李鵬飛孫萬軍張志國楊高艦呂鵬

1.中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100071；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043

既有鐵路路基受填料土體特性、下臥土層性質(zhì)以及含水率等因素影響，路基不均勻沉降病害非常普遍。當(dāng)基床受地面水或地下水侵蝕時(shí)就會(huì)出現(xiàn)軟化，再經(jīng)過列車動(dòng)載的反復(fù)作用，使得泥漿容易沿道床道砟的空隙向上層涌出，造成線路出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重影響行車的平順性與安全性［1-2］。

聚氨酯材料因優(yōu)異的物理力學(xué)性能、良好的環(huán)境適應(yīng)性和耐久性，已在結(jié)構(gòu)防水層方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來，研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層還具有良好的防水能力和較高的抗壓能力，這種技術(shù)被引入到既有線路基病害處理，這種技術(shù)有望成為處理有砟道床翻漿冒泥的一種主要方法，具有廣闊的發(fā)展前景［3-4］。謝康等［5］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)水環(huán)境動(dòng)載耦合作用下聚氨酯級(jí)配碎石層的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，得出聚氨酯摻量達(dá)8%、碎石孔隙率達(dá)2%時(shí)，聚氨酯級(jí)配碎石層變形較小，有良好的力學(xué)特性和防水效果。王希云［6-7］依托包神重載鐵路翻漿冒泥整治，通過室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)確定聚氨酯膠凝級(jí)配碎石的材料配比，對(duì)其力學(xué)性能和防水性能進(jìn)行了研究，并通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證了整治效果。關(guān)于聚氨酯碎石處理既有線路基翻漿冒泥的文獻(xiàn)還很有限，而且主要集中在其相關(guān)性能研究方面，在實(shí)際路基整治工程中也僅處于個(gè)別試點(diǎn)應(yīng)用階段。

本文結(jié)合山東省大萊龍鐵路擴(kuò)能改造工程，探索將聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層用于翻漿冒泥整治。因目前尚無相關(guān)規(guī)范和成熟的技術(shù)控制指標(biāo)直接套用，且未見文獻(xiàn)對(duì)采用此類方法整治翻漿冒泥的相關(guān)施工工藝進(jìn)行詳細(xì)介紹，所以本文重點(diǎn)對(duì)該法的施工工藝和質(zhì)量控制進(jìn)行介紹，可為推廣該法應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

大萊龍鐵路于2005年建成通車，以貨運(yùn)為主，為進(jìn)一步促進(jìn)山東省北部沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和黃河三角洲的開發(fā)，于2018年12月開始進(jìn)行擴(kuò)能升級(jí)改造，擬將年運(yùn)貨能力由1 900萬t提升至3 000萬t。

既有大萊龍鐵路路基基床底部存在地下水浸泡軟化區(qū)段，在列車荷載反復(fù)振動(dòng)下有基床已出現(xiàn)翻漿冒泥。經(jīng)現(xiàn)場檢測統(tǒng)計(jì)，一標(biāo)段存在以上問題的共計(jì)31段，合計(jì)460 m，約6 089 m2，均需要進(jìn)行加固處理，以避免出現(xiàn)不均勻沉降和引起脫軌事故。為減少對(duì)既有道床的擾動(dòng)，控制要點(diǎn)施工時(shí)間，減少對(duì)既有線營運(yùn)停運(yùn)的干擾，本工程提出采用5 cm砂墊層、雙層防水土工布、8 cm厚聚氨酯混合料對(duì)翻漿冒泥局部地段進(jìn)行防水抗?jié)B處理，并一定程度地提高其承載能力，以保證行車的平穩(wěn)和安全。

2 路基病害機(jī)理與新型加固整治技術(shù)

2.1 病害機(jī)理

①大萊龍鐵路位于山東省境內(nèi)德州—龍口—煙臺(tái)鐵路中段，地質(zhì)、砂石填料材質(zhì)嚴(yán)重影響到路基基床的質(zhì)量，且土體中夾雜有一些吸水能力強(qiáng)、透水性差的組分。②該段鐵路離海較近，路基易受降雨和地下水的影響，一旦吸入的水量過多，路基土體就會(huì)變得疏松，形成泥漿。③在列車荷載反復(fù)動(dòng)力作用下，路基土體將持續(xù)產(chǎn)生變形而造成擠壓破壞，由于水量過多隨之出現(xiàn)翻漿冒泥。

2.2 新型加固整治技術(shù)

2.2.1 加固原理

聚氨酯碎石是以滿足性能要求的聚氨酯合成材料為膠黏劑，以級(jí)配碎石為填充骨料，按適當(dāng)比例充分混合，經(jīng)自然拌和、快速固化而形成的一種高分子復(fù)合材料。經(jīng)研究證明，適當(dāng)?shù)呐浜媳瓤梢员ＷC該材料具有較高的黏結(jié)強(qiáng)度、較強(qiáng)的抗酸堿性、抗紫外線以及抗老化能力，而上下包裹的防滲土工布則加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防水性能。

