高速鐵路無(wú)砟軌道線路路基封閉層病害成因及整治技術(shù)研究

劉永存,魏永恒

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430063)

中國(guó)高速鐵路在完成“四縱四橫”主干網(wǎng)建設(shè)后，逐漸從大規(guī)模建設(shè)期進(jìn)入安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)期。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，一些病害問(wèn)題逐步顯現(xiàn)，無(wú)砟軌道線路路基封閉層上拱開(kāi)裂、嵌縫材料傷損、基床表層翻漿冒泥[1]等是普遍存在的病害之一。

近年來(lái)，在高溫季節(jié)無(wú)砟軌道線路路基地段線間及路肩混凝土封閉層發(fā)生多次拱起，幸被及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，未對(duì)行車(chē)安全造成影響。為確保既有無(wú)砟軌道線路運(yùn)營(yíng)安全，需分析其成因并進(jìn)行整治，消除安全隱患。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)無(wú)砟軌道線路路基封閉層已有一定的研究，但主要集中在封閉層施工[2-4]、嵌縫材料優(yōu)化[5-9]、封閉層防排水設(shè)計(jì)[10-16]等方面，僅有少數(shù)對(duì)封閉層病害整治[17-20]進(jìn)行過(guò)研究，且并未針對(duì)各種工況予以說(shuō)明。

本文系統(tǒng)梳理了中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)范圍10條高速鐵路路基封閉層病害情況，分析了病害成因，明確了既有線整治中橫向伸縮縫合理間距，并分3種情況研究整治方案，為類似病害整治提供參考。

1 現(xiàn)場(chǎng)病害情況及原因分析

無(wú)砟軌道線路路基封閉層可有效阻止雨水的侵入，保障軌道基礎(chǔ)的強(qiáng)度及耐久性。但由于封閉層橫向伸縮縫設(shè)置不合理、嵌縫材料傷損失效等，導(dǎo)致封閉層上拱開(kāi)裂、基床表層翻漿冒泥等病害。

1.1 橫向伸縮縫設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致封閉層拱起

根據(jù)工務(wù)段現(xiàn)場(chǎng)排查統(tǒng)計(jì)，滬寧城際、滬杭、京滬、寧杭、杭甬、杭長(zhǎng)、合福、寧安、鄭徐、杭黃高鐵10條線無(wú)砟軌道路基封閉層共計(jì)436.6 km，其中封閉層橫向未設(shè)伸縮縫約5 km，封閉層橫向設(shè)置真縫(伸縮縫深度與封閉層厚度一致)22.7 km，封閉層橫向設(shè)置假縫(伸縮縫深度與封閉層厚度不一致)408.9 km?，F(xiàn)場(chǎng)封閉層橫向伸縮縫設(shè)置間距多數(shù)在2.5～10 m，局部地段間距為15～25 m，具體詳見(jiàn)表1。

表1 橫向伸縮縫設(shè)置情況統(tǒng)計(jì)

路基地段封閉層分為線間封閉層和路肩封閉層，詳見(jiàn)圖1。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)排查情況，目前封閉層縱縫位置尚未發(fā)現(xiàn)有上拱現(xiàn)象。上拱病害主要發(fā)生在封閉層橫縫位置，且一般發(fā)生在伸縮假縫或者伸縮縫間距設(shè)置過(guò)大位置，見(jiàn)2、圖3。

圖1 路基封閉層示意

圖2 封閉層伸縮假縫

圖3 封閉層拱起開(kāi)裂

封閉層橫向伸縮縫設(shè)置不當(dāng)存在設(shè)計(jì)和施工兩方面的原因：一方面，設(shè)計(jì)中部分項(xiàng)目封閉層橫向伸縮縫采用假縫，運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后隨著嵌縫材料失效以及灰塵、冒漿等堵塞假縫喪失調(diào)節(jié)功能，高溫下封閉層混凝土內(nèi)部形成的溫度力得不到有效釋放，導(dǎo)致病害發(fā)生。另一方面項(xiàng)目施工時(shí)并未按設(shè)計(jì)要求設(shè)置伸縮縫。考慮到溫度力影響，設(shè)計(jì)中一般要求伸縮縫間距不超過(guò)10 m，并對(duì)應(yīng)于板縫設(shè)置，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)存在封閉層橫向未設(shè)伸縮縫以及伸縮縫間距設(shè)置過(guò)大的情況。封閉層橫向未設(shè)伸縮縫或伸縮縫間距設(shè)置過(guò)大使封閉層混凝土單元長(zhǎng)度增加，溫度應(yīng)力和伸長(zhǎng)量增大。隨著環(huán)境溫度升高產(chǎn)生的溫度應(yīng)力增長(zhǎng)到一定程度，上拱段在薄弱處破裂釋放應(yīng)力，導(dǎo)致病害發(fā)生?？梢?jiàn)封閉層拱起主要原因是封閉層橫向伸縮縫設(shè)置不當(dāng)，夏季高溫季節(jié)在溫度力作用下所致。因此建議封閉層橫向伸縮縫采用真縫，且間距不超過(guò)10 m。

