劉 競，鄭新國，李書明，楊德軍，劉相會，潘永健，曾 志，程冠之，董全霄

(中國鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

路基段長枕埋入式渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)自上而下分別為鋼軌、道床板、底座板、基床表層、基床底層、路堤本體。道床板、底座板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，基床表層采用摻水泥級配碎石填筑，基床底層采用B組填料填筑，基床以下采用B組或C組填料中的碎石、礫石類填料填筑。道岔是鐵路軌道的薄弱環(huán)節(jié)之一，岔區(qū)幾何形位是影響車輛安全性和穩(wěn)定性的重要因素，也是線路運營維護的重點[1-3]。運營實踐發(fā)現(xiàn)，由于列車長期作用、復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境等原因，道岔軌道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定的橫移問題，產(chǎn)生了較大的橫向不平順，會對正常行車產(chǎn)生不利影響。

國內(nèi)外學(xué)者對岔區(qū)不平順的影響問題進行了大量研究。蔡小培等[4]研究了道岔尖軌、心軌牽引轉(zhuǎn)換不足位移對車輛和道岔動力學(xué)特性的影響；全順喜[5]研究了高速道岔幾何不平順對岔區(qū)輪軌接觸關(guān)系的影響。與一般區(qū)間線路相比，列車過岔時，車體橫向加速度、輪軌力和脫軌系數(shù)都大幅增加，且隨著道岔橫移量的增大而增大，從而嚴重影響列車行駛的安全性、舒適性和平順性，同時顯著加速軌道各零部件的變形失效[6-9]。因此，迫切需要在不影響列車運行的情況下，利用天窗封鎖時間對發(fā)生偏移的渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)進行糾偏修復(fù)，以恢復(fù)線路的平順性。

由于我國高速鐵路運營時間較短，道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)橫移問題剛剛顯現(xiàn)，相關(guān)的研究還相對較少。本文以某車站長枕埋入式渡線道岔糾偏修復(fù)工程為例，基于相關(guān)理論分析、試驗驗證和工程應(yīng)用實踐，分析了天窗時間內(nèi)對偏移渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)實施糾偏修復(fù)的技術(shù)難點，探討了基于高聚物化學(xué)解黏與氣墊抬升的渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)、工藝流程以及軌道動態(tài)性能同步監(jiān)測技術(shù)，并著重介紹了現(xiàn)場糾偏的實施效果，以期為高速道岔類似病害的養(yǎng)護維修提供借鑒及參考。

1 技術(shù)難點

圖1 渡線道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)布局

圖2 渡線道岔區(qū)無砟軌道線路偏移量示意

該車站長枕埋入式渡線道岔位于高邊坡路堤，路堤平均填筑高度8.5 m，其無砟軌道結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。由于復(fù)雜的地質(zhì)原因，該處道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的不均勻沉降和偏移，線路偏移量如圖2所示，其中上行線最大偏移量達到23.5 mm，下行線最大偏移量達到26.2 mm，影響了線路的平順性。

利用線路天窗封鎖時間對發(fā)生偏移的渡線道岔無砟軌道實施糾偏修復(fù)在全國乃至世界范圍內(nèi)尚無先例，需要攻克的技術(shù)難題多而復(fù)雜。由于上述渡線道岔無砟軌道具有“寬大厚”的結(jié)構(gòu)特點，實施糾偏的主要技術(shù)難點包括以下方面。

1)糾偏所需反力大

由于渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)寬度寬(8.4 m寬)，高度高(0.8 m高)，軌道結(jié)構(gòu)橫向剛度大，重量大(16.8 t/延米)，尤其是基床表層級配碎石中加入了一定量的水泥，進一步增大了無砟軌道底座板與級配碎石層間的黏結(jié)力和摩擦阻力，決定了實施糾偏時所需糾偏力以及提供該糾偏力的反力要足夠大。

基于上述情況，將千斤頂布設(shè)于道岔一側(cè)，間距為2 m，對發(fā)生橫移的區(qū)段進行推移糾偏作業(yè)。通過有限元軟件建立了道岔-無砟軌道-基礎(chǔ)耦合分析模型，以糾偏位移為輸入荷載，對道岔區(qū)糾偏所需提供的頂推力進行分析研究。采用實體單元建立道岔區(qū)道床有限元模型。分別建立道床板、底座板和基床表層結(jié)構(gòu)模型，在模型中把道床板和底座板綁定組成整體進行運算。

模型邊界條件：與底座板接觸的基床表層與地面進行固定；道床板和底座板兩端進行對稱約束，模擬道床板和底座板縱連；對需要進行頂推糾偏的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)置反力樁，進行頂推力加載。

受力分析：橫向頂推力主要克服混凝土底座板抗彎反力、道床板抗彎反力、底座板與基床表層間的摩擦阻力等作用。參考既有的道床板頂推試驗，層間摩擦因數(shù)分別取0.5，1.0，2.0和5.0共4種工況。