在列車荷載作用下聚氨酯級(jí)配碎石層具有整體振動(dòng)耗能能力，通過產(chǎn)生彈性變形而降低級(jí)配碎石動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)荷載變形幅值，具有良好的耗能和應(yīng)力吸收作用。此外，摻加合適比例的聚氨酯材料可以保證聚氨酯級(jí)配碎石層足夠致密不滲水，從而獲得良好的防水能力，可以有效防止水分侵入級(jí)配碎石層，起到隔離滲水侵蝕路基的綜合作用。

2.2.2 加固方法

針對(duì)有砟軌道路基基床翻漿冒泥病害，傳統(tǒng)的整治方法主要采用增設(shè)排水砂墊層加防水土工布等換隔措施，雖在一定程度上能起到防排水作用，但不能有效改善線路路基基床的剛度和承載能力，且整體性不強(qiáng)，耗能作用有限，基本不能減少列車荷載在路基土體中所產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力和沉降幅值?；诖祟愓畏椒?，本工程采用一種能夠在天窗點(diǎn)完成施工的聚氨酯膠凝碎石復(fù)合層，該結(jié)構(gòu)層由厚度0.05~0.08 m的聚氨酯膠凝碎石和上下包裹的防滲土工布組成，如圖1所示，既能改善整體基床強(qiáng)度和剛度，也能較均勻地?cái)U(kuò)散基床土體內(nèi)的應(yīng)力，減小列車荷載在路基中產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力，又具有協(xié)調(diào)層間變形和防滲功能。

圖1 聚氨酯碎石混合料防水層結(jié)構(gòu)

3 聚氨酯碎石復(fù)合層施工技術(shù)

3.1 施工工藝流程及進(jìn)度

大萊龍鐵路擴(kuò)能改造工程主要分布在5個(gè)區(qū)間，為準(zhǔn)確復(fù)核地質(zhì)資料，檢驗(yàn)設(shè)備、工藝等是否適宜，保證路床翻漿冒泥治理的質(zhì)量，取運(yùn)營里程K376+516—K376+524作為試驗(yàn)段先行施工。為確保能在有限的6 h封鎖天窗點(diǎn)內(nèi)完成施工，一個(gè)施工段（6 m）的整治工作進(jìn)度如圖2所示，施工整治流程如圖3所示。

圖2 一個(gè)施工段（6 m）施工進(jìn)度組織

圖3 施工整治流程

3.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.2.1 測量軌頂標(biāo)高及安裝千斤頂

封閉線路且路基整治施工開始后，去除施工段線路兩側(cè)道砟，并及時(shí)測量兩側(cè)軌頂標(biāo)高。一般每間隔5~7根軌枕在兩側(cè)軌枕下加設(shè)一對(duì)小型液壓千斤頂，保證破底清篩后軌道系統(tǒng)保持在原有標(biāo)高和幾何位置不變，同時(shí)為破底清篩騰出空間。千斤頂安裝時(shí)應(yīng)確保此處道砟已清理至設(shè)計(jì)開挖深度，防止千斤頂受開挖影響。

3.2.2 破底清篩

在千斤頂?shù)闹蜗拢壍荔w系維持在原有位置和幾何狀態(tài)下，開始破底清篩軌枕下方翻漿冒泥，直到設(shè)計(jì)標(biāo)高，開挖并清篩道枕下方全部碎石。開挖面務(wù)必要平整，不得有凸起道砟，以免刺破后續(xù)鋪設(shè)的土工布，出現(xiàn)滲漏薄弱點(diǎn)。挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求做好橫向排水坡，一般坡度以3%~5%為宜。對(duì)于開挖出來已被污染的道砟，現(xiàn)場裝袋后臨時(shí)存放于線路兩側(cè)，并使用平板小車運(yùn)離。用尺子檢查破底開挖深度是否滿足規(guī)定要求。

3.2.3 聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層施工

在破底路基上鋪筑5~8 cm厚砂墊層，砂墊層應(yīng)搗鼓平整，不能有大塊石子，防止其棱角刺破上鋪的土工布而出現(xiàn)局部滲漏水。施工中若刺破土工布務(wù)必立即進(jìn)行修補(bǔ)或者更換。鋪設(shè)的第一層土工布，其寬度宜較路基面寬0.4 m，以利于向上反折。

根據(jù)單次攪拌量將聚氨酯、碎石進(jìn)行配組。聚氨酯A組分和B組分按比例進(jìn)行配制，施工前按單次攪拌所需用量將配比好的聚氨酯分裝為3份存放在攪拌機(jī)旁待用。碎石要求干燥、潔凈、粉塵含量低，施工前同樣按單次攪拌所需量將配比好的碎石裝袋，分3份堆放在攪拌機(jī)旁待用。其中，一次封鎖每個(gè)攪拌機(jī)需要攪拌3桶，每次投料1份。聚氨酯用量應(yīng)嚴(yán)格按試驗(yàn)所得其占碎石比例進(jìn)行控制，一般為5%~9%，具體與聚氨酯材料性能和碎石級(jí)配有關(guān)，通過準(zhǔn)確稱量控制各組分比重，將聚氨酯AB組分倒入碎石攪拌機(jī)中攪拌均勻。

