鄭新國，劉 競，李書明，謝永江，曾 志，楊德軍，翁智財(cái)，劉相會

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路沉降無砟軌道結(jié)構(gòu)注漿整體抬升修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)

鄭新國，劉 競，李書明，謝永江，曾 志，楊德軍，翁智財(cái)，劉相會

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國部分無砟軌道線路地基、路基的工后沉降量較大，超過扣件的可調(diào)整范圍，導(dǎo)致線路平順性無法修復(fù)，列車不得不限速行駛。針對這一難題，通過大量的室內(nèi)縮尺試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)尺模擬對沉降無砟軌道結(jié)構(gòu)注漿抬升用材料、裝備和工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)研究。首次在實(shí)尺模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合破壞檢查試驗(yàn)，對抬升實(shí)施效果進(jìn)行了全面驗(yàn)證，并結(jié)合工程實(shí)踐，形成了無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升成套技術(shù)。該技術(shù)采用在級配碎石層注漿的方式，利用注漿壓力及注漿材料膨脹力實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)抬升，能在不影響線路正常運(yùn)營的情況下，利用天窗時(shí)間對無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體抬升，恢復(fù)沉降地段的線路平順性及扣件系統(tǒng)可調(diào)整量。與傳統(tǒng)水泥基注漿技術(shù)相比，本技術(shù)具有施工設(shè)備小型輕便、物流簡單、組織靈活、精度可控、次生病害少等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文從抬升原理、注漿材料、設(shè)備工裝、施工工藝、技術(shù)特點(diǎn)及其現(xiàn)場應(yīng)用等方面對沉降無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，可為我國無砟軌道沉降病害修復(fù)與整治提供借鑒。

無砟軌道 路基 沉降 修復(fù) 注漿 抬升

1 概述

無砟軌道以其良好的整體性和穩(wěn)定性在高速鐵路建設(shè)中備受青睞，是高速鐵路最為重要的軌道結(jié)構(gòu)形式。目前，我國已開通運(yùn)營及在建的無砟軌道線路總里程已突破1萬km。相比于有砟軌道，無砟軌道結(jié)構(gòu)僅能在扣件允許的調(diào)整范圍內(nèi)對軌道高程進(jìn)行調(diào)整，這就大大限制了無砟軌道結(jié)構(gòu)的平順性調(diào)整、恢復(fù)能力。在我國，由于地質(zhì)條件復(fù)雜等多方面原因，部分高速鐵路在投入運(yùn)營后，地基、路基產(chǎn)生了不可控的工后沉降，由此導(dǎo)致的線路不平順問題是高速鐵路運(yùn)營過程中面臨的一大難題。目前局部地段沉降量已遠(yuǎn)超出扣件允許調(diào)整量，只能采取限速的方式通過，嚴(yán)重影響了高速鐵路的正常運(yùn)營［1-3］。

為實(shí)現(xiàn)在天窗時(shí)間內(nèi)有效解決超量沉降地段的無砟軌道結(jié)構(gòu)不平順性問題，中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所通過大量的室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場實(shí)尺模擬試驗(yàn)，對沉降區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)注漿抬升用材料、裝備和工藝等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，并結(jié)合工程實(shí)踐，形成了無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升成套技術(shù)。該技術(shù)能在不影響線路正常運(yùn)營的情況下，利用天窗時(shí)間對無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體注漿抬升，從而恢復(fù)沉降地段的線路平順性及扣件系統(tǒng)可調(diào)整量。該技術(shù)已分別在包西線冒天山隧道病害綜合整治工程和大西客專永濟(jì)北站無砟軌道沉降修復(fù)工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

本文從抬升原理、注漿材料、設(shè)備工裝、施工工藝及其技術(shù)特點(diǎn)等方面對無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)介紹，以期為我國高速鐵路無砟軌道沉降病害的修復(fù)整治提供借鑒。

2 抬升原理

對無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體注漿抬升時(shí)，注漿材料通過專用注漿設(shè)備，在一定的注漿壓力下，經(jīng)注漿管注入到無砟軌道結(jié)構(gòu)的級配碎石基床表層中，如圖1所示。通過注漿材料與注漿壓力形成的液壓傳動效應(yīng)及注漿材料的膨脹力實(shí)現(xiàn)對軌道結(jié)構(gòu)的抬升。其具體抬升過程可分為兩個(gè)階段，即填充擠密階段和抬升填充階段。

圖1 注漿整體抬升(單孔注漿)原理示意

在填充擠密階段，注漿材料從注漿管口流出后，在一定范圍內(nèi)對既有空隙，如支承層與級配碎石間空隙或級配碎石內(nèi)部空隙，進(jìn)行填充、擠密，此時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)不被抬升。

