高速鐵路無砟軌道結構部件快速更換技術

■ 易忠來 李化建 謝永江

高速鐵路無砟軌道結構部件快速更換技術

■ 易忠來 李化建 謝永江

針對我國運營高速鐵路無砟軌道結構傷損已經顯現，個別結構部件傷損嚴重需要更換，但尚缺乏相應更換技術和更換材料的現實問題。為實現高速鐵路無砟軌道結構部件天窗時間內快速更換的目標，研究了無砟軌道結構關鍵部件更換材料及裝備，提出無砟軌道結構關鍵部件快速更換工藝，形成了我國自主知識產權的高速鐵路無砟軌道結構部件快速更換技術體系，為我國高速鐵路無砟軌道的養(yǎng)護維修奠定了技術基礎，對于保障高速鐵路安全運營具有重要意義。

無砟軌道；結構部件；天窗時間；快速更換；材料；裝備

0 引言

我國高速鐵路無砟軌道建設自2004年遂渝鐵路無砟軌道試驗段開始，目前已有京滬、京廣、哈大、京津、鄭西、蘭新、滬寧、滬杭等眾多高速鐵路無砟軌道建成通車，高速鐵路網已逐步建成，無砟軌道大規(guī)模投入使用。無砟軌道是以混凝土或瀝青砂漿取代散粒道砟而組成的軌道結構形式，其道床的養(yǎng)護維修與傳統(tǒng)的有砟軌道有著根本的區(qū)別，具有結構穩(wěn)定性好、服役周期長、養(yǎng)修工作量相對較小等顯著優(yōu)勢[1]。但國內外高速鐵路無砟軌道工程實踐表明，在服役過程中，由于環(huán)境、荷載等因素，或在洪水、地震等自然災害的影響下，無砟軌道結構易出現不同程度的傷損現象，當傷損到一定程度，無砟軌道結構部件不能滿足使用要求時，須采取部件更換措施。隨著我國高速鐵路無砟軌道的大規(guī)模運營，亟需相配套的更換技術及裝備措施以保證無砟軌道結構安全服役。

目前，國內研究多集中在解決無砟軌道在建設過程中所遇到的關鍵技術難題，而對于無砟軌道結構修復的研究相對較少，對于運營期無砟軌道結構關鍵部件的更換技術則更少。國內外尚無成熟的無砟軌道結構部件更換技術，國外雖有提出部分部件更換的技術思路，但缺少現場實際應用。我國無砟軌道結構形式較多、服役環(huán)境差別較大，在運營過程中，不可避免會出現軌道結構部件需要更換的情況。因此，必須根據我國不同高速鐵路無砟軌道結構形式，開展關鍵部件更換技術及裝備研究，形成無砟軌道結構關鍵部件更換技術體系，這對完善我國高速鐵路無砟軌道技術體系是一個有益的補充。

1 結構部件傷損現狀

從已運營的高速鐵路來看，我國高速鐵路無砟軌道結構穩(wěn)定，總體服役狀態(tài)良好，僅個別部位出現傷損情況。通過對運營期及建設期板式無砟軌道及雙塊式無砟軌道傷損現場調研發(fā)現，典型傷損形式有：軌道板、道床、軌枕裂縫，充填層離縫，混凝土缺損，凸臺樹脂開裂、離縫，伸縮縫密封材料開裂、脫落等[2]。個別嚴重傷損已致軌道結構部件失效。

1.1 軌道板失效

軌道板為預制結構部件，從目前運營情況來看，軌道板狀態(tài)穩(wěn)定，服役狀況良好。從國內外建設和運營實踐來看，軌道板可能出現的失效形式主要包括：嚴重開裂、承軌臺破損、擋肩碎裂等。

1.2 砂漿層失效

砂漿層作為軌道板和底座板或支承層之間的調整層，是高速鐵路板式無砟軌道結構的重要組成部件，主要起到調整、支撐、承力和傳力的作用，并可為軌道提供適當的剛度和彈韌性，在承受列車沖擊時起到一定的減振作用。充填層的服役狀態(tài)好壞綜合反映為無砟軌道的平順性和舒適性，并直接影響軌道結構的耐久性。砂漿層相對軌道板和底座板或支承層強度較低，承受列車疲勞荷載和不同層狀結構之間的相互約束作用，露天服役的充填層承受溫度場、流體場等多場耦合的作用，屬于無砟軌道結構中的薄弱部位，容易出現傷損病害。砂漿層常見失效形式有：大面積缺損、開裂竄出等。

