杜 亮

(中鐵十六局集團(tuán)第四工程有限公司 北京 101400)

1 引言

在高速鐵路修建過(guò)程中，由于路基填料或其下地層膨脹性成分，加之外部條件加速膨脹過(guò)程，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因路基上拱而導(dǎo)致上部軌道結(jié)構(gòu)高程異常，甚至超出扣件調(diào)整范圍的問(wèn)題，嚴(yán)重的會(huì)危及整個(gè)高鐵線路運(yùn)營(yíng)的安全性和穩(wěn)定性。為了保證運(yùn)營(yíng)安全，確保換填路基填料不影響軌道結(jié)構(gòu)，需深入研究針對(duì)性方案，對(duì)路基上拱病害進(jìn)行全面整治[1]。本文以武岡城際鐵路K11＋050處上拱病害為研究對(duì)象，線路同時(shí)包含有砟段和無(wú)砟段，地質(zhì)和路基填料基本相同，但病害位于無(wú)砟地段，有砟地段未出現(xiàn)嚴(yán)重病害。有砟地段上拱可以通過(guò)調(diào)整道砟來(lái)消除隱患，但對(duì)于舒適度、速度及安全性要求極高的無(wú)砟軌道地段而言，軌道的平順性尤為關(guān)鍵[2]。

2 研究現(xiàn)狀及方案

2.1 研究現(xiàn)狀

我國(guó)高速鐵路和城際鐵路大量采用無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)型式，然而配套的維修方法目前研究較少。尤其是由于路基填料膨脹引起的軌道結(jié)構(gòu)上拱病害，目前行業(yè)內(nèi)大都采取切割減薄底座板的方法進(jìn)行無(wú)砟軌道落道整治，但切割減薄底座板勢(shì)必削弱無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還需通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證方案的可行性[3]。針對(duì)運(yùn)營(yíng)鐵路線路維修，雷大海等結(jié)合某高速鐵路的上拱病害整治案例，研究了高鐵無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)病害與維修技術(shù)。在研究上拱病害形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)注漿與砂漿層更換綜合維修技術(shù)，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了該技術(shù)的合理性與有效性[4]。上述技術(shù)因局部補(bǔ)強(qiáng)維修而不能實(shí)現(xiàn)徹底整修，病害易反復(fù)發(fā)生。如采用“更換上部軌道結(jié)構(gòu)＋路基填料置換”的明挖維修方式，其揭板、鑿除底座板工程量巨大，工序相對(duì)繁雜，大型機(jī)械設(shè)備較多，安全風(fēng)險(xiǎn)大，且明挖法對(duì)行車(chē)影響較大，需要分次封鎖單邊運(yùn)營(yíng)。另外明挖法不能全封閉施工，社會(huì)影響控制難度相對(duì)較大。

2.2 研究方案

整治方案需綜合考慮施工天窗、施工準(zhǔn)備時(shí)間、作業(yè)環(huán)境等客觀因素，保證整治方案適合該線路特定條件，確保不影響線路正常運(yùn)營(yíng)[5]?？紤]到維修效果、輿情影響和維修成本，在不影響行車(chē)的情況下，采用“保留上部軌道結(jié)構(gòu)＋路基換填”的暗挖維修理念更受推崇。然而，如何在極度狹小空間和有限時(shí)間內(nèi)快速進(jìn)行路基填料的暗挖置換作業(yè)[6]，最大程度降低對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的影響，并確保路基換填施工時(shí)軌道結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定和換填后軌道結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)落道，是面臨的復(fù)雜施工技術(shù)難題。為解決暗挖維修施工可能遇到的難題，本文提出針對(duì)性技術(shù)路線。

2.2.1 技術(shù)條件

(1)已運(yùn)營(yíng)或已鋪軌即將投入運(yùn)營(yíng)的無(wú)砟軌道鐵路。

(2)適用的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu):板式無(wú)砟軌道或雙塊式無(wú)砟軌道。

(3)適用線路條件:單、雙線鐵路均可。

2.2.2 施工總體方案

在上下行線限速(限速45 km/h)情況下，利用夜間天窗，對(duì)軌道結(jié)構(gòu)下級(jí)配碎石分段進(jìn)行人工挖除、架空軌道結(jié)構(gòu)→分次回填混凝土→落道調(diào)整→恢復(fù)正常運(yùn)營(yíng)→施工結(jié)束。施工順序?yàn)橄壬闲芯€、后下行線，逐行別維修?；炷敛捎帽盟腿肽?，棄渣采用手推兩輪車(chē)水平運(yùn)輸出網(wǎng)。

