張志遠(yuǎn)

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司,上海 200071)

CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道是我國(guó)高速鐵路建設(shè)前期采用的軌道結(jié)構(gòu)形式之一，目前整體運(yùn)營(yíng)狀況良好。然而，隨著運(yùn)營(yíng)年限增加，局部地段軌道防水措施逐漸失效，在雨水充沛地區(qū)，特別是當(dāng)路基級(jí)配碎石層細(xì)土顆粒較多出現(xiàn)排水不暢時(shí)，被水侵蝕的路基在列車沖擊載荷作用下，易發(fā)生振動(dòng)液化，造成路基翻漿病害。部分發(fā)生翻漿病害的路基在后期逐漸演變?yōu)椴痪鶆虺两?，且沉降量超出扣件允許可調(diào)范圍，影響軌道平順性及行車安全[1]。為了恢復(fù)線路運(yùn)行的穩(wěn)定性和舒適性，亟需采取必要的路基深層排水加固與抬升整治措施。

1 傳統(tǒng)淺層注漿加固抬升技術(shù)的不足

聚氨酯注漿抬升技術(shù)由于施工快速、穩(wěn)定且無(wú)需后期養(yǎng)護(hù)，已廣泛用于無(wú)砟軌道路基不均勻沉降治理等領(lǐng)域[2-3]，并在路基表層加固抬升技術(shù)工藝[4-6]，注漿材料性能[7]，室內(nèi)仿真分析試驗(yàn)[8-9]，運(yùn)營(yíng)線上對(duì)比整治試驗(yàn)[10]方面取得了相關(guān)研究成果。該技術(shù)可以在不影響軌道結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)及行車安全的前提下對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行抬升，恢復(fù)線路的平順性[10-12]，改善沉降區(qū)段線路的動(dòng)力特性[13-14]。然而，對(duì)于因翻漿造成的路基不均勻沉降，由于沉降路基中級(jí)配碎石層會(huì)有積水存在，此技術(shù)在施工過(guò)程中存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在：(1)聚氨酯淺層抬升注漿技術(shù)的重點(diǎn)在于如何對(duì)發(fā)生沉降的上部軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、穩(wěn)定的抬升，因此，一般情況下會(huì)通過(guò)加快注漿材料反應(yīng)及固化速度的方式來(lái)提高抬升效率；然而，加快注漿材料反應(yīng)速度會(huì)嚴(yán)重限制注漿液的流動(dòng)范圍，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)翻漿病害地段富水路基的排水與加固；(2)在注漿施工過(guò)程中，聚氨酯注漿材料遇到路基中的積水后會(huì)無(wú)規(guī)則膨脹，且膨脹倍率不可控，影響施工精度及材料自身使用的耐久性；(3)注漿抬升施工時(shí)，傳統(tǒng)注漿技術(shù)通常由沉降嚴(yán)重區(qū)域開(kāi)始，采用2臺(tái)設(shè)備進(jìn)行單點(diǎn)對(duì)稱注漿抬升，難以保證施工過(guò)程中軌道結(jié)構(gòu)的整體同步抬升，進(jìn)而造成軌道結(jié)構(gòu)部分區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象。結(jié)合以上分析，針對(duì)翻漿引起的路基不均勻沉降治理，傳統(tǒng)聚氨酯淺層注漿抬升技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)路基深層排水加固，且抬升質(zhì)量和精度受路基水環(huán)境的影響較大。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)聚氨酯材料及其施工工藝開(kāi)展系統(tǒng)研究，基于目前較為成熟的聚氨酯淺層注漿抬升技術(shù)，研究采用“水不敏感改性聚氨酯注漿材料”配合“多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)注漿抬升工藝”，對(duì)富水環(huán)境下的路基軟弱土進(jìn)行排水與加固，實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降軌道結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、穩(wěn)定抬升，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

2 聚氨酯深層注漿加固抬升關(guān)鍵技術(shù)

2.1 聚氨酯注漿材料的性能要求

針對(duì)翻漿引起的路基不均勻沉降，聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)不僅需要能有效恢復(fù)設(shè)計(jì)軌面高程，而且還需對(duì)富水環(huán)境下的路基空隙實(shí)現(xiàn)擠密與壓實(shí)。因此，所用聚氨酯注漿材料，需滿足以下基本條件。(1)注漿材料遇路基內(nèi)積水后，反應(yīng)性能可控，保持較高的閉孔率；其在水中發(fā)泡的密度需為正常條件下發(fā)泡密度的85%以上，從而有效規(guī)避過(guò)抬風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，保證材料的最終強(qiáng)度，為路基提供骨架支撐，確保治理后富水路基地段整體結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。如圖1所示，經(jīng)水不敏感改性后，可有效避免傳統(tǒng)注漿材料在遇水發(fā)泡后膨脹不可控、無(wú)規(guī)則炸裂等缺陷。(2)注漿材料表干時(shí)間可控，且半小時(shí)內(nèi)可達(dá)到最終強(qiáng)度的90%，不影響次日列車常速運(yùn)行。改性聚氨酯注漿材料的詳細(xì)性能指標(biāo)要求如表1所示，通過(guò)對(duì)注漿材料流動(dòng)性、反應(yīng)性、力學(xué)性能以及耐久性的綜合設(shè)計(jì)，使其能充分實(shí)現(xiàn)富水沉降路基的填充與加固，并保證沉降軌道結(jié)構(gòu)抬升的穩(wěn)定性與良好的耐久性。