1.3 嵌縫材料失效

早期我國高速鐵路無砟軌道伸縮縫所用的嵌縫材料以瀝青類嵌縫材料為主，瀝青類嵌縫材料具有原料易得、成本低廉等優(yōu)點，但是也存在較多缺點，如施工工藝較復雜，需要加熱后才能使用；對溫度適應性較差，低溫脆性較大，高溫易流淌擠出；耐老化性較差，使用壽命較短等[3]。從實踐情況來看，多數瀝青類嵌縫材料在數年內即已失效，嵌縫材料的失效會導致無砟軌道結構接縫位置處防水功能喪失，水從接縫處進入無砟軌道結構內部，導致無砟軌道出現翻漿冒泥等病害，影響無砟軌道結構耐久性。嵌縫材料主要的失效形式表現為：嵌縫材料脫落、碎裂、流淌等。

2 無砟軌道結構部件快速更換工藝

結合近年來我國無砟軌道結構部件傷損案例，通過實驗室模擬工藝性試驗，線下試驗、線上試驗段試驗等多種手段掌握了無砟軌道結構部件更換工藝，并在應用中對工藝不斷優(yōu)化，使更換工藝快捷、高效，能夠滿足天窗時間對結構部件更換的需要。

基于不同無砟軌道形式的結構特點，以不影響行車為前提，提出高速鐵路無砟軌道結構關鍵部件更換工藝，包括：CRTSⅠ型板式無砟軌道軌道板、充填層砂漿更換工藝；CRTSⅡ型板式無砟軌道軌道板、充填層砂漿、寬接縫更換工藝；雙塊式無砟軌道結構雙塊式軌枕、道床板等更換工藝；擠塑板、伸縮縫、塑料套管、凸臺樹脂等更換工藝等。根據高速鐵路無砟軌道結構特點，以天窗時間內完成更換不影響行車為目標，無砟軌道結構關鍵部件更換工藝需滿足以下技術要求：

（1）安全可靠，保證結構穩(wěn)定性。部件更換后不能對原結構造成影響，應以恢復原結構狀態(tài)為目標，保證無砟軌道結構穩(wěn)定性。

（2）簡單快速，便于天窗內施工。高速鐵路無砟軌道天窗修的作業(yè)制度決定了所有更換施工必須在夜間有限的天窗時間內完成，并保證不影響次日列車運營，因此更換工藝必須簡單快速、便于施工。

（3）不影響行車。對于部分結構關鍵部件的更換在1個天窗時間內無法完成的，需要將整個更換工藝進行模塊化設計，有效利用天窗時間逐步推進，并保證每個天窗施工后，不影響次日行車。

（4）修復效果好，耐久性好。結構部件更換的最終目標是提高結構耐久性，恢復甚至提高結構的服役壽命，這就要求更換工藝實現修復的“內實外美”，長期耐久性好。

根據以上技術要求，研究提出了無砟軌道結構關鍵部件的快速更換工藝。板式無砟軌道結構充填層更換工藝見圖1。該工藝結合本課題所研發(fā)的快硬聚合物水泥砂漿材料，可在1個天窗時間內完成砂漿層的更換，同時不影響行車，施工時間安排見表1。現場實際應用表明，該工藝可以實現在1個天窗點時間內完成充填層砂漿的快速更換。

3 無砟軌道結構部件快速更換材料

運營期利用夜間4 h天窗時間進行結構部件更換面臨著難度大、時間緊的考驗。為不影響次日行車，必須在較短的天窗時間內完成修補過程，這就對更換材料提出了更大的挑戰(zhàn)。為滿足天窗時間內完成高速鐵路無砟軌道結構部件的快速更換，須研發(fā)出能夠滿足施工完成后即可行車的更換材料。從相容性、科學性、經濟性、安全性等方面考慮，無砟軌道結構部件快速更換材料需要滿足以下技術要求：

（1）性能與原結構相當。作為一種更換材料，其基本力學性能應與被替換部件的性能相當，方能實現更換后部件與原結構良好的相容性，以及與無砟軌道系統(tǒng)良好的匹配性。