不同層間摩擦因數(shù)條件下，糾偏千斤頂?shù)臋M向頂推力見表1。可見，底座板與基床表層間摩擦因數(shù)對千斤頂橫向頂推力的影響顯著。隨著底座板與基床表層間的摩擦因數(shù)逐漸增大，底座板與級配碎石層間摩擦阻力增加，千斤頂?shù)臋M向頂推力呈現(xiàn)大幅增加趨勢。摩擦因數(shù)從0.5逐漸增加到1.0,2.0,5.0時，千斤頂橫向頂推力最大增幅分別為62.1%,144.9%，290.2%。

表1 千斤頂橫向頂推力 kN

綜上所述，底座板底面與基床表層間的摩擦阻力對糾偏所需頂推力值影響很大，為盡可能降低糾偏反力以及反力墻的設(shè)計體量，降低層間摩擦阻力是關(guān)鍵。

2)反力墻設(shè)置受環(huán)境條件限制

由于該處無砟軌道處于高填筑路堤(平均填筑高度8.5 m)，如圖3，于無砟軌道一側(cè)設(shè)置反力墻的空間有限，且邊坡一側(cè)處于凌空面，路基本體所能提供的反力有限。

圖3 高填筑路堤

3)單次糾偏段落長、范圍大且天窗作業(yè)時間短

由于雙線整體式無砟軌道及其前后一定長度的無砟軌道需要同時進行糾偏作業(yè)，這就決定了單次糾偏段落較長。糾偏作業(yè)對上下行線、渡線軌道幾何尺寸均有影響。而且由于在天窗時間內(nèi)實施整個糾偏作業(yè)，施工時間短，對施工組織要求高。

4)糾偏精度要求高

對道岔實施糾偏作業(yè)時，為確保道岔轉(zhuǎn)轍順暢，不影響線路開通，糾偏作業(yè)需嚴格控制線形，尤其對于滑床轉(zhuǎn)轍區(qū)，糾偏精度要求高，以免影響道岔轉(zhuǎn)轍。

5)線形控制難度大

道岔區(qū)無砟軌道“寬大厚”的結(jié)構(gòu)特征決定了其糾偏時需要克服的約束或阻力均較大，當(dāng)一旦達到克服糾偏約束并開始產(chǎn)生側(cè)向位移所需的臨界力值時，由于此時所施加的糾偏力較大，軌道結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生瞬時失穩(wěn)、突變或翹曲，造成軌道幾何尺寸變化較大；同時，由于道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)較大的橫向剛度以及縱向差異性，導(dǎo)致在橫向頂推糾偏過程中，無砟軌道結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)平面翹曲或豎向起拱變形。因而實施糾偏作業(yè)時，線形控制難度較大。

6)涉及設(shè)施設(shè)備多

道岔區(qū)段包括轉(zhuǎn)轍機、信號機以及各種電線、轉(zhuǎn)轍機平臺等設(shè)備設(shè)施，糾偏作業(yè)需對這些設(shè)備設(shè)施嚴加保護，以免產(chǎn)生損壞。同時，線路開通前，需對設(shè)備設(shè)施進行檢測調(diào)試，所需配合專業(yè)多，工序銜接多。

7)無可借鑒經(jīng)驗

此次天窗時間內(nèi)對渡線道岔實施糾偏作業(yè)在我國高鐵養(yǎng)護維修中尚屬首次，沒有工程實例供參考。

2 修復(fù)方案

針對上述技術(shù)難點，采用了如下具有針對性的糾偏修復(fù)方案。

圖4 高分子聚合物化學(xué)解黏劑硬化體形態(tài)

1)針對底座板與摻水泥的級配碎石層間黏結(jié)力和摩阻力對糾偏反力影響較大，對于需要進行糾偏整治的區(qū)段，先采用高壓注漿技術(shù)在底座板與基床表層級配碎石間注入具有快速膨脹性能的高聚物化學(xué)解黏劑(如圖4所示)，該解黏劑由液體固化為硬化體時反應(yīng)速度快(5～10 s)，且體積膨脹倍率高(12～15倍)，并在膨脹過程中產(chǎn)生較大的膨脹應(yīng)力，能將無砟軌道結(jié)構(gòu)平穩(wěn)抬升，即分離與解除了支承層底部與級配碎石間的黏結(jié)與約束，再采用氣墊抬升法對軌道結(jié)構(gòu)進行抬升以進一步降低層間摩擦阻力，然后實施糾偏。

2)根據(jù)現(xiàn)場情況，利用臨線或設(shè)置的反力墻作為反力支撐。對于道岔區(qū)，反力墩的設(shè)置避開轉(zhuǎn)轍機平臺，在轉(zhuǎn)轍機平臺間的間隙處設(shè)置反力墩。

3)根據(jù)天窗作業(yè)時長，合理分段，多次糾偏。每個糾偏單元頂推量從中間偏移最大處向兩邊分級進行控制，糾偏示意如圖5所示。

圖5 糾偏單元分級頂推示意

4)糾偏時，采用位移傳感器、全站儀、水準儀等儀器設(shè)備對無砟軌道結(jié)構(gòu)中線位移、高程變化進行實時監(jiān)測。當(dāng)天糾偏后，對無砟軌道結(jié)構(gòu)進行限位約束，以確保線路開通后軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

