王永剛

(中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)有限公司,西安 710054)

聚氨酯固化道床是一種采用聚氨酯發(fā)泡材料，在有砟軌道的散體道床內(nèi)發(fā)泡、填充道砟顆粒之間空隙并包裹、固化道砟顆粒的道床結(jié)構(gòu)[1-3]，可有效避免道砟顆粒之間硬接觸及顆粒之間的錯(cuò)動(dòng)、滑移，有效減緩道砟粉化、劣化速率，大幅提高道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性[4-6]。

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道便于調(diào)整和無(wú)砟軌道少維護(hù)且穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)[7-10]，已成為繼有砟軌道和無(wú)砟軌道之后的第三種軌道結(jié)構(gòu)形式。目前，在國(guó)內(nèi)以鋪設(shè)無(wú)砟軌道為主的線路中，特殊大跨度橋上和活動(dòng)斷層區(qū)域得到推廣應(yīng)用[11-15]。但現(xiàn)澆聚氨酯固化道床的聚氨酯材料固化效果受溫度、濕度等作業(yè)環(huán)境影響大，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械設(shè)備繁多、工序復(fù)雜、代價(jià)高且施工質(zhì)量控制效果差[16-18]。因此，鐵科院提出了預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床設(shè)計(jì)方案，可有效避免現(xiàn)澆聚氨酯固化道床存在的問(wèn)題，且可實(shí)現(xiàn)道床結(jié)構(gòu)工廠化制造、裝配式施工及單元化維修[19-20]。預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床首次在西銀高鐵乾縣至永壽西站之間鋪設(shè)了線上試驗(yàn)段，為其設(shè)計(jì)、施工、服役狀態(tài)及運(yùn)營(yíng)維護(hù)評(píng)估優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

針對(duì)西銀高鐵裝配式聚氨酯固化道床在施工及運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的問(wèn)題及其成因分析，提出了裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，為裝配式聚氨酯固化道床更好地推廣應(yīng)用提出技術(shù)支撐與指導(dǎo)。

1 預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段

1.1 試驗(yàn)段概況

西銀高鐵自西安北站至吳忠站(吳忠至銀川屬于銀蘭高鐵)，是一條連接寧夏回族自治區(qū)吳忠市與陜西省西安市的高速鐵路，全長(zhǎng)543 km，設(shè)14座客運(yùn)車站，設(shè)計(jì)速度250 km/h，預(yù)留300 km/h的提速條件。

預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段選址在乾縣至永壽西站之間，里程DK78+926～DK79+689，全長(zhǎng)763 m，其中，路基段496 m、橋梁段207 m、隧道段60 m，預(yù)制聚氨酯軌枕塊按枕下固化道砟的厚度分為22 cm和26 cm兩種。試驗(yàn)段具體情況如表1所示。

表1 裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段概況

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

裝配式聚氨酯固化道床由鋼軌、扣件、預(yù)制聚氨酯固化軌枕、混凝土調(diào)整層等組成，軌道結(jié)構(gòu)高766 mm(與一般有砟軌道一致)。

(1)路基DK79+133～DK79+629地段，采用枕下固化道砟厚度22 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，軌枕鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為1 667根/km，如圖1所示。

圖1 路基地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

(2)橋梁DK78+926～DK79+133地段，采用枕下固化道砟厚度26 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，其中，DK78+926～DK78+976軌枕鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為1 540根/km，DK78+976～DK79+133軌枕鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為1 667根/km，如圖2所示。

圖2 橋梁地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

(3)隧道DK79+629～DK79+689地段，采用枕下固化道砟厚度22 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，軌枕鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為1667根/km，如圖3所示。

圖3 隧道地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

調(diào)整層采用骨料顆粒最大粒徑不大于11 mm，抗壓強(qiáng)度等級(jí)不低于C40的細(xì)石混凝土。調(diào)整層寬度不小于2 800 mm，每間隔6m設(shè)置寬100 mm或150 mm橫向排水槽。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施

西銀高鐵預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床施工采用與雙塊式無(wú)砟軌道類似的施工工法，即采用“軌排框架法”施工?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)先用軌排框架將預(yù)制軌枕塊連接好，然后對(duì)軌道幾何尺寸進(jìn)行調(diào)整，精調(diào)到位后澆筑細(xì)石混凝土調(diào)整層，待調(diào)整層達(dá)到一定強(qiáng)度后拆除軌排框架并在聚氨酯軌枕塊之間補(bǔ)充道砟。施工中由于預(yù)制軌枕塊的質(zhì)量比雙塊式軌枕大，需對(duì)軌排框架加固改造。施工完成后現(xiàn)場(chǎng)情況如圖4、圖5所示。