圖1 砂漿層更換工藝流程

表1 施工時間安排

（2）可施工性好。夜間天窗作業(yè)時間短，所使用的結構部件更換材料須有良好的施工性能，以滿足快速施工的要求。

（3）固化速度快。對于部件更換材料，既要滿足施工時具有較好的工作性能，又要滿足施工完成后即可快速固化，具有良好的早期力學強度，滿足高速列車的通過要求。

（4）與基體黏結性好。為保證更換完成后結構的整體性，部件更換材料必須與原有基體具有良好的黏結性。

（5）耐久性好。高速鐵路是百年工程，更換完成后的結構部件的耐久性應滿足無砟軌道結構設計使用壽命的要求，具有良好的耐久性。

根據無砟軌道更換部件的功能定位及服役特性，結合天窗點維修的實際，研究提出結構部件更換材料的技術指標，并研發(fā)出滿足技術要求的部件更換材料[4]。本課題研發(fā)的CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層更換的材料性能與原設計水泥乳化瀝青砂漿性能對比見表2。工作性能方面，出機擴展度與CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿的技術要求保持一致；含氣量方面，考慮到含氣量過低不利于聚合物砂漿的工作性和耐久性，設定含氣量的下限值為6%；力學性能方面，考慮到CRTSⅡ型水泥乳化瀝青砂漿的最終強度在18 MPa以上，充分考慮到性能的匹配性，部件更換材料的28 d強度與被更換材料的最終強度相當；黏結性方面，考慮到CRTSⅡ型板式無砟軌道為縱聯結構，通過充填層將軌道板和底座板聯接為一個整體，充填層材料的黏結強度對軌道結構的整體性有重要影響，研發(fā)出的快速更換材料具有良好的黏結性，黏結強度大于1．5 MPa。

4 無砟軌道結構部件快速更換裝備

目前尚無專門針對無砟軌道結構部件更換的裝備，建設期所用的裝備一般為大型機械，成本高且搬運不便，適合于無砟軌道的大規(guī)模建設，很難直接用于運營線路無砟軌道結構部件天窗時間內的快速更換。對于無砟軌道結構部件更換，小型輕便高效的施工裝備是實現部件快速更換的關鍵。本課題根據無砟軌道結構部件更換工藝，結合無砟軌道結構特點及快速更換材料特性，研究提出無砟軌道結構部件更換的裝備與機具。針對乳化瀝青砂漿層灌注需要采用大型專用設備的現實，研發(fā)出可用于天窗時間內砂漿層更換的小型裝備，該裝備具有以下特點：

（1）小型化。集成了材料計量、混合、灌注等多種用途為一體，更換裝備宜具有質量輕、易移動的特點。

（2）機械化。裝備機械化程度高，有效提高作業(yè)效率，減輕勞動強度，減少施工人員數量。

（3）連續(xù)化。連續(xù)化生產既可以保證每批材料均一性，效率又高，為材料強度增長提供更多時間。

（4）智能化。材料自動計量，精確配比，壓力流量可控，盡可能減少個人因素對施工質量的影響，確保施工質量可控。

表2 CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層快速更換材料性能對比

5 無砟軌道結構部件快速更換工程案例

目前，本課題研究成果已在國內高速鐵路、城市軌道交通等領域軌道板、砂漿層、軌枕、嵌縫材料等結構部件更換工程中成功應用。從現場應用情況來看，提出的無砟軌道結構部件更換技術能滿足現場快速更換要求，應用效果良好。

以我國早期開通的無砟軌道試驗線路中砂漿充填層部件更換為例，介紹天窗時間內無砟軌道結構部件快速更換過程。

5.1 傷損情況

早期鋪設的無砟軌道試驗線，開通后客貨共線運營，隨著列車運營時間及運量的增長，個別無砟軌道充填層砂漿出現了碎裂、竄出等現象，不能滿足運營要求，需要利用天窗時間對充填層砂漿進行更換。