3 關(guān)鍵工裝研究

3.1 限位裝置

3.1.1 設(shè)計(jì)思路

采用暗挖換填方法對(duì)無(wú)砟軌道路基上拱病害進(jìn)行維修時(shí)，需對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)橫向限位。研發(fā)一種頂撐裝置，可承受10 t以上重量，并需滿足頂撐長(zhǎng)度調(diào)節(jié)達(dá)到毫米級(jí)精度要求；同時(shí)要求該裝置成本較低，安裝、拆除方便快捷，并可重復(fù)使用。

3.1.2 設(shè)計(jì)方案

該裝置由螺桿、套筒、調(diào)節(jié)螺母、鋼墊板4部分組成。螺桿采用?60精軋螺紋鋼，長(zhǎng)度180 mm；套筒采用8 mm厚、內(nèi)徑63 mm無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度為150 mm；調(diào)節(jié)螺母內(nèi)徑60 mm、高度50 mm；上下鋼墊板厚10 mm、長(zhǎng)10 cm、寬10 cm，與螺桿及套筒焊接為一體。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)螺母帶動(dòng)螺桿調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，每轉(zhuǎn)一圈調(diào)節(jié)0.95 mm。

3.2 落道裝置

3.2.1 設(shè)計(jì)思路

采用暗挖換填方法對(duì)無(wú)砟軌道路基上拱病害進(jìn)行維修時(shí)，需對(duì)上方軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)支撐，開(kāi)挖完成后進(jìn)行落道和線形調(diào)整。研發(fā)一種落道裝置，要求該裝置可承受10 t以上重量，滿足頂升毫米級(jí)精度要求；同時(shí)要求該裝置成本低廉，可永久埋入地下。

3.2.2 設(shè)計(jì)方案

研發(fā)一種楔式千斤頂落道裝置，該裝置由螺桿、底座、中塊、頂板4部分組成。螺桿采用M16高強(qiáng)螺栓，端部設(shè)有兩個(gè)固定螺帽。底座長(zhǎng)25 cm、寬18 cm，中間設(shè)橫隔板，高10 cm。中塊為端部開(kāi)槽的梯形楔體。頂板與4個(gè)支腿焊接為一體。組裝時(shí)螺栓穿入底座中間橫隔板，中塊斜面與底座楔體斜面緊貼，開(kāi)槽孔正對(duì)螺桿兩個(gè)螺帽之間的部位，頂板的四個(gè)支腿插入底座橫隔板。逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿降低標(biāo)高，每轉(zhuǎn)一圈降低0.71 mm，累計(jì)可降4 cm，如圖1所示。

圖1 落道裝置(單位:mm)

4 作業(yè)流程及驗(yàn)收

4.1 準(zhǔn)備工作

(1)既有鐵路設(shè)施防護(hù)。包括路基柵欄、水溝、電纜槽、軌道結(jié)構(gòu)的防護(hù)。為防止在開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生橫向和豎向位移，在底座板兩側(cè)對(duì)稱(chēng)設(shè)置用于臨時(shí)限位的鋼筋混凝土L型墩，并用自行研制的可調(diào)螺栓對(duì)底座板進(jìn)行支撐。L型限位墩如圖2所示。

圖2 限位墩橫斷面(單位:cm)

(2)拆除封閉層。為了加快封閉層拆除速度，減少拆除作業(yè)對(duì)線路的影響，先分塊切割后再運(yùn)出網(wǎng)外。切割采用汽油切割機(jī)進(jìn)行，分塊尺寸不大于(50×50)cm，切縫深度盡量大于5 cm，然后用風(fēng)鎬進(jìn)行裂開(kāi)拆除，以便搬運(yùn)。

4.2 開(kāi)挖作業(yè)坑

為了給暗挖提供必要的作業(yè)空間，需在底座板兩側(cè)設(shè)置作業(yè)坑。作業(yè)坑采用人工風(fēng)鎬開(kāi)挖[7]，開(kāi)挖后及時(shí)施作防水層。作業(yè)坑寬度對(duì)應(yīng)暗探槽寬度，分別為1.5 m和1.1 m。作業(yè)坑布置如圖3所示，其尺寸大小、位置及形狀可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件而改變，應(yīng)滿足出土要求。