在抬升填充階段，注入的漿體與注漿壓力形成液壓傳動效應(yīng)，同時(shí)，注入漿體在固化形成結(jié)構(gòu)體的過程中發(fā)生體積膨脹形成一定的膨脹力，在兩者的共同作用下，軌道結(jié)構(gòu)得以持續(xù)、平穩(wěn)地抬升。

3 注漿材料

采用的注漿材料是一種雙組分化學(xué)注漿材料，其經(jīng)過機(jī)械混合后，迅速發(fā)生凝膠化學(xué)反應(yīng)，在較短時(shí)間內(nèi)形成固結(jié)硬化體，并可根據(jù)需要調(diào)整體積膨脹量。相比其他注漿材料而言，該材料具有以下特點(diǎn)［4-7］:

1)施工環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

注漿材料是一種非水反應(yīng)類材料，當(dāng)環(huán)境溫度＞5℃時(shí)，其在空氣、水中均能很好進(jìn)行固化反應(yīng)，具有較強(qiáng)的施工環(huán)境適應(yīng)性。

2)滲透擴(kuò)散能力強(qiáng)，填充性好

在適當(dāng)?shù)淖{工藝下，其擴(kuò)散直徑可達(dá)5 m以上，且自由膨脹比可達(dá)20∶1，填充能力強(qiáng)。同時(shí)，上部結(jié)構(gòu)的反壓作用對填充范圍的下部結(jié)構(gòu)體具有擠密、壓實(shí)效果。

3)充盈范圍可控制

注漿材料混合后，在較短時(shí)間內(nèi)發(fā)生液態(tài)向塑態(tài)、固態(tài)的轉(zhuǎn)變。因此，通過控制相轉(zhuǎn)變時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)充填范圍靈活調(diào)整，不需要設(shè)立帷幕來防止?jié){體外溢。

4)密度小、重量輕，不增加結(jié)構(gòu)荷載

注漿材料形成的結(jié)構(gòu)體密度一般在100～300 kg/m3，遠(yuǎn)小于水的密度，基本不增加結(jié)構(gòu)荷載。

5)凝結(jié)硬化快、強(qiáng)度發(fā)展快

注漿材料15 min可達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上，完全滿足行車所需的強(qiáng)度要求，因此，在軌道結(jié)構(gòu)抬升后可及時(shí)恢復(fù)運(yùn)營。

6)體積穩(wěn)定性好

注漿材料結(jié)構(gòu)體形成后，基本不產(chǎn)生體積收縮，且在達(dá)到其破壞荷載的80%前呈完全彈性體性質(zhì)，在疲勞荷載作用下，基本不產(chǎn)生殘余變形。

7)耐久性好

高聚物注漿材料結(jié)構(gòu)體具有較強(qiáng)的防水、抗凍、耐化學(xué)腐蝕性能，具有較好的耐久性。

4 注漿設(shè)備

注漿設(shè)備主要由注漿機(jī)、發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、注漿管等小型設(shè)備組裝而成，如圖2所示，總重量不足600 kg。該設(shè)備具有經(jīng)濟(jì)、高效、可靠、實(shí)用、操作簡單、故障率低的特點(diǎn)，能滿足天窗時(shí)間快速、安全施工的需要。

5 無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升工藝施工流程

(圖3)

1)施工準(zhǔn)備。①應(yīng)結(jié)合施工量準(zhǔn)備充足的原材料，并對原材料進(jìn)行檢驗(yàn)，確保原材料的質(zhì)量;由于原材料為高分子化學(xué)材料，在儲存時(shí)需要密封并且避免陽光直射。②主要施工設(shè)備及材料應(yīng)運(yùn)至指定地點(diǎn)。③對所有人員的分工進(jìn)行再次確認(rèn)，明確職責(zé)。④測量人員在需要修復(fù)的地段選取高程觀測基準(zhǔn)點(diǎn)，并完成待修復(fù)線路左右股軌面的高程數(shù)據(jù)采集工作。⑤應(yīng)制定注漿抬升施工過程中各種記錄表格，做好全過程的數(shù)據(jù)記錄準(zhǔn)備工作。

2)注漿孔位置標(biāo)定。應(yīng)根據(jù)無砟軌道結(jié)構(gòu)鋼筋布置圖，確定鋼筋的位置，再進(jìn)行注漿孔布置。注漿孔布置時(shí)應(yīng)盡量避開鋼筋，軌道、扣件、承軌臺、應(yīng)答器、軌道電路等設(shè)施所在位置盡量不布注漿孔。

3)鉆孔。采用電鉆進(jìn)行鉆孔，鉆頭直徑不宜大于30 mm，鉆孔后采用特制的木塞對孔進(jìn)行臨時(shí)封堵，防止雨水進(jìn)入軌道結(jié)構(gòu)。

