郭 瑞

(中鐵二十局集團有限公司，陜西西安 710016)

近年來，隨著我國經濟的迅速發(fā)展，高速鐵路建設得到了空前的發(fā)展，而無砟軌道具有穩(wěn)定性高、剛度均勻性好、結構耐久性強、維修工作量少和技術相對成熟等特點，在高速鐵路得到普遍采用，近年來，許多高鐵已施工完成并相繼投入運營[1-2]。目前，我國采用的板式無砟軌道形式主要是從日本新干線板式軌道引進的CRTSⅠ型板式無砟軌道和從德國博格板式軌道引進的CRTSⅡ型板式無砟軌道[3]。無砟軌道在長期運營和外界復雜自然環(huán)境作用下不可避免地出現損壞和老化，高速行駛的列車加重了無砟軌道的破壞，若不及時維修，則無法正常運營。因此，無砟軌道維修技術是高速鐵路長期安全運營的保障。

軌道的基底結構不但承受上部結構質量，還要長時間承受動載的作用，其發(fā)生損壞將導致軌道結構惡化，改變路基的荷載條件，荷載不均勻的作用在基底結構，形成惡性循環(huán)。高速鐵路僅有4h的天窗時間，加大了線路養(yǎng)護維修難度與工作量，而高速鐵路隧道內無砟軌道基底結構不允許有基底破壞和過大的沉降變形。針對鐵路隧道環(huán)境復雜、運營安全要求高，以及無砟軌道快速修復技術欠缺的現狀，研究和探索無砟軌道基于監(jiān)測數據的結構快速修復技術。

1 無砟軌道病害類型及原因

我國高速鐵路的無砟軌道主要類型為CRTS I型和CRTS II型，雖然結構設計不同，但出現的結構病害大體相同。板式無砟軌道主要由混凝土底座、水泥乳化瀝青砂漿墊層、預制混凝土軌道板、板問連接構件、鋼軌及扣件等構成。

1.1 砂漿墊層與軌道板結構離縫

砂漿層與軌道板結構離縫是高鐵板式無砟軌道的常見傷損之一，CRTS I型無砟軌道的砂漿層與軌道板結構離縫主要出現在軌道板四角，部分出現在軌道板中部，一般離縫在2 mm以下，個別在3 mm以上。產生砂漿墊層與軌道板結構離縫缺陷的原因比較復雜，主要原因有軌道板四角翹曲，灌注砂漿不飽滿，軌道板與砂漿層熱脹冷縮速率不同，鋼軌精調時由扣件引起等[4]。

根據國外高速鐵路經驗和對我國高速鐵路的調研[5]，砂漿層與軌道板離縫在2 mm及以上時，軌道結構將產生的一些危害，如加速砂漿層傷損和老化；動車組列車高速通過時，車體搖晃，影響舒適性；軌道板傷損；扣件系統(tǒng)產生不同程度傷損。

CRTS II型無砟軌道的砂漿層和軌道板結構離縫與CRTS I型不同。CRTSⅡ型無砟軌道砂漿層無灌注袋，采用支模后整體澆筑，澆筑時從外面難以觀察灌注飽滿情況，砂漿固化后，可能會出現外面飽滿內部空虛狀況。

通過調研發(fā)現砂漿層與軌道板結構離縫一般在1 mm以下，離縫最長可達10 m以上，深度不等。產生的原因主要是施工和當地溫度、雨水等環(huán)境因素有關，南方地區(qū)雨水多，致使離縫深度較大，貫穿縫較多；部分砂漿層與混凝土底座離縫。

CRTSⅡ型無砟軌道為縱連板式結構，1 mm以下離縫，即便是貫穿縫，也較難被軌檢車發(fā)現，目前主要靠人工排查。隨著雨雪侵蝕及動車組列車通過時對軌道板與砂漿層的拍打，離縫逐漸加深加大，往往傷損軌道板。

1.2 砂漿層缺損結構病害

砂漿層缺損指砂漿因過度老化導致砂漿層斷裂和剝落，在我國早期的無砟軌道試驗段出現較多，目前新建線路開通時間短，砂漿層采用了優(yōu)化的砂漿配方以及灌注袋的保護，尚未出現此類病害，長期運營可能會出現。

鐘英華[6]在對遂渝線無砟軌道試驗段的調研中發(fā)現水泥砂漿層的破損，砂漿層病害主要包括砂漿層的斷裂和剝落，一般在軌道板板間接縫部位和軌道板精調爪附近較為突出，并且會日趨嚴重[7]。

砂漿層缺損病害是直接由砂漿的穩(wěn)定性和強度決定的，與砂漿的配合比、生產工藝、施工工藝、運營條件和溫度變化等因素密切相關，在列車荷載作用下產生的離縫和豎向裂縫等傷損，常會誘發(fā)此類災害。施工中的補灌砂漿若與原砂漿層無法有效粘結，在列車循環(huán)荷載作用下，將會誘發(fā)砂漿層缺損掉塊，嚴重影響到砂漿層的性能和軌道結構的耐久性。