1.2 嵌縫材料傷損失效引發(fā)基床表層翻漿冒泥

通過(guò)對(duì)10條高鐵線路嵌縫材料應(yīng)用現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)嵌縫材料主要有熱熔改性瀝青、聚氨酯密封膠和硅酮填縫密封材料，其傷損形式主要包括溢出、開(kāi)裂、離縫、脫落(圖4)等，而且一般情況下，多種傷損形式并存。

圖4 嵌縫材料脫落

嵌縫材料傷損失效主要由于材料性能及施工工藝不當(dāng)所致。嵌縫材料失效后，密封防水功能喪失，雨水便沿著封閉層伸縮縫滲入到混凝土底座下部的級(jí)配碎石層中。在高速列車(chē)動(dòng)荷載作用下，級(jí)配碎石層中自由水產(chǎn)生較高的壓力，引起承壓水從伸縮縫消散的同時(shí)，也流失了級(jí)配碎石層中細(xì)顆粒。隨著泵吸作用的加劇，細(xì)顆粒不斷流失，最終導(dǎo)致級(jí)配碎石層翻漿冒泥[21]。從已運(yùn)營(yíng)的高速鐵路來(lái)看，由于嵌縫材料老化失效而導(dǎo)致無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大面積病害的情況已較為明顯，因此現(xiàn)場(chǎng)整治過(guò)程中應(yīng)采用施工性、變形性、穩(wěn)定性和耐老化性好的硅酮材料，同時(shí)強(qiáng)化施工工藝控制，避免出現(xiàn)二次傷損。

2 封閉層病害整治

2.1 既有線整改橫向伸縮縫間距確定

根據(jù)運(yùn)營(yíng)單位反饋，當(dāng)封閉層橫向設(shè)置真縫且間距在10 m以內(nèi)時(shí)，封閉層狀態(tài)良好，未出現(xiàn)上拱病害。結(jié)合既有線運(yùn)營(yíng)情況，同時(shí)考慮到伸縮縫為封閉層的薄弱環(huán)節(jié)，若設(shè)置過(guò)密，一方面增加了現(xiàn)場(chǎng)整治工作量，另一方面后期一旦出現(xiàn)二次傷損，容易導(dǎo)致翻漿冒泥，因此整治過(guò)程中封閉層橫向伸縮縫間距按不超過(guò)10 m控制。

2.2 整治方案

針對(duì)既有線路基封閉層現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，分封閉層橫向未設(shè)伸縮縫、封閉層橫向設(shè)置真縫、封閉層橫向設(shè)置假縫3種工況進(jìn)行整治。

2.2.1 封閉層橫向未設(shè)伸縮縫

(1)當(dāng)既有封閉層長(zhǎng)度L1≤10 m時(shí)，不作處理。

(2)當(dāng)既有封閉層長(zhǎng)度L1>10 m時(shí)，沿線路縱向線間和路肩封閉層每隔10 m通過(guò)切割封閉層增設(shè)橫向伸縮縫，見(jiàn)圖5。

圖5 封閉層橫向未設(shè)伸縮縫整治方案示意(封閉層長(zhǎng)度L1>10 m，單位：m)

2.2.2 封閉層橫向設(shè)置真縫

(1)當(dāng)既有封閉層伸縮縫間距L2≤10 m時(shí)，不作處理。

(2)當(dāng)既有封閉層伸縮縫間距L2>10 m時(shí)，在既有伸縮縫間沿線路縱向通過(guò)切割封閉層增設(shè)伸縮縫，增設(shè)的伸縮縫間以及與既有伸縮縫間間距不得超過(guò)10 m，見(jiàn)圖6。

圖6 封閉層橫向設(shè)置真縫整治方案示意(伸縮縫間距L2>10 m，單位：m)

2.2.3 封閉層橫向設(shè)置假縫

(1)當(dāng)既有封閉層伸縮假縫間距L3≤10 m時(shí)，沿線路縱向不超過(guò)10 m距離在既有伸縮假縫位置通過(guò)切割處理改造成伸縮縫，見(jiàn)圖7。

圖7 封閉層橫向設(shè)置假縫整治方案示意(伸縮假縫間距L3≤10 m，單位：m)

(2)當(dāng)既有封閉層伸縮假縫間距L3>10 m時(shí)，首先將既有伸縮假縫通過(guò)切割處理改造成伸縮縫，同時(shí)在改造后的伸縮縫間沿線路縱向通過(guò)切割封閉層增設(shè)伸縮縫，增設(shè)的伸縮縫間以及與改造后的伸縮縫間間距不得超過(guò)10 m，見(jiàn)圖8。

圖8 封閉層橫向設(shè)置假縫整治方案示意(伸縮假縫間距L3>10 m，單位：m)

2.3 整治流程

伸縮縫設(shè)置位置確定→既有線封閉層切割及既有伸縮假縫切割改造→伸縮縫清理→伸縮縫嵌縫封閉。

2.4 主要施工工藝及注意事項(xiàng)