圖1 聚氨酯注漿材料入水發(fā)泡后的形貌對(duì)比

表1 改性聚氨酯注漿材料的性能要求

2.2 施工工藝流程

在不影響列車運(yùn)行的情況下，采用改性聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)，對(duì)翻漿引起的路基沉降進(jìn)行綜合整治，整治流程如圖2所示。

圖2 聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)施工流程

(1)確定抬升量

施工前，預(yù)先檢查現(xiàn)場(chǎng)翻漿及沉降工況，利用電子水準(zhǔn)儀和全站儀測(cè)量沉降區(qū)段內(nèi)線路的初始沉降值。拆除調(diào)高墊片更換為標(biāo)準(zhǔn)扣件，然后第二次進(jìn)行沉降值測(cè)量，最終確定各軌枕所需抬升量。本步工序?qū)僬阶{前的抬升量確認(rèn)復(fù)核工作，當(dāng)抬升區(qū)段長(zhǎng)、工點(diǎn)多時(shí)可在正式注漿前的天窗內(nèi)提前完成，不占用注漿主體工程天窗時(shí)間。抬升區(qū)段短或單個(gè)工點(diǎn)時(shí)可在注漿前用30 min左右完成。

(2)鉆注漿孔、安裝注漿管

在軌道板外側(cè)底座頂面標(biāo)識(shí)注漿孔的位置，根據(jù)圖3設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)鉆孔并埋設(shè)注漿管。鉆孔時(shí)，鉆頭與豎直方向成45°角。其中，注漿孔直徑16 mm，孔深1.1～1.2 m，距底座板邊緣15 cm，相鄰注漿孔間距63 cm。第一輪注漿孔為主注漿孔，第二輪注漿孔兼做觀察孔。注漿孔清理干凈后，將注漿管插入孔內(nèi)擰緊止?jié){閥。本步工序宜根據(jù)整治區(qū)段長(zhǎng)度及工點(diǎn)數(shù)量靈活選擇單點(diǎn)作業(yè)和流水作業(yè)模式。多工點(diǎn)流水作業(yè)時(shí)，不占用注漿主體工程天窗時(shí)間。單點(diǎn)作業(yè)時(shí)，本步工序宜控制在40 min內(nèi)完成。

注：1.紅色注漿孔為主注漿孔，進(jìn)行第一輪注漿；2.白色注漿孔為備用注漿孔，用于第一輪注漿不足時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注，兼做觀察孔。

(3)注漿加固與抬升

在注漿施工前，應(yīng)提前對(duì)注漿設(shè)備進(jìn)行調(diào)試并對(duì)注漿材料預(yù)打樣，確認(rèn)注漿材料的反應(yīng)速度及其他各方面性能均正常后方可注漿施工。

注漿抬升原則上由沉降量最大的位置(通常為伸縮縫附近)開(kāi)始，按照“先嚴(yán)重后一般”的原則進(jìn)行抬升作業(yè)。如圖4所示，為了避免單點(diǎn)抬升造成軌道結(jié)構(gòu)部分區(qū)域應(yīng)力集中，保證抬升過(guò)程的均一、穩(wěn)定，提高抬升效率，宜采用“多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)注漿抬升工藝”，使用多臺(tái)注漿機(jī)在線路兩側(cè)進(jìn)行同步加固抬升。

圖4 多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)注漿順序

注漿過(guò)程中，單次抬升量按照“寧小勿大”的原則，單次最大抬升高度不得大于10 mm。如在抬升過(guò)程中發(fā)現(xiàn)相鄰或?qū)γ娴淖{嘴有漿液或串漿現(xiàn)象應(yīng)立即停止注漿，更換注漿機(jī)位至下一注漿孔注漿，直至軌面達(dá)到設(shè)定高程后結(jié)束注漿并封堵注漿孔。

為保證整治質(zhì)量，注漿過(guò)程中需重點(diǎn)落實(shí)：①對(duì)注漿區(qū)域采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行初始數(shù)據(jù)測(cè)量，單個(gè)軌道板上測(cè)點(diǎn)不少于6個(gè)，且均勻分布于軌道兩側(cè)，尤其注意伸縮縫兩側(cè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。②將注漿槍與注漿管連接好后進(jìn)行注漿。注漿過(guò)程中在注漿點(diǎn)附近對(duì)鋼軌軌面和軌道板進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制注漿壓力和注漿量，避免軌面超出抬升允許值。注漿點(diǎn)完成注漿2 min后可撤銷對(duì)該點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。注漿從病害最嚴(yán)重處開(kāi)始，逐步向兩側(cè)進(jìn)行，直到全部注漿管注滿注完。注漿過(guò)程中隨時(shí)觀察相鄰或?qū)γ娴淖{嘴有無(wú)漿液冒出，如果出現(xiàn)串漿現(xiàn)象即停止注漿并封閉此注漿嘴，換孔注漿，直至徹底飽滿后結(jié)束注漿。③采用專用注漿設(shè)備進(jìn)行施工，注漿過(guò)程中壓力需保持恒定連續(xù)。注漿壓力應(yīng)能保證改性雙組份聚氨酯材料充分反應(yīng)，出漿點(diǎn)壓力控制在0.5～1.0 MPa。

