采用有限元軟件ABAQUS 進(jìn)行抬升工裝間距研究及單塊軌道板單次抬升限值研究，機(jī)械抬升時(shí)，提前松開抬升區(qū)段內(nèi)扣件系統(tǒng)，并取出鋼軌底部橡膠墊板，使得無縫線路鋼軌與軌道板之間形成空隙，因此無縫線路軌道結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械抬升無影響；為了消除軌道板自身的模型邊界效應(yīng)，建立包含5塊軌道板長度的數(shù)值模型。在確定抬升工裝間距時(shí)，利用中間單塊軌道板進(jìn)行研究；確定單塊軌道板單次抬升限值時(shí)，采用中間3塊軌道板進(jìn)行研究。

建立的5 塊軌道板模型，其中支承層整體建模，寬度為3.4 m，高度為0.3 m，材料為C15 素混凝土，每隔4.99 m 切割一條寬度為2 cm，深度為10 cm 的假縫；單塊道床板長度為4.99 m，寬度為2.8 m，高度為0.26 m，道床板之間存在2 cm 伸縮縫，且Ⅰ型雙塊式無砟軌道道床板與道床板之間無縱向鋼筋連接；在支承層底部添加30 cm×30 cm×1.5 cm的實(shí)體單元，材料為鋼材，用以施加位移荷載。道床板與支承層之間通過綁定方式連接，支承層與其底部剛性實(shí)體單元之間也采用綁定方式連接。模型端部采用固定端約束，整個(gè)模型在自身重力作用下進(jìn)行受力分析。模型主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，模型如圖3。

圖3 ABAQUS計(jì)算模型Fig.3 ABAQUS calculation model

表1 ABAQUS模型參數(shù)Table 1 ABAQUS model parameters

2.1 確定抬升工裝間距

確定機(jī)械抬升工裝間距時(shí)，需多次變換其位置進(jìn)行試算。董明[13]針對(duì)材料為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的底座板進(jìn)行抬升點(diǎn)位間距試算，得出底座板頂升點(diǎn)間距為2 m。本文針對(duì)雙塊式無砟軌道，其支承層材料為C15 素混凝土，因此，本文設(shè)計(jì)3 種工況進(jìn)行試算，分別為抬升工裝間距2，1.5和1 m。

計(jì)算結(jié)果表明：2 m 和1.5 m 2 種工況因抬升工裝間距過大導(dǎo)致支承層內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而頂升點(diǎn)為1 m 時(shí)支承層中線部分的最大拉應(yīng)力為0.36 MPa，小于C15素混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.5 MPa。因此，機(jī)械抬升工裝間距為1 m 的方案可行，即單塊軌道板須由10套抬升工裝進(jìn)行機(jī)械抬升。其中，單塊軌道板機(jī)械抬升工裝縱向布置圖如圖4 所示，1 m 抬升工裝間距應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖4 單塊軌道板抬升工裝縱向布置Fig.4 Longitudinal layout of single track plate lifting tooling

圖5 1m抬升工裝間距應(yīng)力云圖Fig.5 Stress cloud diagram of 1m lifting tooling spacing

2.2 地基承載力檢算

機(jī)械抬升時(shí)，抬升工裝與路肩接觸位置可能發(fā)生地基承載力不足破壞，因此進(jìn)行抬升工裝底部地基承載力驗(yàn)算。土質(zhì)路基基本承載力可根據(jù)式(1)經(jīng)驗(yàn)公式估算[14]。根據(jù)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2016)，客貨共線鐵路無砟軌道基床表層K30(地基系數(shù))為190 MPa/m，則單塊軌道板與10套抬升工裝需滿足式(1)要求。

式中：GS，GT和GR分別為單塊軌道板的支承層自重及道床板自重，取支承層密度為2 360 kg/m3，軌道板密度為2 400 kg/m3；S為抬升工裝底部與路肩表層接觸面積，現(xiàn)場為(35×35)mm2的鋼墊板。

經(jīng)驗(yàn)算，抬升工裝底部荷載小于基床表層容許承載力，因此，機(jī)械抬升時(shí)抬升工裝底部不會(huì)發(fā)生地基承載力破壞。

2.3 基于混凝土塑性損傷模型的分步抬升法

混凝土結(jié)構(gòu)塑性損傷模型是基于損傷力學(xué)發(fā)展而來，可反映混凝土材料破壞的過程和規(guī)律，能達(dá)到從材料內(nèi)部微觀角度探究宏觀力學(xué)效應(yīng)的目的[15]。在ABAQUS 中，通過損傷因子-非彈性應(yīng)變關(guān)系來模擬混凝土受荷下的剛度折減規(guī)律。