(1)伸縮縫設(shè)置位置確定

伸縮縫位置應(yīng)避開(kāi)線間集水井、路肩接觸網(wǎng)立柱、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)平臺(tái)、路基沉降觀測(cè)標(biāo)等，見(jiàn)表2。

表2 伸縮縫設(shè)置位置

(2)既有線封閉層切割及既有伸縮假縫切割改造

既有伸縮假縫改造前應(yīng)先將既有伸縮假縫表面嵌縫材料清除干凈后再進(jìn)行切割。切割過(guò)程中盡量避免破壞封閉層、支承層、底座及軌道板，切割深度務(wù)必達(dá)到封閉層底部，確保伸縮縫為真縫。改造后或新增的伸縮縫寬度為20 mm，深度為封閉層厚度，長(zhǎng)度為既有線間或路肩封閉層橫向?qū)挾取Ｉ炜s縫設(shè)置方案詳見(jiàn)表3。

表3 伸縮縫切割設(shè)置方案

(3)伸縮縫清理

切割后將伸縮縫中混凝土碎片、浮砟、塵土等清理干凈，并集中收集運(yùn)輸，運(yùn)輸過(guò)程采用專用通道，避免碎石、浮渣等掉落污染軌道。伸縮縫內(nèi)松散混凝土可以采用角磨機(jī)打磨去除，大顆粒雜物可采用刷子清理，并用吹風(fēng)機(jī)對(duì)灰塵、浮渣等進(jìn)行清理。清理后伸縮縫內(nèi)應(yīng)干燥、清潔，無(wú)灰塵、雜物等。

(4)伸縮縫嵌縫封閉

①伸縮縫清理完成后，采用閉孔聚乙烯泡沫塑料板填充，并在表面20 mm深度范圍采用有機(jī)硅酮嵌縫材料密封，見(jiàn)圖9。有機(jī)硅酮嵌縫材料灌注前，應(yīng)用刷子在伸縮縫兩側(cè)均勻涂刷界面劑，待界面劑表干30 min以后再進(jìn)行灌注。

圖9 改造后或新增伸縮縫嵌縫示意(單位：mm)

②若既有封閉層厚度h<50 mm，伸縮縫可不采用閉孔聚乙烯泡沫塑料板填充，直接采用有機(jī)硅酮嵌縫材料密封。

③嵌縫材料傷損失效引發(fā)路基基床表層翻漿冒泥地段，應(yīng)清理縫隙處翻漿冒泥及既有嵌縫材料后安裝注漿管、重新進(jìn)行閉孔聚乙烯泡沫塑料板填充和有機(jī)硅酮密封。而后灌注高聚物化學(xué)漿，填充底座板、封閉層與基床表層之間的空隙，恢復(fù)路基支撐強(qiáng)度。注膠時(shí)壓力應(yīng)保持恒定，保證一次性灌注飽滿。

④閉孔聚乙烯泡沫塑料板安裝后應(yīng)及時(shí)檢查閉孔聚乙烯泡沫塑料板的安裝質(zhì)量，檢查內(nèi)容包括嵌入深度、與伸縮縫兩側(cè)混凝土的密貼性以及閉孔聚乙烯泡沫塑料板接頭密封性等。

⑤灌注完畢后，有機(jī)硅酮嵌縫材料實(shí)干前，應(yīng)采取有效防護(hù)措施防止雨水、雜物落入，并避免下一步工序?qū)τ袡C(jī)硅酮嵌縫材料的損壞。有機(jī)硅酮嵌縫材料實(shí)干后，才能進(jìn)行伸縮縫封端模具的拆除。

2.5 整治效果

現(xiàn)場(chǎng)封閉層病害整治完畢后，效果良好，目前尚未出現(xiàn)二次拱起病害。

3 結(jié)論

結(jié)合上海鐵路局范圍10條高速鐵路路基封閉層運(yùn)營(yíng)狀況，對(duì)既有線路基封閉層病害進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并提出了整改方案及建議。封閉層整治后效果良好，為后期類似工況提供了參考。

(1)梳理了既有線路基封閉層病害。封閉層病害可歸納為兩類：橫向伸縮縫設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致封閉層拱起開(kāi)裂以及嵌縫材料傷損失效引發(fā)基床表層翻漿冒泥。

(2)研究了既有線路基封閉層拱起病害成因。封閉層拱起主要原因是封閉層橫向伸縮縫間距設(shè)置過(guò)大或存在假縫，夏季高溫季節(jié)在溫度力作用下所致。因此建議后續(xù)設(shè)計(jì)中封閉層橫向伸縮縫采用真縫，且間距不超過(guò)10 m。

(3)提出了整治過(guò)程中封閉層橫向伸縮縫合理間距。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)為減少封閉層薄弱環(huán)節(jié)和現(xiàn)場(chǎng)整治工作量，整治過(guò)程中封閉層橫向伸縮縫間距可按不超過(guò)10 m控制。