注漿是加固抬升核心工序，采取多輪灌注，抬升精度動(dòng)態(tài)控制模式。以一塊板為一個(gè)工作單元，每塊板總灌注時(shí)間宜控制在90 min內(nèi)完成，注漿完成2 min后停止觀測(cè)，確認(rèn)抬升滿足要求后轉(zhuǎn)移孔位。

(4)次生病害修復(fù)及線路精調(diào)

針對(duì)CA砂漿層離縫、軌道防水封閉層破損以及軌道板裂縫等路基沉降引起的次生病害，為保證施工后軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)填充與防排水施工。施工結(jié)束后，使用精調(diào)小車對(duì)軌道進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)更換標(biāo)準(zhǔn)墊板的方式確保軌道結(jié)構(gòu)的平順性。本步工序?yàn)樽{抬升的收尾工作，宜控制在40 min內(nèi)完成，所有工作在天窗關(guān)閉前30 min完成，未完工作在下一天窗繼續(xù)。

3 工程應(yīng)用

滬寧城際上行K111+875處為路橋結(jié)合部區(qū)域，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)，線路兩側(cè)(前后共13.6延米)有較為嚴(yán)重的翻漿病害，且由于路基中泥漿不斷翻出，軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降。為了臨時(shí)維持軌道結(jié)構(gòu)的平順性，內(nèi)外股軌下均有較大墊高量，其中，外股最大扣件墊高量為33 mm，內(nèi)股最大墊高量為32.5 mm。

采用改性聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)對(duì)該路橋結(jié)合部區(qū)域進(jìn)行翻漿整治和抬升加固，以盡快恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)高程，從根本上對(duì)富水路基進(jìn)行排水、擠密與加固，維持軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定。此次施工共使用6臺(tái)注漿機(jī)，分3小組進(jìn)行多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)注漿，按照先嚴(yán)重后一般的原則進(jìn)行抬升作業(yè)施工，注漿抬升施工如圖5所示。

圖5 注漿及多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)抬升施工

此次施工里程共計(jì)13.6 m，其中抬升量最大點(diǎn)為sk189-1，抬升量達(dá)到28 mm。如圖6所示，抬升施工后軌道板錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象消失，且恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)扣件。經(jīng)改性聚氨酯深層注漿加固抬升施工，成功對(duì)路橋結(jié)合部特殊區(qū)域富水環(huán)境下路基軟弱土的深層排水與加固，并實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降軌道結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量、穩(wěn)定抬升，抬升精度可達(dá)0.1 mm。

圖6 施工前后軌道墊高量對(duì)比

除以上整治工點(diǎn)外，滬寧城際上行K112+495、K113+380、K163+650、K200+650等里程位置，下行K163+650、K230+180、K232+927、K249+155等里程位置共計(jì)20處，均存在路基沉降導(dǎo)致扣件墊高量較大的問(wèn)題，采用改性聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)整治過(guò)后線路狀態(tài)恢復(fù)正常，效果良好。

4 結(jié)論

針對(duì)高速鐵路運(yùn)營(yíng)過(guò)程中路基加固抬升整治工程，通過(guò)對(duì)改性聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)的研究與實(shí)踐，得到以下結(jié)論。

(1)提出了水不敏感型聚氨酯深層注漿加固抬升技術(shù)，確定了聚氨酯材料遇水反應(yīng)密度保持率不低于85%、閉孔率不低于85%等關(guān)鍵技術(shù)性能，為有效規(guī)避過(guò)抬風(fēng)險(xiǎn)，保證材料的最終強(qiáng)度，確保治理后富水路基地段軌道結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定奠定了材料基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)對(duì)聚氨酯注漿加固材料表干時(shí)間的優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)半小時(shí)內(nèi)達(dá)到最終強(qiáng)度的90%，不影響次日列車常速運(yùn)行，可將養(yǎng)護(hù)施工對(duì)運(yùn)營(yíng)造成的不利影響降到最低。

(3)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)注漿孔位的優(yōu)化布設(shè)及多輪灌注工法，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)沉降抬升及抬升過(guò)程的精確動(dòng)態(tài)控制，可有效避免單點(diǎn)抬升造成軌道結(jié)構(gòu)部分區(qū)域應(yīng)力集中的現(xiàn)象，確保抬升過(guò)程協(xié)調(diào)同步、穩(wěn)定高效。

(4)通過(guò)在滬寧城際路基不均勻沉降治理中的成功應(yīng)用，驗(yàn)證了高速鐵路路基沉降地段基于改性聚氨酯固化抬升技術(shù)的有效性，整治抬升后軌道結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，軌道平順性得以恢復(fù)，線形控制良好。