圖4 裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段全貌

圖5 裝配式聚氨酯固化道床試驗(yàn)段細(xì)部

1.4 基礎(chǔ)沉降處理措施

裝配式聚氨酯固化道床的突出優(yōu)點(diǎn)之一是可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)沉降后的單元化維修。當(dāng)基礎(chǔ)沉降超出扣件調(diào)整能力時(shí)，可采用如下兩種處理措施。

(1)采用小型門吊將沉降區(qū)域范圍的聚氨酯固化軌枕塊整體吊出，更換為更大固化道砟厚度的聚氨酯軌枕塊(如將固化道砟厚度22 cm的軌枕塊更換為固化道砟厚度26 cm或更大厚度的軌枕塊)。

(2)采用小型門吊將沉降區(qū)域范圍的聚氨酯軌枕塊吊起，并在塊下填充速凝混凝土或樹(shù)脂材料進(jìn)行調(diào)整修復(fù)。

2 預(yù)制裝配式固化道床問(wèn)題及原因分析

在預(yù)制裝配式固化道床施工及運(yùn)維過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)其存在的主要問(wèn)題如下。

(1)預(yù)制聚氨酯固化軌枕的道床塊與軌枕之間粘接能力較弱，個(gè)別道床塊與軌枕塊之間存在離縫或脫離的情況，如圖6所示。

圖6 軌枕與聚氨酯預(yù)制塊側(cè)面脫膠離縫

根據(jù)現(xiàn)澆聚氨酯固化道床的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)及裝配式聚氨酯固化道床的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，聚氨酯道床與軌枕之間的粘接力較強(qiáng)，正常情況下不會(huì)出現(xiàn)此種情況。經(jīng)研究探討，出現(xiàn)此種情況的主要原因如下。

①西銀高鐵預(yù)制裝配式試驗(yàn)段的建設(shè)工期極為緊張，且軌枕塊的預(yù)制制造恰逢2019年年底春節(jié)期間，環(huán)境溫度低導(dǎo)致聚氨酯固化材料的粘接能力未能充分發(fā)揮，且疫情形勢(shì)極為嚴(yán)峻，加之首次進(jìn)行預(yù)制軌枕塊的大規(guī)模生產(chǎn)制造，多重因素導(dǎo)致了首批預(yù)制聚氨酯軌枕塊的固化效果欠佳，軌枕與聚氨酯固化道床塊之間的粘接力不足。

②由于施工工期緊張，在施工場(chǎng)地附近建設(shè)預(yù)制軌枕塊生產(chǎn)的臨時(shí)設(shè)施無(wú)法滿足工期要求，因此，此批軌枕塊在北京預(yù)制生產(chǎn)。同時(shí)，由于試驗(yàn)段附近沒(méi)有預(yù)留軌枕塊的存放場(chǎng)地，軌枕塊需臨時(shí)存在距施工場(chǎng)地約5 km的場(chǎng)地，造成預(yù)制軌枕塊在生產(chǎn)、運(yùn)輸、存放及施工環(huán)節(jié)經(jīng)多次吊裝、倒運(yùn)。受吊裝工人經(jīng)驗(yàn)不足等因素影響(如起吊加速度過(guò)大等)，在反復(fù)吊裝過(guò)程中導(dǎo)致軌枕與聚氨酯預(yù)制塊之間出現(xiàn)離縫或脫離情況。

(2)扣件調(diào)整量?jī)H為10 mm，不利于運(yùn)營(yíng)期維護(hù)、調(diào)整。

預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床的預(yù)制聚氨酯軌枕塊采用Ⅲc型枕，與普通高速鐵路客運(yùn)專線有砟軌道軌枕類型一致，扣件配套采用彈條V形。彈條V形扣件的調(diào)整量?jī)H為10 mm，由于有砟軌道散粒體道床為便于采用大機(jī)精調(diào)作業(yè)的軌道類型，其調(diào)整能力能夠滿足日常維護(hù)需求。但裝配式聚氨酯固化道床的結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)定性介于有砟軌道與無(wú)砟軌道之間，相比于無(wú)砟軌道，其調(diào)整簡(jiǎn)單且調(diào)整能力大，但相比于有砟軌道，其調(diào)整難度大。因此，對(duì)于預(yù)制裝配式固化道床，為便于運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)維修，建議采用具備較大調(diào)整能力的扣件系統(tǒng)，其扣件的調(diào)整能力應(yīng)達(dá)到無(wú)砟軌道扣件調(diào)整能力的水平。

(3)相鄰預(yù)制軌枕塊之間縫隙自密實(shí)混凝土抹面及道砟填充、密實(shí)難度大。

預(yù)制軌枕道床塊寬500 mm，當(dāng)軌枕間距為600 mm時(shí)，相鄰軌枕塊之間的間距僅為100 mm；當(dāng)軌枕間距為650 mm，相鄰軌枕塊之間的間距也僅為150 mm(道砟顆粒最大允許粒徑63 mm)，中間縫隙自密實(shí)混凝土抹面及道砟填充、密實(shí)難度大，需采用人工手持小型工具或搗固器械進(jìn)行作用，難度較大。