圖3 作業(yè)坑布置(單位:cm)

4.3 節(jié)段掏挖

采用人工分節(jié)段暗挖，從底座板兩側(cè)作業(yè)坑向板中間對(duì)向開(kāi)挖，開(kāi)挖節(jié)段長(zhǎng)度分為1.5 m和1.1 m兩種。開(kāi)挖順序嚴(yán)格按設(shè)計(jì)方案進(jìn)行，如圖4所示(帶圈編號(hào)為順序)。開(kāi)挖時(shí)，先用電鎬松動(dòng)級(jí)配碎石，再用小鏟將松散后的級(jí)配碎石從底座板下掏出，人工運(yùn)至棄渣點(diǎn)。若1個(gè)天窗點(diǎn)不能全部完成本槽掏挖和鋼支撐安裝，則將板底中間部分(約1/2)施工作業(yè)留給下1個(gè)天窗點(diǎn)，并在已開(kāi)挖位置用25 t千斤頂進(jìn)行臨時(shí)支撐。

圖4 開(kāi)挖順序(單位:cm)

4.4 支撐安裝及調(diào)整

為防止掏挖時(shí)軌道結(jié)構(gòu)受力不均造成底座板開(kāi)裂，每掏挖1個(gè)節(jié)段，立即使用25 t機(jī)械千斤頂在底座板下方對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)支撐[8]。每個(gè)節(jié)段橫向使用2個(gè)千斤頂進(jìn)行臨時(shí)支撐，支撐位置位于鋼軌正下方。千斤頂上方設(shè)頂托鋼板，下部設(shè)混凝土預(yù)制塊底座，底座下方采用細(xì)石混凝土進(jìn)行硬化處理。每對(duì)工作坑橫向通道挖通后，在臨時(shí)千斤頂?shù)膬蓚?cè)分別設(shè)置H型鋼支撐，替換千斤頂受力。H型鋼支撐頂部設(shè)自行研發(fā)的落道裝置，落道裝置與底座板之間設(shè)多層復(fù)合鋼墊板，如圖5所示。

圖5 支撐結(jié)構(gòu)

4.5 澆筑底部混凝土

開(kāi)挖完成且支撐檢查無(wú)誤后，澆筑底部C25混凝土前，在底座板下方打孔植筋。底部混凝土澆筑在一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)完成，澆筑前應(yīng)仔細(xì)檢查鋼支撐的可靠性與穩(wěn)定性。為保證下行線開(kāi)挖時(shí)留足工作坑位置，線間應(yīng)支立模，同時(shí)作為下道工序立模支撐面，模板距離底座板40 cm。澆筑混凝土?xí)r，用篷布對(duì)軌道板進(jìn)行保護(hù)，以免污染軌道板[9]，如圖6所示。

圖6 底部混凝土澆筑

4.6 軌道結(jié)構(gòu)復(fù)位

所有1.1 m段開(kāi)挖完成且臨時(shí)支撐安裝到位后，進(jìn)行軌道結(jié)構(gòu)復(fù)位。

4.6.1 復(fù)位準(zhǔn)備

(1)解除約束

拆除限位墩上的豎向和橫向限位螺栓，解除軌道結(jié)構(gòu)兩側(cè)的限位約束。

(2)軌面高程復(fù)測(cè)

用電子水準(zhǔn)儀或安博格小車(chē)對(duì)鋼軌線路進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，掌握鋼軌下方調(diào)節(jié)墊板數(shù)據(jù)，精確計(jì)算軌道板各位置調(diào)整量，并與工務(wù)部門(mén)復(fù)核，確定每次落道順坡長(zhǎng)度范圍。

4.6.2 落道測(cè)量調(diào)整

(1)軌道調(diào)整前，技術(shù)人員測(cè)量后在支撐位置標(biāo)出每一個(gè)軌枕落道量。

(2)在落道調(diào)整時(shí)，每個(gè)支撐設(shè)1個(gè)操作人員負(fù)責(zé)調(diào)換鋼墊板、調(diào)整楔式千斤頂，其調(diào)整順序如圖7所示。先將軌道板用機(jī)械千斤頂適量頂起，然后按Ⅰ～Ⅸ千斤頂編號(hào)依次撤換鋼支撐墊板，逐步降低楔式千斤頂行程高度。調(diào)節(jié)楔式千斤頂時(shí)按編號(hào)順序依次進(jìn)行，調(diào)節(jié)過(guò)程中使用水準(zhǔn)儀及全站儀監(jiān)測(cè)軌道變形，出現(xiàn)異常應(yīng)立即停止，查明原因再行落道。