1.3 混凝土傷損

混凝土傷損主要是無砟軌道混凝土結構傷損，是高速鐵路無砟軌道的主要病害之一，包括底座及路基混凝土產生裂縫、軌道板承軌槽掉塊、軌道板混凝土掉塊、鋼筋裸露、側向擋塊大面積掉塊等。

在高鐵客運專線中出現的混凝土裂縫，并非列車循環(huán)荷載作用導致，而是由于軌道變形作用導致。變形受到約束后產生的壓力大于混凝土的抗壓強度將導致裂縫出現。同時材料不均勻、施工溫度、收縮變形、鋼筋異常、地基不均勻沉降、混凝土骨料沉落等，都會誘發(fā)混凝土裂縫[8]。

混凝土道床板出現裂縫以后，板中鋼筋容易銹蝕，銹蝕鋼筋對混凝土不斷擠脹使裂縫不斷擴張，導致混凝土發(fā)生裂縫并產生掉塊傷損。在長期服役的環(huán)境下，混凝土會與大氣中的二氧化碳作用發(fā)生反應，碳化后混凝土的脆性增大，加速了混凝土的掉塊剝離[9]，若產生滲水將加快基礎下沉，大大降低了無砟軌道混凝土道床的耐久性以及承載能力，甚至影響到行車安全。

基于病害產生的原因采取相關監(jiān)測，并通過對監(jiān)測數據進行分析，推斷將會發(fā)生何種災害，提取采取措施，或者病害已經發(fā)生在人并未識別但通過儀器等可以識別的部位，因及時采取病害的針對性快速修復技術。

2 快速修復技術

軌道結構發(fā)生破壞將對列車運行帶來了極大威脅，嚴重時會引起列車脫軌等重大安全事故。因此，必須及時采取修復措施，避免損傷進一步擴大。

2.1 快速修復技術原則

(1)快速修復。由于我國高速鐵路日間行車密度大，因此一般白天無法對運營線路進行檢查，日常養(yǎng)護維修普遍放在夜間，養(yǎng)護維修天窗時間為4 h，病害整治維修時間必須在天窗時問完成，材料強度必須在天窗時間達到，否則將影響正常運營。針對這一原則，相關研究人員從快速檢測病害和快速修復材料等方面進行了研究。

(2)“可二次”維修性。在復雜的運營條件和使用狀態(tài)下往往會出現二次傷損，于是要求對維修后出現的二次傷損需能夠進行二次維修，同時要求維修材料具有“可維修”性，或可以從無砟軌道結構病害處直接將病害徹底剔除，或維修材料可以進行反復維修并且新舊維修材料融合良好。

2.2 材料選擇

材料選擇的原則為在天窗內固化與原材料融合良好，同時符合《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》中材料力學性質和其他指標的要求。

根據無砟軌道結構病害類型和維修原則，我國無砟軌道發(fā)展早期，用于無砟軌道快速維修的材料為無機材料，主要包括混凝土修補的快干水泥砂漿和由快干水泥組成的水泥乳化瀝青材料?？旄伤嗌皾{價格便宜，但由于自身強度較低以及黏結強度不高，主要用于非受力混凝土缺損維修，若用于在受力部位，常造成二次傷損。水泥乳化瀝青砂漿作為砂漿層修補材料，是高速鐵路板式無砟軌道修復的核心技術，作為修補材料，水泥乳化瀝青與原砂漿層的匹配性能較好，曾被日本大量應用于新干線的無砟軌道結構砂漿層維修，因其耐腐蝕性和耐凍融性差，在維修后3～5 a會出現不同程度的二次傷損，目前逐漸被其他有機材料(如乙烯基樹脂)代替。

由于無機材料不能滿足無砟軌道養(yǎng)護維修需求，近年來有機材料被大量用于無砟軌道快速維修，主要有環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂、異丁烯樹脂和有機硅材料。環(huán)氧樹脂因其良好的機械性能和對混凝土優(yōu)良黏結性能用于混凝土裂縫和缺損維修；砂漿層離縫和缺損維修常使用異丁烯樹脂和乙烯基樹脂；僅有混凝土伸縮縫病害的修復使用有機硅。這些有機材料具有“可二次”維修性，新材料可在舊材料基礎上進行維修，無需清除。但是這些高分子材料存在著固有的缺陷，例如老化問題，施工條件復雜及成本昂貴等。因此材料的研究仍在進行中。

2.3 快速修復方法

2.3.1 砂漿層與軌道板結構離縫維修

針對砂漿層與軌道板結構離縫維修，目前最有效的方法是注漿。根據壓力大小，注漿分為常壓注漿法、低壓注漿法和高壓注漿法。由于軌道系統(tǒng)的開放性和離縫高度的微小件，高壓注漿法往往使維修材料流入不該進入的軌道部件中，常壓注漿法則難以將縫隙灌注飽滿，因此低壓注漿法最為合理。動車組列車通過時軌道板時對砂漿層的擠壓強度約為0.1 MPa，因此將灌注壓強設置為0.1 MPa，保證了注漿時漿液壓力對軌道板和砂漿層沒有破壞性。