5)糾偏修復(fù)完成后，采用高分子聚合物漿液對軌道結(jié)構(gòu)進行完全填充，以恢復(fù)無砟軌道底座板與基床表層級配碎石層間的界面黏結(jié)。對完成糾偏修復(fù)的無砟軌道區(qū)段列車運行時的安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等動態(tài)指標進行監(jiān)測，以評價修復(fù)施工后的道岔區(qū)無砟軌道的動力性能是否滿足動車組以200 km時速通過時的安全性和平穩(wěn)性要求。

3 施工流程

為了不影響列車運行，僅利用天窗封鎖時間對偏移的渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)實施糾偏修復(fù)，其施工流程如圖6所示。

圖6 無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏施工流程

糾偏施工前，準備工作主要包括封閉層切割鑿除、級配碎石開挖、聲屏障拆除、反力墩和墻植筋設(shè)置、底座夾持限位工裝安設(shè)、位移監(jiān)測點布設(shè)、道岔設(shè)備平臺保護性清鑿作業(yè)等。

糾偏修復(fù)時，1個天窗內(nèi)的修復(fù)工作包括：高聚物抬升以解除板底約束、氣墊抬升與實時監(jiān)測、頂推糾偏與實時監(jiān)測、氣墊降壓與實時監(jiān)測、軌道線路復(fù)測與微調(diào)、約束恢復(fù)與結(jié)構(gòu)限位。

當(dāng)糾偏量達到預(yù)定目標后，對軌道結(jié)構(gòu)的糾偏滑移面進行完全填充，恢復(fù)黏結(jié)，并進行軌道精測、精調(diào)，確認后逐級提速，同步對列車運行時的安全性、軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等動態(tài)指標進行監(jiān)測。

4 實施效果

4.1 糾偏量

經(jīng)糾偏整治后，道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏前后上、下行線形對比如圖7所示。其中，整體結(jié)構(gòu)最大糾偏量為21.9 mm，液壓頂推裝置頂推力控制平穩(wěn)，糾偏位移量監(jiān)控準確，每日糾偏完成后，軌檢小車檢測情況良好，均無明顯超限情況，糾偏線形控制良好，線路平順性得到顯著改善。

圖7 糾偏前后線形對比

4.2 軌道靜態(tài)幾何尺寸

糾偏過程中，每日施工完成后，對糾偏段落及相鄰段落的軌道幾何狀態(tài)(高低、軌向、軌距、水平、三角坑等)進行檢測。經(jīng)檢測，軌道幾何狀態(tài)均符合動車組限速運行的安全性、平穩(wěn)性要求；而且，經(jīng)操動道岔調(diào)試，糾偏施工未影響道岔設(shè)備的正常轉(zhuǎn)轍。

4.3 軌道動態(tài)性能響應(yīng)

糾偏完成后，實測列車通過糾偏道岔區(qū)軌道結(jié)構(gòu)測試工點時的軌道動態(tài)性能響應(yīng)，所測得的脫軌系數(shù)、輪重減載率、道床板垂向振動加速度與車速關(guān)系見圖8—圖10。

圖8 岔區(qū)脫軌系數(shù)與車速關(guān)系

圖9 岔區(qū)輪重減載率與車速關(guān)系

圖10 岔區(qū)道床板垂向振動加速度與車速關(guān)系

監(jiān)測結(jié)果表明，隨著列車逐級提速運行，動車組作用下的各項軌道動態(tài)指標均在其相應(yīng)評判標準限值內(nèi)。由此說明，糾偏修復(fù)施工后的道岔區(qū)無砟軌道動態(tài)性能滿足動車組運行時的安全性和平穩(wěn)性要求，糾偏修復(fù)效果良好，達到《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》(TB 10761—2013)規(guī)定的各項指標要求，滿足動車組安全、舒適的運輸要求。

5 結(jié)論

1)底座板與基床表層間黏結(jié)系數(shù)對千斤頂橫向頂推力的影響顯著。為盡可能降低糾偏反力以及提供該反力的反力墻的設(shè)計體量，降低層間摩擦阻力和黏結(jié)力是關(guān)鍵。

2)開發(fā)了具有快速膨脹性能的高聚物化學(xué)解黏劑，其注入至底座板后快速膨脹，能將無砟軌道結(jié)構(gòu)平穩(wěn)抬升，從而顯著降低了底座板與基床表層間的黏結(jié)力，確保軌道結(jié)構(gòu)與高水泥摻量級配碎石層脫離；采用氣墊抬升法對軌道結(jié)構(gòu)進行抬升，進一步降低了層間摩擦阻力，為糾偏的成功實施創(chuàng)造了條件。

3)工程實踐表明，采用高聚物化學(xué)解黏與氣墊抬升相結(jié)合的渡線道岔無砟軌道結(jié)構(gòu)糾偏修復(fù)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在天窗時間內(nèi)對道岔區(qū)無砟軌道進行無損傷糾偏，且有效控制了線形，確保了次日線路的正點開通。糾偏修復(fù)后，線路平順性得到顯著改善，無砟軌道動態(tài)性能滿足動車組高速運行時的安全性和平穩(wěn)性要求。

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