徐 旸，楊國濤，王 紅，郄錄朝

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部 北京 100038)

聚氨酯固化道床是在已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的碎石道床內(nèi)澆注聚氨酯材料，在道砟間完成發(fā)泡、膨脹和凝固，使聚氨酯材料擠滿道砟間的空隙，同時牢固粘結(jié)道砟顆粒，形成的彈性固結(jié)整體道床結(jié)構(gòu)。我國自2010年起開始了對其的全面研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、材料制備、施工裝備及工藝、養(yǎng)護維修等成套技術(shù)，并制定了《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》。聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)先后在我國京廣線、滬蓉線、龍漳線、瓦日線、大西客專累計鋪設了5200 m試驗段，線路條件涵蓋了客貨混運、重載、時速250和350 km高速鐵路[1]。

前期試驗表明，聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，道床彈性可得到持續(xù)保證，道床累計變形小，養(yǎng)護維修工作量少，能夠滿足重載和高速鐵路安全運營的要求[2]。2016年在滬昆客專北盤江特大橋?qū)嵤┩瓿闪说?個聚氨酯固化道床工程化項目。聚氨酯道床是介于有砟軌道和無砟軌道的一種新型軌道結(jié)構(gòu)型式，兼?zhèn)淞擞许能壍篮蜔o砟軌道的優(yōu)點，在我國鐵路建設中具有廣闊的應用前景。

雖然現(xiàn)階段我國已在聚氨酯固化道床技術(shù)應用方面積累了一定的經(jīng)驗，但聚氨酯固化道床依然存在著造價偏高，澆筑條件及工藝要求較為嚴格等問題，制約了聚氨酯固化道床的進一步推廣及應用。其局限性具體表現(xiàn)在以下3個方面：(1)聚氨酯固化時對于道砟清潔度、含水率等狀態(tài)指標要求較高。因此，現(xiàn)場澆注型聚氨酯固化道床不僅對道砟的裝卸、儲存、運輸、搗固等各環(huán)節(jié)都有嚴格要求，同時要求澆注前使用專用設備進行道砟烘干作業(yè)，造成了大量的額外施工成本，導致了聚氨酯固化道床整體造價偏高的現(xiàn)狀。(2)聚氨酯固化對于道砟及結(jié)構(gòu)斷面的要求沿用了原有的高速鐵路有砟軌道的設計標準。而聚氨酯固化劑發(fā)泡成型后，會顯著地增強原有散體道床的力學性能，仍沿用原有的高速有砟軌道結(jié)構(gòu)設計標準，勢必造成結(jié)構(gòu)設計偏于保守、安全冗余量過多，也是導致聚氨酯固化道床成本較高的主要原因。(3)采用現(xiàn)場澆筑方式施工成型后的聚氨酯固化道床在面對基礎沉降等問題時具有較好的可維修性，但對于基礎上拱等問題依然存在著維修相對困難的問題。

鑒于上述原因，如將聚氨聚氨酯固化道床進行工廠化預制，并在現(xiàn)場采用裝配式施工，則可以起到降低綜合成本(相比于現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床降低成本30%以上)、提高施工質(zhì)量、增強結(jié)構(gòu)的可維修性(實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的單元裝配式維修)等目的。不僅可為不良下部基礎條件下軌道結(jié)構(gòu)的選型提供解決方案，同時也可為我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)多元化發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，因而具有較高的工程價值及廣闊的應用前景?；诖耍疚尼槍︻A制裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究。

1 預制裝配式聚氨酯道床軌道結(jié)構(gòu)

列車荷載主要經(jīng)由軌枕傳遞道床中，就散體道床與軌枕的接觸狀態(tài)而言，軌下斷面內(nèi)的道床搗固密度要高于枕中和枕端的道床，為保證枕下道床具有足夠的承載力以及荷載傳遞的均勻性，荷載作用區(qū)邊界距鋼軌軌底外側(cè)距離按照不小于350 mm進行設置，我國75和60 kg·m-1鋼軌軌底寬度均為150 mm，考慮軌底兩側(cè)縱梁結(jié)構(gòu)的對稱性，固化道床頂面最小寬度理論不小于850 mm。為便于制備，設計單側(cè)承軌槽枕下聚氨酯固化道床單元沿線路橫斷面寬度為1 m；規(guī)范中[3]規(guī)定軌枕單元每千米按1 667根鋪設，理論軌枕間距約為0.6 m，為便于裝配式施工及后期實現(xiàn)單元化養(yǎng)護維修，設計承軌槽枕下聚氨酯固化道床單元沿線路縱斷面寬度為500 mm。采用2.6 m長Ⅲc型有擋肩混凝土軌枕，并通過工廠內(nèi)預制工藝對軌枕及下部道床單元進行一體化制備，通過模注法實現(xiàn)聚氨酯材料的澆注。所采用的聚氨酯原材料包括異氰酸酯、聚醚多元醇組合料、催化劑，按《聚氨酯固化道床暫行技術(shù)條件》[4]的規(guī)定選取。制備成型的預制裝配式聚氨酯固化道床軌枕復合單元如圖1所示。