對1 mm以上的連續(xù)離縫封閉后，在注漿段的最遠端設立觀察孔，觀察注漿是否飽滿；對1 mm以下的連續(xù)離縫，采用細鉆頭沿砂漿層上沿每隔30 cm打孔進行注漿，注漿至相鄰注漿孔漏漿；對內部不連續(xù)離縫，采用細絲探明后多點注漿，多點注漿與連續(xù)離縫注漿方式相同，其維修施工步驟如下：

(1)在軌道板上標明注漿孔和觀察孔位置。

(2)采用玻璃膠或其他密封膠將離縫封閉。

(3)插人注漿管和觀察器，進行注漿。

(4)注漿至觀察器或相鄰注漿后漏漿后，停止注漿。

(5)維修材料固化后拆除密封條，如果發(fā)現灌注不飽滿應重新封閉進行二次灌注。

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

2.3.2 漿層缺損維修

砂漿層缺損維修施工步驟如下：

(1)清除松動破損砂漿層。

(2)將混凝土底座打毛，并清理浮土。

(3)每隔30 cm打人錨固鋼釘，并涂刷底漆。

(4)填人新的修補砂漿，并搗鼓密實。

(5)立模至材料固化，防止因重力原因導致材料滑落。

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

2.3.3 混凝土傷損維修

混凝土傷損維修是防止因混凝土傷損造成鋼筋裸露銹蝕或結構功能喪失等。維修的部位在強度上應該符合原混凝土要求，并且有良好的黏結性和耐腐蝕性，并應防止脫落造成更多隱患，需在傷損部位進行植筋等，維修施工步驟如下：

(1)鑿除松動混凝土。

(2)對混凝土傷損面進行植筋，清除混凝土傷損面塵土。

(3)涂刷底漆。

(4)根據原混凝土形狀制模并填入樹脂。

(5)待樹脂固化后拆除模具。

(6)清理施工垃圾，保持環(huán)境。

3 實例分析

3.1 工程概況

回龍灣隧道位于重慶市巴南區(qū)一品鎮(zhèn)和界石鎮(zhèn)境內，為新建雙線隧道，起止里程DK19+460～DK23+180，最大埋深196 m，全長4 350 m；洞身DK22+115.08～DK23+043.79段為半徑2 000 m的右偏曲線，其余為直線，設計縱坡為5 ‰、4.5 ‰、5.1 ‰的單面上坡，線路高程284.64～305.96 m。DK23+480～DK23+580段下穿在建龍州灣2號公路隧道。

經過長期運營，回龍灣隧道無砟軌道結構局部出現不均勻沉降，在列車動載循環(huán)作用下軌道結構超過強度極限產生開裂、下沉和翻漿冒泥。列車通過時，裂縫處出現噴水現象，可看到脫空的道床板產生較大的動變形，對道床板及軌枕產生不良影響，出現裂縫與崩裂。

3.2 現場監(jiān)測

基準點選擇在列車通過時裂縫外的結構，在脫空嚴重的地方設置測點。圖1為貨物列車通過時路基動變形，表1為地質雷達監(jiān)測到的隧道內無砟軌道地段病害位置及表現形式。

在測試位置，軌道板脫空處于病害狀態(tài)，貨物列車經過時產生的動變形較火.造成脫空縫隙處積水上涌，出現噴涌。縱向裂縫兩邊明顯有振動錯動現象。加固前，貨物列幣通過時道床板動變形最大為1.09 mm。

圖1 加固前貨物列車通過時路基動變形

表1 隧道內無砟軌道地段病害位置及表現形式

3.3 快速修復方法

針對重慶鐵路樞紐東環(huán)線回龍灣隧道整體道床裂縫、下沉，以及翻漿冒泥等病害，采用注漿提升軌道板和精確定位方法。為此采用雙液組分、高強發(fā)泡樹脂進行注漿加固處理，填充無砟軌道基底結構空洞和進行底面密封，精確提升軌道板。

3.4 效果檢測

(1)加固后，道床板動變形為0.45 mm，改善了列車通過時的動力響應(圖2)。

圖2 加固后貨物列車通過時路基動變形

(2)加固后病害起止位置和隧道內無砟軌道地段病害位置及表現形式深度明顯縮短，軌道板下結構的整體密實狀況得到明顯改善，加固措施作用明顯。

4 結論

(1)總結了我國無砟軌道病害類型及原因，主要包括砂漿墊層與軌道板結構離縫、砂漿層缺損結構病害、混凝土傷損三種病害類型，病害一般是多種因素綜合的結果，因此，在進行高鐵隧道監(jiān)測時要進行全面快速檢測。

(2)軌道結構發(fā)生破壞將對列車運行帶來了極大威脅，修復技術要遵循快速修復和“可二次”維修性的原則，在材料選擇方面要復合上述原則和規(guī)范對材料性質的要求，針對不同的病害采取不同的快速修復技術。

(3)通過對回龍灣隧道的路基動變形監(jiān)測和利用地質雷達的物探監(jiān)測，監(jiān)測到整體道床裂縫、下沉，以及翻漿冒泥等病害，采用針對性快速修復技術，取得了較好的效果。