5.2 部件更換過程

（1）軌道板測量。同時在待修復部位相應軌道板的底座上，預埋扣押裝置的連接桿，為后續(xù)灌注聚合物水泥砂漿做好準備。

（2）松扣件。松開軌道板兩側鋼軌的扣件，以利于后期軌道板抬升。

（3）鑿除凸臺樹脂。在松開鋼軌扣件的同時，鑿除需要更換充填層的軌道板兩端的凸臺樹脂（見圖2）。

（4）抬高軌道板。安裝精調爪，在軌道板四角位置放置起道機，利用起道機將軌道板平穩(wěn)抬起一定高度，將方木放于板底進行支撐后撤出起道機（見圖3）。

（5）清除傷損充填層砂漿。采用電鎬等工具從軌道板兩側同時清除傷損失效的砂漿，清除完畢后用風機將板底清理干凈（見圖4）。

（6）安裝砂漿灌注袋。鋪設好新的砂漿灌注袋，鋪設過程中防止劃破灌注袋。

（7）軌道板就位、精調。通過起道機將軌道板平緩落下就位，通過調節(jié)精調爪，將軌道板置于目標高度位置，對軌道板進行精調，精調完成后設置壓緊裝置（見圖5）。

（8）快硬聚合物水泥砂漿攪拌灌注。采用專用砂漿攪拌灌注設備對聚合物水泥砂漿進行攪拌，攪拌出料后迅速進行工作性能檢測，檢測合格后即可開展砂漿灌注工作（見圖6）。

（9）灌注凸臺樹脂。快硬聚合物水泥砂漿灌注完成后，清掃凸形擋臺的灌注部位，保證灌注部位的干燥。在凸形擋臺周圍檢查并安放樹脂灌注袋，使灌注袋平整黏結在軌道板和凸臺上，安裝泡沫側擋和防護墊。按比例稱量所需的快速固化凸臺樹脂，充分攪拌（見圖7）混合均勻后，立即倒入灌注袋。灌注時要緩慢、連續(xù)注入，灌注高度與軌道板平齊。

圖2 凸臺樹脂鑿除

圖3 軌道板抬升

圖4 清除充填層砂漿

圖5 安裝壓緊裝置

圖6 聚合物水泥砂漿灌注

圖7 凸臺樹脂攪拌

（10）聚合物水泥砂漿硬化。灌注完成后，聚合物水泥砂漿硬化需要約50 min，在等待砂漿硬化過程中，安裝軌道板兩側松開的扣件。清理鑿除的失效砂漿塊，運送下道，大部分人員和機具撤場。

（11）拆除精調爪及壓緊裝置。注漿完成約50 min后，檢查聚合物水泥砂漿固化情況，如果已經固化，拆除目標軌道板精調爪及壓緊裝置。

（12）恢復軌道結構并精調。拆除精調爪后，由工務段對軌道結構進行復測，并精調軌道至滿足要求。

5.3 修復效果

通過現場實際應用，本課題研發(fā)的無砟軌道部件更換技術可以在天窗時間內完成充填層砂漿的快速更換，更換后的砂漿充填層服役狀態(tài)良好。

6 結論

（1）研究提出了適用于CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式無砟軌道及雙塊式無砟軌道等關鍵結構部件更換工藝，開發(fā)出適用于無砟軌道結構部件天窗時間更換的關鍵材料。

（2）研究提出了結構部件快速更換的關鍵裝備，具有小型化、智能化的特點，適用于天窗時間內結構部件的快速更換。

（3）無砟軌道結構部件成套更換技術成果已成功應用于高速鐵路無砟軌道結構部件更換工程，工程實踐表明應用效果良好。

[1] 趙國堂． 高速鐵路無砟軌道[M]． 北京：中國鐵道出版社，2006．

[2] 易忠來，李化建，溫浩，等． CRTSⅡ型板式無砟軌道充填層離縫修復技術研究[J]． 鐵道建筑，2015(1)：102-106．

[3] 易忠來，靳昊，李化建，等． 高速鐵路無砟軌道嵌縫材料技術要求研究[J]． 中國鐵路，2015(4)：45-49．

[4] Yi Zhonglai，Li Huanjian，Tan Yanbin，et al． Study on the preparation of polymer modified mortar and its application on the rapid repair of a ballastless track[C]// Belfast：Concrete Solution，2014．

易忠來：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，副研究員，北京，100081

李化建：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，副研究員，北京，100081

謝永江：中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所/高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，研究員，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

U214.3

A

1672-061X（2015）02-0057-05

國家自然科學基金資助項目（51308546）；鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目（2012G008-A）；中國鐵道科學研究院科技研究開發(fā)計劃項目（2011YJ81，2013YJ026）。

所獲獎項：2014年度中國鐵道科學研究院科學技術獎一等獎。