4)安裝注漿管。將注漿管塞入相應(yīng)的注漿孔中，并擰緊，以備注漿使用。

5)注漿抬升與監(jiān)控作業(yè)。待注漿設(shè)備工作正常、注漿材料性能穩(wěn)定后，按設(shè)定的注漿順序、注漿節(jié)奏進(jìn)行注漿抬升施工。注漿過程中，采用電子水準(zhǔn)儀對左右軌道高程變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，采用全站儀對線路中線偏移情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，直至抬升高度達(dá)到目標(biāo)抬升量后停止注漿。

6)拆除注漿管。在注漿完成后，應(yīng)用專用的拔管設(shè)備將注漿管從注漿孔中拔出。

7)注漿孔封堵。當(dāng)軌道結(jié)構(gòu)抬升到設(shè)計(jì)高程后，采用高強(qiáng)度無收縮灌漿料及時(shí)封堵注漿孔。

圖3 無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升流程

6 技術(shù)優(yōu)勢

與傳統(tǒng)水泥基注漿技術(shù)相比［8-9］，本文所介紹的技術(shù)具有施工設(shè)備小型輕便、物流簡單、組織靈活、精度可控、次生病害少等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，對路基不產(chǎn)生破壞，且基本不增加附加荷載，規(guī)避了由于附加荷載導(dǎo)致的路基進(jìn)一步變形的風(fēng)險(xiǎn)，可實(shí)現(xiàn)天窗時(shí)間內(nèi)對沉降無砟軌道結(jié)構(gòu)的快速修復(fù)，如表1所示。

表1 本文技術(shù)與水泥基材料注漿技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對比

7 工程應(yīng)用

該技術(shù)分別在包西線冒天山隧道病害綜合整治工程和大西客專永濟(jì)北站無砟軌道沉降修復(fù)工程中進(jìn)行了成功應(yīng)用。

1)包西線冒天山隧道病害綜合整治工程

圖4 道床板間的錯(cuò)臺現(xiàn)象

包西線(下行)冒天山隧道位于陜西省延安市子長縣境內(nèi)，全長14.945 km，起止里程為DK435+ 122.10—DK450+067。隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)為雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)，從上至下依次由鋼軌、扣件、道床板、找平層、仰拱填充層、仰拱等構(gòu)成。其中，道床板寬2.8 m、厚300 mm，為C40現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，道床板每6.25 m設(shè)置一道橫向貫穿伸縮縫，寬20 mm。包西線2010年開通運(yùn)營后，該隧道由于地基水患問題導(dǎo)致其60 m長無砟軌道有3塊道床板出現(xiàn)不均勻沉降，最大沉降量為50 mm，相鄰道床板高程差最大近30 mm(圖4)，嚴(yán)重影響了行車安全。為了恢復(fù)線路的平順性，工務(wù)部門采用了增加扣件系統(tǒng)墊板厚度的方法對軌道線路進(jìn)行調(diào)整(圖5)。由于采用此種方法調(diào)高軌道后軌道穩(wěn)定性變差，在運(yùn)營期間對列車限速80 km/h。

圖5 加厚的特殊墊板

2013年11月，采用整體注漿抬升技術(shù)對冒天山隧道內(nèi)道床板沉降病害進(jìn)行了整治(圖6)。在注漿抬升過程中，通過合理設(shè)置注漿孔位置及調(diào)整材料性能，最終將沉降道床板抬升至設(shè)計(jì)高程，且保證相鄰道床板齊平，恢復(fù)了WJ-7型彈性分開式扣件的標(biāo)準(zhǔn)墊板厚度。整治后，該區(qū)段列車行駛速度恢復(fù)至設(shè)計(jì)行車速度，達(dá)到了預(yù)期的修復(fù)效果，同時(shí)隧道水患問題也在一定程度上得到了解決?，F(xiàn)場鉆芯取樣檢查(圖7)表明，注漿材料在無砟軌道結(jié)構(gòu)縫隙中填充飽滿，注漿材料結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度較高。

圖6 冒天山隧道內(nèi)無砟軌道注漿抬升修復(fù)現(xiàn)場

圖7 現(xiàn)場鉆芯取樣檢查

2)大西客專永濟(jì)北站無砟軌道沉降修復(fù)工程

大西客運(yùn)專線永濟(jì)北站位于山西省運(yùn)城市境內(nèi)，站內(nèi)線路設(shè)計(jì)為4股道。1，2股道為正線，3，4股道為到發(fā)線。各線軌道均為CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)。線路建成后，由于路基的不均勻沉降，永濟(jì)北站1～4線軌道在80 m長范圍內(nèi)均出現(xiàn)較大的不平順性問題，線路局部最大沉降量超過50 mm。