2.3.1 混凝土塑性損傷模型理論

混凝土塑性損傷模型采用混凝土單軸受力工況下的應(yīng)力與非彈性應(yīng)變之間的關(guān)系，非彈性應(yīng)變由混凝土單軸應(yīng)力?應(yīng)變曲線換算?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)中混凝土本構(gòu)關(guān)系引入了損傷演化參數(shù)，具有較好的收斂性，因此，采用該規(guī)范提供的混凝土本構(gòu)關(guān)系。混凝土單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線由式(2)和式(3)確定：

受拉情況：

受壓情況：

若將規(guī)范中的損傷演化參數(shù)直接應(yīng)用于混凝土塑性損傷模型，會(huì)導(dǎo)致模型不易收斂，SIDOROFF[16]基于有損材料的彈性余能與無損材料的形式相同，提出損傷因子可通過式(4)計(jì)算，然后將計(jì)算結(jié)果直接輸入ABAQUS子程序。經(jīng)驗(yàn)證，此方法迭代收斂，且能得到切合實(shí)際的結(jié)果。

對(duì)于普通混凝土，塑性損傷模型的其他相關(guān)參數(shù)推薦值如表2所示。

表2 塑性損傷模型參數(shù)Table 2 Plastic damage model parameters

2.3.2 單次抬升限值

將上述的σ，dt，ε?ckt輸入ABAQUS 塑性損傷計(jì)算模型，將中間軌道板命名為“目標(biāo)抬升板”(以下簡稱目標(biāo)板)，與目標(biāo)板相鄰的軌道板命名為“過渡板”。通過在軌道板支承層底部的剛性實(shí)體單元添加不同位移荷載，計(jì)算分析支承層的損傷程度。

考慮5 種位移荷載工況，分別給目標(biāo)板的10個(gè)剛性實(shí)體單元添加4，5，6，7和8 mm 的位移荷載，荷載方向豎直向上，同時(shí)將添加的位移荷載利用過渡板位移荷載線形過渡為0。例如：給目標(biāo)板的10 個(gè)剛性實(shí)體單元添加4 mm 位移荷載，則2塊過渡板從靠近目標(biāo)板開始向兩側(cè)分別添加3.6，2.8，2，1.2 和0.4 mm 的位移荷載。在5 種荷載工況下，分別觀察支承層的損傷情況，以目標(biāo)板位移荷載(F)為橫坐標(biāo)，支承層損傷程度(S)為縱坐標(biāo)，擬合軌道板支承層S-F曲線，如圖7 所示。圖8 為4，6 和8 mm 工況下的軌道板支承層損傷計(jì)算模型。

圖7 軌道板支承層損傷程度(S)-荷載(F)曲線Fig.7 Support layer’s damage degree(S)-load(F)curve

圖8 不同位移荷載下支承層損傷模型Fig.8 Damage model of supporting layer under different displacement loads

由圖7可知，當(dāng)目標(biāo)板抬升高度超過4 mm 時(shí)，支承層損傷程度陡增，且單次抬升高度為5 mm時(shí)，損傷程度已達(dá)64%，極易造成支承層斷裂。因此，單塊軌道板支承層底部機(jī)械抬升時(shí)，結(jié)合現(xiàn)場施工快速抬升需要及結(jié)構(gòu)安全兩因素綜合考慮，本文取單次抬升高度限值為4 mm。

2.3.3 分步抬升法

基于軌道板支承層底部機(jī)械抬升時(shí)，單塊軌道板單次抬升高度限值為4 mm，且需前后相鄰的軌道板進(jìn)行抬升過渡，本文提出一種新的軌道板機(jī)械抬升方法：分步抬升法。即將目標(biāo)板分多步抬升至預(yù)定高程，每步抬升限值為4 mm。第1 步：將目標(biāo)板抬升4 mm，同時(shí)將目標(biāo)板抬升高度4 mm利用其前后相鄰的軌道板線形過渡至0；第2 步：將目標(biāo)抬升板與前后相鄰過渡板全部抬升4 mm，同時(shí)再分別沿大、小里程方向各增加一塊軌道板將抬升高度4 mm 線形過渡至0；第N(N＞2)步：重復(fù)第2步，直至將目標(biāo)板抬升至預(yù)定高程。