3 裝配式固化道床優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

針對(duì)西銀高鐵裝配式聚氨酯固化道床存在的問(wèn)題，建議對(duì)裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行如下優(yōu)化。

(1)預(yù)制聚氨酯軌枕塊優(yōu)化設(shè)計(jì)

聚氨酯軌枕塊優(yōu)化設(shè)計(jì)主要針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的道床塊與軌枕粘接不牢固和相鄰軌枕預(yù)制塊之間縫隙小的問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)?？紤]到裝配式聚氨酯固化道床具有道床結(jié)構(gòu)免維護(hù)的優(yōu)勢(shì)，運(yùn)營(yíng)期不用進(jìn)行道床搗固、清篩等大機(jī)作業(yè)。因此，為增強(qiáng)軌枕與道床塊之間的粘結(jié)力，且便于日常運(yùn)維行走，建議參考寬枕的設(shè)計(jì)理念，適當(dāng)增大軌枕寬度。同時(shí)，考慮到預(yù)制軌枕塊之間縫隙現(xiàn)場(chǎng)自密實(shí)混凝土抹面及后續(xù)填砟、搗固難度大的問(wèn)題，軌枕塊之間的間隙不宜小于200 mm。因此，綜合考慮道床塊與軌枕之間粘接力、軌枕塊之間自密實(shí)混凝土抹面與后續(xù)道砟施作的便捷性、軌枕支承間距及運(yùn)維等方面的需求，建議將軌枕寬度優(yōu)化調(diào)整為400 mm，道床塊寬度與軌枕寬度齊平，如圖7、圖8所示。

圖7 推薦軌枕設(shè)計(jì)方案(平面)(單位：mm)

圖8 推薦軌枕設(shè)計(jì)方案(立面)

相比于西銀高鐵所采用的預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌枕塊，優(yōu)化后的裝配式聚氨酯固化道床單根軌枕塊主要工程數(shù)量變化及投資增減估算情況如表2所示。

表2 單根軌枕塊主要工程數(shù)量變化及投資增減估算

由表2可以看出，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，裝配式聚氨酯固化道床單根軌枕塊可節(jié)約投資約504元，按鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)1 667根/km計(jì)算，優(yōu)化后的裝配式聚氨酯固化道床每鋪軌公里可節(jié)約投資約84.02萬(wàn)元。

(2)扣件優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)彈條V形扣件調(diào)整量小，對(duì)裝配式聚氨酯固化道床整體性好、調(diào)整難度相比于有砟軌道大的情況，建議可借鑒無(wú)砟軌道扣件的經(jīng)驗(yàn)，配套研發(fā)適用于聚氨酯固化道床的大調(diào)整量扣件系統(tǒng)，以便于運(yùn)營(yíng)期常規(guī)的維護(hù)、調(diào)整作業(yè)。另外，也可以參考青藏鐵路季節(jié)性凍土地段采用特殊調(diào)整扣件方案，使其調(diào)整能力達(dá)到常規(guī)無(wú)砟軌道的調(diào)整水平，以提高其日常維護(hù)的便捷性。

4 結(jié)語(yǔ)

裝配式聚氨酯固化道床兼具有砟軌道可調(diào)整和無(wú)砟軌道少維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，已逐步成為我國(guó)第三種軌道結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床可實(shí)現(xiàn)道床結(jié)構(gòu)工廠化制造、裝配式施工及單元化維修，對(duì)諸如川藏鐵路、滇藏鐵路等工程與環(huán)境條件惡劣的項(xiàng)目具有良好適應(yīng)性，應(yīng)用前景廣闊。西銀高鐵試驗(yàn)段是裝配式聚氨酯固化道床首次系統(tǒng)性線上試驗(yàn)段的應(yīng)用、試驗(yàn)工程，對(duì)評(píng)估其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的合理性及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重大意義。針對(duì)試驗(yàn)段建設(shè)中存在的問(wèn)題進(jìn)行了研究分析，并提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案與思路，得出主要結(jié)論如下。

(1)道床塊與軌枕之間粘接力不足、扣件調(diào)整能力差及軌枕塊之間縫隙施工便捷性差等是預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床存在的主要問(wèn)題，在預(yù)制聚氨酯軌枕塊、扣件等方面均具備一定優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

(2)為確保道床塊與軌枕之間粘接力，且便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床采用軌枕寬度宜為400 mm。

(3)為滿足預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床日常維護(hù)調(diào)整需求，建議配套研發(fā)較大調(diào)整量扣件系統(tǒng)，使其調(diào)整能力宜與無(wú)砟軌道相當(dāng)。