2014年3月至4月，采用無砟軌道結(jié)構(gòu)整體注漿抬升技術(shù)對永濟(jì)北站沉降的無砟軌道進(jìn)行修復(fù)(圖8)。修復(fù)后，線路平順性得到明顯改善。圖9為各線路注漿抬升前后高程對比。在隨后進(jìn)行的聯(lián)調(diào)聯(lián)試測試過程中，該線路區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)動力響應(yīng)均無異常。

圖8 大西客專永濟(jì)北站無砟軌道注漿抬升

圖9 永濟(jì)北站各線路注漿抬升前后高程對比

8 結(jié)語

本文所介紹的無砟軌道整體注漿抬升技術(shù)具有修復(fù)速度快、效果好、施工相對簡單，適用于天窗點(diǎn)施工，對既有線路結(jié)構(gòu)基本不造成破壞等特點(diǎn)，是目前在不影響軌道結(jié)構(gòu)受力及行車安全的情況下，對沉降區(qū)無砟軌道修復(fù)整治的一種快速簡易、切實(shí)有效的方法，在已開通運(yùn)營的既有線無砟軌道沉降修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

采用本技術(shù)進(jìn)行無砟軌道整體注漿抬升時(shí)，除了施工過程的精細(xì)操作、嚴(yán)格監(jiān)控、精心把控外，應(yīng)根據(jù)不同的無砟軌道型式(CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式無砟軌道，雙塊式無砟軌道，道岔區(qū)無砟軌道等)，采用與之匹配的注漿材料及其工藝參數(shù)，以保證修復(fù)整治效果。

［1］張家海.CRTSⅠ型板式無砟軌道抬升修復(fù)技術(shù)研究［J］.上海鐵道科技，2013(4):71-73.

［2］易小明，張頂立，逄鐵錚，等.房屋注漿抬升實(shí)踐與監(jiān)測分析［J］.巖土力學(xué)，2009(12):3776-3782.

［3］王濤，王鑫，吳紹利，等.我國板式無砟軌道的維修與部件更換研究［J］.鐵道建筑，2014(11):157-160.

［4］石明生.高聚物注漿材料特性與堤壩定向劈裂注漿機(jī)理研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2011.

［5］邊學(xué)成，程翀，王復(fù)明，等.高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復(fù)后動力性能及長期耐久性的試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(3):562-568.

［6］張寶文.高速鐵路軟黏土地基壓密注漿及劈裂注漿試驗(yàn)研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2013.

［7］蘇進(jìn)巖.雙液注漿抬升技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)糾傾處理中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究，2013(23):1-6.

［8］牛草灃.無砟軌道道岔沉降區(qū)注膠抬升處理技術(shù)［J］.建材與裝飾，2013(40):158-160.

［9］唐智偉.注漿抬升機(jī)理與抬升效果預(yù)測方法研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2006.

Key technologies of remedying settlement of high speed railway ballastless track by lifting whole structure and jet-grouting under it

ZHENG Xinguo，LIU Jing，LI Shuming，XIE Yongjiang，ZENG Zhi，YANG Dejun，WENG Zhicai，LIU Xianghui
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Subgrade settlement is found to be the major defect for some ballastless lines in China，as fastening adjustment can no longer ensure the smoothness of the line，which leads to the speed-limit operation of the train. Under such background，Out indoor scaled test and in-situ full-scale modeling were carried to study the material，equipment and technique applied in the grouting of ballastless track.This ground-breaking study builds full-sized model to simulate the situation and conducts destructive test，so as to examine the lifting effect of the grouting procedure.Thanks to such effort and the best practice accumulated in previous projects，the workflow for overall grouting of ballastless track is proposed，where the grouting method for graded crushed-stone layer is applied.The approach is able to lift the track structure smoothly to its previous level，as it takes use of the grouting pressure occurred and the swelling force of the grouting material，and any minor irregularity can be mended in fastening adjustment.It needs to be noted that the reparation can be carried out within the possessive interval for construction，in other words it does not disrupt the operation plan.Compared with the traditional cement-subgrade grouting technique，the new approach promises straight-forward workflow and limited secondary defects，in the mean time，it stands out in its flexibility in scheme arrangement，precision in quality control，lightness and size of the equipment applied.The paper gives a systematic overview on the key technology in the grouting of ballastless track settlement，as it covers the lifting principles，grouting material，equipment and tools，engineering technique，technical features and the best practice arrived from in-situ application.It in tends to contribute its due part to the reparation and treatment of balastless track settlement.

Ballastless track;Subgrade;Settlement;Reparation;Grouting;Lifting

U238;U213.2+44;U216.42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.21

1003-1995(2015)01-0093-05

(責(zé)任審編 李付軍)

2014-09-16;

2014-10-25

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2013G008-D);中國鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2011YJ84，2011YJ86);上海鐵路局科研項(xiàng)目(HHKZ2013-01)

鄭新國(1974—)，男，湖北天門人，副研究員，碩士。