圖7 落道順序(單位:cm)

(3)落道調(diào)整時(shí)要求落道裝置由1個(gè)專(zhuān)人操作，對(duì)應(yīng)的每個(gè)鋼支撐由1個(gè)專(zhuān)人負(fù)責(zé)調(diào)換鋼墊板，由專(zhuān)業(yè)人員統(tǒng)一指揮調(diào)整時(shí)間和調(diào)整量。調(diào)整軌道頂升設(shè)備要緩慢、平穩(wěn)進(jìn)行，切忌突上突下。在落道調(diào)整過(guò)程中用電子水準(zhǔn)儀同步復(fù)核以確保落道量準(zhǔn)確。

4.7 板底灌注自密實(shí)混凝土

軌道板、底座板及鋼軌調(diào)整至設(shè)計(jì)位置后，采用C40自密實(shí)混凝土對(duì)板底挖除部分進(jìn)行澆筑。為了提高自密實(shí)混凝土的早期強(qiáng)度，混凝土按配比加入早強(qiáng)劑。自密實(shí)混凝土正式生產(chǎn)前，應(yīng)對(duì)自密實(shí)混凝土的拌合物性能進(jìn)行開(kāi)盤(pán)鑒定，滿足要求后方可進(jìn)行灌注施工[10]。

采取立模澆筑法進(jìn)行澆筑，模板固定在底座板兩側(cè)，將入?？谠O(shè)于超高內(nèi)側(cè)，內(nèi)側(cè)模板要高于底座板頂部；出?？谠O(shè)于超高外側(cè)，兼用作觀察孔，確?；炷亮鲃?dòng)到位，并防止多余混凝土外溢。為避免混凝土澆筑不密實(shí)，出現(xiàn)空洞，澆筑前在底板安裝PVC排氣管，排氣管長(zhǎng)1.8 m，間距0.5 m，如圖8所示。

圖8 板底自密實(shí)混凝土灌注(單位:cm)

4.8 關(guān)鍵技術(shù)

(1)通過(guò)臨時(shí)支墩配合防橫移和防側(cè)移裝置解決了軌道結(jié)構(gòu)限位問(wèn)題，并滿足受力要求和精度要求。

(2)通過(guò)研發(fā)一種楔式落道裝置解決了軌道結(jié)構(gòu)落道難題。

(3)采用分段開(kāi)挖、分段支撐的施工方法解決了上部軌道結(jié)構(gòu)臨時(shí)支撐問(wèn)題。

4.9 軌道精調(diào)及驗(yàn)收

底座板下砼強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)值75%以上后，進(jìn)行軌道精調(diào)，使道床進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，線路逐步達(dá)到驗(yàn)交標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)砟軌道精調(diào)遵循“先高低、后水平；先軌向、后軌距”的原則[11]。無(wú)砟軌道精調(diào)數(shù)據(jù)由高鐵工務(wù)段等相關(guān)單位進(jìn)行復(fù)核、驗(yàn)收，作為恢復(fù)通車(chē)的依據(jù)之一。

5 結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路路基病害整治一般屬于隱蔽工程，所以進(jìn)行運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基變形病害整治，既要做到運(yùn)營(yíng)安全，又要對(duì)病害進(jìn)行徹底整治，不留隱患[12]。本文方法利用天窗點(diǎn)施工，無(wú)需封鎖線路，不影響高鐵的正常運(yùn)行；采用人工配合小型機(jī)具進(jìn)行施工，投入少，進(jìn)度相對(duì)較慢，但無(wú)揭板、鑿除底座板的工程量，工序也相對(duì)較少；采用暗挖形式，不用大型機(jī)械設(shè)備，對(duì)行車(chē)安全影響因素較少。該方法填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)砟軌道路基暗挖維修技術(shù)方面的空白，對(duì)高鐵無(wú)砟軌道路基類(lèi)似維修工程具有借鑒意義。