3 注漿填充材料

依據(jù)《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》(TG/GW 115—2012)，無砟道床混凝土缺損修補(bǔ)材料可采用聚合物水泥砂漿或樹脂砂漿，本次注漿材料采用聚合物改性水泥砂漿。根據(jù)現(xiàn)場灌漿料施工自流動(dòng)及材料耐久性的要求，聚合物改性水泥砂漿除需滿足維修規(guī)則規(guī)定的性能要求外，還需滿足流動(dòng)度、抗蝕系數(shù)及強(qiáng)度損失率的相關(guān)規(guī)定。對(duì)聚合物改性水泥砂漿分別開展多項(xiàng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 聚合物改性水泥砂漿物理力學(xué)性能試驗(yàn)值Table 3 Test value of physical and mechanical properties of the polymer-modified cement mortar

從室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用聚合物改性水泥砂漿作為板底注漿填充材料，其基本物理力學(xué)性能均滿足注漿加固現(xiàn)場施工及長期服役要求。

4 現(xiàn)場抬升效果

4.1 現(xiàn)場抬升作業(yè)

現(xiàn)場雙塊式無砟軌道機(jī)械抬升試驗(yàn)工點(diǎn)位于渭井線上行K139+205 處，由目標(biāo)抬升板抬升高度設(shè)計(jì)值推算沿小里程與大里程方向過渡板塊數(shù)分別為6 塊、5 塊。因此，抬升區(qū)段為K139+175～K139+235，共12 塊軌道板，每塊軌道板采用4 個(gè)控制點(diǎn)控制抬升，控制點(diǎn)由小里程至大里程分左股和右股依次命名為L1～L24 和R1～R24，如圖9所示，目標(biāo)抬升板控制抬升點(diǎn)設(shè)計(jì)抬升高度如表4所示?，F(xiàn)場分6步將目標(biāo)抬升板抬升至預(yù)定高程。

圖9 現(xiàn)場抬升試驗(yàn)區(qū)段Fig.9 Field lifting test section

表4 目標(biāo)抬升板設(shè)計(jì)抬升高度Table 4 Target lifting board design lifting height

4.2 抬升效果監(jiān)測

現(xiàn)場抬升時(shí)，采用全站儀及電子水準(zhǔn)儀對(duì)抬升過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，抬升區(qū)段內(nèi)軌道板抬升前后線形圖分別如圖10 和圖11 所示。由圖可知，抬升后的軌道板線形與設(shè)計(jì)線形誤差符合《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》(TG/GW 115—2012)要求。在距機(jī)械抬升天窗點(diǎn)7 d和28 d的時(shí)間點(diǎn)，對(duì)抬升區(qū)段內(nèi)的軌道板抬升控制點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果為：抬升7 d后的1～24號(hào)控制點(diǎn)(包括L1～L24和R1～R24)幾何形位較剛抬升后，在L13和R13 處分別下沉1 mm；抬升28 d 后的控制點(diǎn)幾何形位較剛抬升后，在L13，R13，L14 和R14 處分別下沉1 mm，其他控制點(diǎn)無變化。

圖10 抬升區(qū)段軌道板抬升前線形Fig.10 Lifting section track slab before lifting line shape

圖11 抬升區(qū)段軌道板抬升后線形Fig.11 Lifting section track slab after lifting line shape

依據(jù)現(xiàn)場機(jī)械抬升前、后軌道板幾何形位變化及后期抬升區(qū)段軌道板幾何形位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，渭井線雙塊式無砟軌道機(jī)械抬升整治效果良好，整治后的線路平順性符合規(guī)范要求。

5 結(jié)論

1) 雙塊式無砟軌道支承層底部機(jī)械抬升時(shí)，為防止支承層內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力超出混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，抬升點(diǎn)布置間距宜為1 m，且在該工況下的地基承載力檢算結(jié)果為：安全。

2) 利用混凝土塑性損傷模型，得出單塊軌道板單次抬升限值為4 mm；并提出一種新的雙塊式無砟軌道支承層底部機(jī)械抬升方法：分步抬升法。

3) 選用聚合物改性水泥砂漿作為注漿材料，通過多項(xiàng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其物理力學(xué)指標(biāo)，結(jié)果表明采用聚合物改性水泥砂漿滿足注漿加固現(xiàn)場施工及長期服役要求。

4) 對(duì)渭井線雙塊式無砟軌道病害段進(jìn)行現(xiàn)場整治作業(yè)，由現(xiàn)場抬升測量及后期觀測數(shù)據(jù)表明，機(jī)械抬升及注漿加固效果良好。