最后將攪拌好的聚氨酯碎石料均勻攤鋪到土工布上方，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證，攤鋪厚度8 cm即可滿足強(qiáng)度要求。攤鋪平整并等待40 min，待聚氨酯碎石混合料初凝后再進(jìn)行第二層土工布的攤鋪，寬度應(yīng)保持與路基面同寬，且兩次鋪設(shè)土工布搭接長度至少應(yīng)為0.1 m。

4 聚氨酯碎石復(fù)合層質(zhì)量控制

4.1 材料質(zhì)量控制

1）碎石材料

粗粒料采用5.0~9.5 mm粒徑，細(xì)粒料采用中粗砂，所用碎石材料粒徑應(yīng)符合表1中級(jí)配碎石要求。

表1 級(jí)配碎石要求

2）聚氨酯材料

聚氨酯材料因其組分性能和制成工藝不同，其性能指標(biāo)也差異較大。根據(jù)聚氨酯級(jí)配碎石黏結(jié)性、防水性、承載能力等方面的要求，應(yīng)注重產(chǎn)品的黏度、抗拉強(qiáng)度與斷裂伸長率等性能指標(biāo)，本工程建議的材料指標(biāo)要求見表2。

表2 聚氨酯膠凝劑指標(biāo)要求

3）聚氨酯膠凝碎石

鐵路規(guī)范中尚無對(duì)聚氨酯膠凝碎石抗壓強(qiáng)度的質(zhì)量控制要求，為此，根據(jù)現(xiàn)場碎石進(jìn)行了力學(xué)性能比較試驗(yàn)。依據(jù)現(xiàn)有研究和本工程試驗(yàn)結(jié)果，提出對(duì)聚氨酯膠凝碎石以100∶5.3（碎石重量∶聚氨酯重量）的比例混合均勻，靜置4 h后抗壓強(qiáng)度不小于3 MPa作為驗(yàn)收合格要求，同時(shí)進(jìn)行透水系數(shù)檢測試驗(yàn)，要求透水系數(shù)不超過0.5 mm/s。

施工過程中，按要求制作3塊立方體聚氨酯膠凝碎石試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，在壓力試驗(yàn)機(jī)上依據(jù)規(guī)范程序加載并壓至破壞，3個(gè)試件測得的破壞荷載分別為46.90、45.10、45.30 kN，經(jīng)計(jì)算抗壓強(qiáng)度分別為4.5、4.3、4.3 MPa，均滿足要求。

制作3塊透水系數(shù)檢測試件，試件為直徑100 mm、高50 mm圓柱形。經(jīng)檢測3個(gè)試件常溫下透水系數(shù)均為0，不透水，滿足要求。

4.2 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

聚氨酯膠凝碎石層厚度、設(shè)置范圍、頂面高程、中線至邊緣距離、寬度、橫坡允許偏差及檢驗(yàn)方法應(yīng)符合TB 10414—2008（表3）的規(guī)定［5，8］。

表3 聚氨酯凝膠碎石層允許偏差及檢驗(yàn)方法

本工程嚴(yán)格按要求進(jìn)行了檢測，全部滿足工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

針對(duì)鐵路既有線路基翻漿冒泥病害整治工作進(jìn)行實(shí)例研究，主要結(jié)合大萊龍鐵路工程探討了利用聚氨酯凝膠碎石層進(jìn)行翻漿冒泥整治的可行性，對(duì)其配比及性能指標(biāo)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了該工程的質(zhì)量驗(yàn)收控制指標(biāo)要求。對(duì)聚氨酯膠凝碎石道床體系構(gòu)成、施工工藝流程、關(guān)鍵施工技術(shù)及質(zhì)量控制要求等進(jìn)行了詳細(xì)說明。經(jīng)試驗(yàn)以及實(shí)踐檢驗(yàn)證明，聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層只要配比合適，就能保證其具有優(yōu)良的整體性、足夠的密實(shí)性而阻止雨水滲漏、足夠的黏結(jié)性能而不會(huì)在動(dòng)力作用下散開，既可以提高道床的整體剛度，也能提高整體承載能力，增加耗能能力，從而有效降低傳遞的動(dòng)應(yīng)力和不均勻沉降幅值，提高路基基床抗變形能力，優(yōu)勢(shì)明顯。而且其施工性好，不需要拆除軌枕，也不需要專門的設(shè)備設(shè)施和振搗養(yǎng)護(hù)，通過人工輔助攤鋪成型方式，可以在限定時(shí)間內(nèi)膠結(jié)，即可獲得優(yōu)良的質(zhì)量品質(zhì)。為此，該方法非常適合在天窗點(diǎn)作業(yè)的運(yùn)營線路基的翻漿冒泥病害整治，通過試點(diǎn)應(yīng)用證明此項(xiàng)技術(shù)可以為今后類似工程提供參考，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。