圖1 預制裝配式聚氨酯固化道床軌枕復合單元

預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)試驗段扣件采用彈條Ⅴ型扣件，枕下預制塊厚度300 mm。道床頂面寬度3.4 m，道床頂面應與軌枕中部頂面平齊。砟肩頂面與軌枕端頭頂部平齊、不設砟肩堆高，道床邊坡坡度為1∶1.75。預制塊底部采用級配碎石調(diào)整層對軌道結(jié)構(gòu)高度進行調(diào)整，級配碎石調(diào)整層設計厚度為50 mm，材質(zhì)應符合《鐵路碎石道砟》[5]中一級道砟的規(guī)定，粒徑級配見表1。

表1 級配碎石調(diào)整層級配

枕間空隙采用碎石道砟進行填充，填充材料應符合《鐵路碎石道砟》中一級道砟的規(guī)定。預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)試驗線斷面如圖2所示，軌道結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示。

圖2 預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)斷面(單位： mm)

圖3 預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)俯視圖

2 預制裝配式聚氨酯道床的施工

預制裝配式聚氨酯道床的整體施工流程如圖4所示。其主要施工步驟包括：

(1)排水墊層鋪設。為防止固化后道床內(nèi)部積水，在下部路基基礎施工完成后，需要在路基表層鋪設三維復合排水網(wǎng)，排水墊層按照行《聚氨酯固化道床暫行技術(shù)條件》中的要求執(zhí)行。

(2)級配碎石調(diào)整層鋪設。在排水墊層上方需要鋪設級配碎石調(diào)整層，以實現(xiàn)預制道床及軌枕單元的施工時調(diào)整，并作為后期軌道幾何超出扣件調(diào)整范圍時的軌道調(diào)整結(jié)構(gòu)。

(3)聚氨酯固化道床軌枕復合單元進場。待下部碎石調(diào)整層碾壓密實后開展預制塊的鋪設工作，預制塊進場后可進行堆放，但堆砌高度不得超過3層，且層間應設置木墊片等柔性墊板。

(4)聚氨酯固化道床軌枕復合單元粗調(diào)。采用鏟車等小型機具實現(xiàn)預制單元由存放場地至線路的移動，并按照0.6 m的間距將預制塊散鋪于碎石調(diào)整層上方，通過小型吊裝機具將預制聚氨酯軌枕單元起吊，調(diào)整預制塊幾何位置，完成預制塊的粗調(diào)。

(5)聚氨酯固化道床軌枕復合單元精調(diào)。預制塊粗調(diào)后安裝扣件及鋼軌并進行軌道精調(diào)，軌道精調(diào)工作主要通過扣件完成，扣件采用彈條V型，精調(diào)時需要預留一定的扣件后期調(diào)整量。

(6)碎石道砟填充層填筑。在聚氨酯單元的間隙之間填充級配碎石，并采用小型碾壓及振搗設備使結(jié)構(gòu)密實，以確保道床的縱向阻力。

(7)穩(wěn)定壓道。采用重車進行壓道，以消除聚氨酯道床單元與下部碎石墊層的初期殘余變形，并在重車碾壓后測量軌道的幾何狀態(tài)，視軌道檢測結(jié)果確定軌道是否需要二次精調(diào)。

(8)補充道砟并對過渡段進行固化。視線路情況進行道砟補充，如涉及整體道床的過渡，則采用固化材料對道床預制塊之間填筑的道砟進行固化，以實現(xiàn)不同軌道結(jié)構(gòu)之間的剛度過渡。

圖4 施工工藝流程圖

根據(jù)所提出施工方案，依托國家鐵道試驗中心環(huán)形試驗線，鋪設了世界首條預制裝配式聚氨酯固化道床試驗線，其施工過程如圖5所示。

圖5 預制裝配式聚氨酯道床施工工藝

3 預制裝配式聚氨酯道床靜態(tài)穩(wěn)定性

試驗線施工完成后，對線路的縱、橫向阻力進行測試，以此評估線路的靜態(tài)穩(wěn)定性。測試方法按照《鐵路碎石道床狀態(tài)參數(shù)測試方法》[6]進行。

在進行預制裝配式聚氨酯道床的縱、橫向阻力現(xiàn)場測試時，通過油壓設備進行緩慢加載，同步采集測試軌枕位移及荷載，采集間隔不宜超過0.5 mm，且在位移2 mm附近適當加密采集。讀取位移2 mm相對應的荷載即為該測試枕的阻力，現(xiàn)場測試裝置如圖6所示。

在進行道床的縱、橫向阻力測試時，為避免相鄰軌枕的影響，每根測試枕間隔3根軌枕，共對6組軌枕進行測試，結(jié)果見表2。

表2 預制式聚氨酯固化道床阻力測試結(jié)果

由表2可以看出：預制式聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN·枕-1，縱向阻力的平均值為16.2 kN·枕-1，滿足《高速鐵路設計規(guī)范》中道床橫向阻力不小于12 kN·枕-1，且道床縱向阻力不小于14 kN·枕-1的要求，說明預制型聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有足夠道床穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)場所測得的道床阻力是在未采用動力穩(wěn)定作業(yè)條件下所測得的，其結(jié)果偏低，相鄰區(qū)段同樣也未采用大型養(yǎng)路機械進行道床穩(wěn)定作業(yè)的普通有砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段，道床縱、橫向阻力測試結(jié)果不足預制型聚氨酯固化道床測試結(jié)果的50%，也說明預制式聚氨酯固化道床具有較強的軌道結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定性。

4 預制裝配式聚氨酯道床動力特性

4.1 行車安全性指標

為評估聚氨酯固化道床的行車動力特性及安全性，參照《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》[7]對預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場測試。垂直力和水平力應變片分別貼在鋼軌中和軸、軌底上表面，與鋼軌縱向成±45°角。采用反力標定架對鋼軌的垂直力及水平力進行現(xiàn)場標定。并根據(jù)鋼軌垂直力和水平力測試數(shù)據(jù)計算動車組內(nèi)外輪脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪對橫向力等列車運行安全性參數(shù)。

為便于對比，采用同樣的測試方法對現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床、無砟軌道結(jié)構(gòu)進行測點布設，3種不同軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌垂向位移測點布置如圖7所示。

圖7 輪軌力及測試中的鋼軌動位移

列車通過預制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)時，不同速度級條件下列車的脫軌系數(shù)，輪軸橫向力及輪重減載率最大值實測結(jié)果分別如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 脫軌系數(shù)最大值

由圖8可以看出：當列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)峰值分別為0.22，0.20和0.17，均滿足《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[8]中0.8的限值要求。

圖9 輪重減載率最大值

由圖9可以看出：當列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的輪重減載率峰值分別為0.16，0.25，0.14，均滿足規(guī)范中的限值要求。

圖10 輪軸橫向力最大值

由圖10可以看出：當列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預制裝配式聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軸橫向力峰值分別為9.3，8.2和10.8 kN，均滿足規(guī)范[8]要求。

4.2 軌道結(jié)構(gòu)彈性性能

軌道結(jié)構(gòu)的整體剛度主要由扣件墊板及道床剛度2部分組成，為分析不同軌道結(jié)構(gòu)的彈性力學特性，對列車以100 km·h-1的速度通過時，3種軌道結(jié)構(gòu)扣件墊板的動位移及軌道結(jié)構(gòu)的整體垂向位移進行分析，結(jié)果見表3。

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)動位移

由表3可知：3種軌道結(jié)構(gòu)中預制裝配式聚氨酯固化道床由于采用了單元化結(jié)構(gòu)，其動位移接近1 mm，是3種軌道結(jié)構(gòu)中彈性最強的?，F(xiàn)澆式聚氨酯固化道床具有一定的整體性，其動位移介于無砟軌道與預制裝配式聚氨酯固化道床之間，無砟軌道結(jié)構(gòu)彈性較低，且無砟軌道所采用的扣件墊板剛度為30 kN·mm-1，而聚氨酯固化道床所采用的扣件墊板剛度為85 kN·mm-1。列車經(jīng)過時，軌下道床動位移主要由扣件位移及道床位移兩部分組成，表3給出了扣件位移與道床位移所占的比例。由扣件位移占比分析可知，無砟軌道結(jié)構(gòu)的動位移主要來自于扣件墊板，而聚氨酯道床的動位移則由扣件與道床共同承擔。既有研究[9]表明較高的軌道結(jié)構(gòu)動位移可有效減輕車輛及軌道部件的傷損，且指出扣件和道床動位移合理分配比例應為1∶1，即當兩者均為0.5 mm時較為合理，3種軌道結(jié)構(gòu)中預制裝配式聚氨酯固化道床最接近這一比例，說明該結(jié)構(gòu)的剛度匹配最為合理。

5 預制裝配式聚氨酯道床減振力學特性

為評估預制裝配式聚氨酯道床的減振力學性能，針對預制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、板式無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)，在距離線路中心外5 m的路基處布設加速度傳感器，對列車以100 km·h-1的速度通過時，傳遞至路基處的加速度進行測量。在測試結(jié)果分析時，振動加速度級VAL由下式(1)計算。

(1)

式中：a為加速度有效值；a0為基準加速度，取a0=10-6m·s-2。

采用插入損失L1評價減振效果，其定義為有無隔振裝置情況下的加速度級之差，即

(2)

式中：a2R為沒有隔振裝置時的響應；a2為有隔振裝置時的響應。

當L1>0時，隔振系統(tǒng)起隔振作用；當L1≤0時，隔振系統(tǒng)沒有衰減作用。

對式(2)進行變換，引入基準加速度a0=10-6m·s-2，得

(3)

則L1可分別由沒有隔振裝置時的振動加速度級VAL0和有隔振裝置時的振動加速度級VAL2表示，即

L1=VAL0-VAL2

(4)

對實測數(shù)據(jù)依據(jù)ISO 2631/1—1985進行計權(quán)，則Z計權(quán)振級表示為VZL，其計算式為

VZL=10lg[10(V1+d1)/10+10(V2+d2)/10+…+

10(Vi+di)/10]

(5)

式中：Vi為1/3倍頻程第i個頻帶中心頻率的振級差；di為ISO 2631/1—1985標準中第i個頻帶的計權(quán)因子。

則Z計權(quán)插入損失LZ可表示為

LZ=VZL0-VZL2

(6)

式中：VZL0和VZL2分別為沒有隔振裝置和有隔振裝置時的Z計權(quán)振動加速度級。

列車以100 km·h-1通過無砟軌道區(qū)段、現(xiàn)澆聚氨酯區(qū)段、預制聚氨酯區(qū)段時路基加速度級頻譜分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 3種軌道結(jié)構(gòu)路基加速度不計權(quán)譜

圖12 3種軌道結(jié)構(gòu)路基加速度Z計權(quán)譜

在路基下部基礎條件下，無砟軌道結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預制式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的Z計權(quán)振動加速度總振級分別為80.6，80.0和58.6 dB。

以無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，則3種聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的Z計權(quán)插入損失如圖13所示。

圖13 列車通過各區(qū)段時的插入損失

以普通無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預制式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的插入損失分別為0.6和22.0 dB。3種軌道結(jié)構(gòu)中，預制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有最好的減振效果，其工作頻率為3.4～200 Hz，分頻最大減振效果為29.6 dB，對應中心頻率為50 Hz。

6 結(jié) 論

(1)在未采用大型養(yǎng)路機械動力穩(wěn)定的前提下，預制式聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN·枕-1，縱向阻力的平均值為16.2 kN·枕-1，滿足TB 10621—2014《高速鐵路設計規(guī)范》中道床阻力要求，說明采用裝配式施工工藝的預制型聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有足夠道床穩(wěn)定性。

(2)預制裝配式聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)中，預制裝配式聚氨酯道床的動位移最接近1 mm，且扣件和道床的動位移比例均勻分配，當兩者均約為50%，軌道結(jié)構(gòu)的剛度匹配性最為合理。

(3)就減振性能而言，以普通無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預制裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的插入損失分別為0.6和22.0 dB。預制聚氨酯固化道床工作頻率為3.4～200 Hz，分頻最大減振效果為29.6 dB，對應中心頻率50 Hz。

(4)預制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)無需日常養(yǎng)護維修，具有較好的彈性，試驗段驗證結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及行車安全性均滿足要求，尤其是在下部基礎不良及難以進行日常養(yǎng)護維修的區(qū)段具有廣闊的應用前景。