高速鐵路沉降無砟軌道結構注漿整體抬升修復關鍵技術

鄭新國，劉 競，李書明，謝永江，曾 志，楊德軍，翁智財，劉相會

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

高速鐵路沉降無砟軌道結構注漿整體抬升修復關鍵技術

鄭新國，劉 競，李書明，謝永江，曾 志，楊德軍，翁智財，劉相會

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

我國部分無砟軌道線路地基、路基的工后沉降量較大，超過扣件的可調整范圍，導致線路平順性無法修復，列車不得不限速行駛。針對這一難題，通過大量的室內縮尺試驗、現場實尺模擬對沉降無砟軌道結構注漿抬升用材料、裝備和工藝等進行了系統研究。首次在實尺模型的基礎上，結合破壞檢查試驗，對抬升實施效果進行了全面驗證，并結合工程實踐，形成了無砟軌道結構整體注漿抬升成套技術。該技術采用在級配碎石層注漿的方式，利用注漿壓力及注漿材料膨脹力實現軌道結構的平穩抬升，能在不影響線路正常運營的情況下，利用天窗時間對無砟軌道結構進行整體抬升，恢復沉降地段的線路平順性及扣件系統可調整量。與傳統水泥基注漿技術相比，本技術具有施工設備小型輕便、物流簡單、組織靈活、精度可控、次生病害少等顯著優點。本文從抬升原理、注漿材料、設備工裝、施工工藝、技術特點及其現場應用等方面對沉降無砟軌道結構整體注漿抬升關鍵技術進行了系統介紹，可為我國無砟軌道沉降病害修復與整治提供借鑒。

無砟軌道 路基 沉降 修復 注漿 抬升

1 概述

無砟軌道以其良好的整體性和穩定性在高速鐵路建設中備受青睞，是高速鐵路最為重要的軌道結構形式。目前，我國已開通運營及在建的無砟軌道線路總里程已突破1萬km。相比于有砟軌道，無砟軌道結構僅能在扣件允許的調整范圍內對軌道高程進行調整，這就大大限制了無砟軌道結構的平順性調整、恢復能力。在我國，由于地質條件復雜等多方面原因，部分高速鐵路在投入運營后，地基、路基產生了不可控的工后沉降，由此導致的線路不平順問題是高速鐵路運營過程中面臨的一大難題。目前局部地段沉降量已遠超出扣件允許調整量，只能采取限速的方式通過，嚴重影響了高速鐵路的正常運營［1-3］。

為實現在天窗時間內有效解決超量沉降地段的無砟軌道結構不平順性問題，中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所通過大量的室內試驗及現場實尺模擬試驗，對沉降區無砟軌道結構注漿抬升用材料、裝備和工藝等進行了系統研究，并結合工程實踐，形成了無砟軌道結構整體注漿抬升成套技術。該技術能在不影響線路正常運營的情況下，利用天窗時間對無砟軌道結構進行整體注漿抬升，從而恢復沉降地段的線路平順性及扣件系統可調整量。該技術已分別在包西線冒天山隧道病害綜合整治工程和大西客專永濟北站無砟軌道沉降修復工程中進行了成功應用。

本文從抬升原理、注漿材料、設備工裝、施工工藝及其技術特點等方面對無砟軌道結構整體注漿抬升技術進行了系統介紹，以期為我國高速鐵路無砟軌道沉降病害的修復整治提供借鑒。

2 抬升原理

對無砟軌道結構進行整體注漿抬升時，注漿材料通過專用注漿設備，在一定的注漿壓力下，經注漿管注入到無砟軌道結構的級配碎石基床表層中，如圖1所示。通過注漿材料與注漿壓力形成的液壓傳動效應及注漿材料的膨脹力實現對軌道結構的抬升。其具體抬升過程可分為兩個階段，即填充擠密階段和抬升填充階段。

圖1 注漿整體抬升(單孔注漿)原理示意

在填充擠密階段，注漿材料從注漿管口流出后，在一定范圍內對既有空隙，如支承層與級配碎石間空隙或級配碎石內部空隙，進行填充、擠密，此時，軌道結構不被抬升。

在抬升填充階段，注入的漿體與注漿壓力形成液壓傳動效應，同時，注入漿體在固化形成結構體的過程中發生體積膨脹形成一定的膨脹力，在兩者的共同作用下，軌道結構得以持續、平穩地抬升。

3 注漿材料

采用的注漿材料是一種雙組分化學注漿材料，其經過機械混合后，迅速發生凝膠化學反應，在較短時間內形成固結硬化體，并可根據需要調整體積膨脹量。相比其他注漿材料而言，該材料具有以下特點［4-7］:

1)施工環境適應性強

注漿材料是一種非水反應類材料，當環境溫度＞5℃時，其在空氣、水中均能很好進行固化反應，具有較強的施工環境適應性。

2)滲透擴散能力強，填充性好

在適當的注漿工藝下，其擴散直徑可達5 m以上，且自由膨脹比可達20∶1，填充能力強。同時，上部結構的反壓作用對填充范圍的下部結構體具有擠密、壓實效果。

3)充盈范圍可控制

注漿材料混合后，在較短時間內發生液態向塑態、固態的轉變。因此，通過控制相轉變時間，可實現充填范圍靈活調整，不需要設立帷幕來防止漿體外溢。

4)密度小、重量輕，不增加結構荷載

注漿材料形成的結構體密度一般在100～300 kg/m3，遠小于水的密度，基本不增加結構荷載。

5)凝結硬化快、強度發展快

注漿材料15 min可達到設計強度的90%以上，完全滿足行車所需的強度要求，因此，在軌道結構抬升后可及時恢復運營。

6)體積穩定性好

注漿材料結構體形成后，基本不產生體積收縮，且在達到其破壞荷載的80%前呈完全彈性體性質，在疲勞荷載作用下，基本不產生殘余變形。

7)耐久性好

高聚物注漿材料結構體具有較強的防水、抗凍、耐化學腐蝕性能，具有較好的耐久性。

4 注漿設備

注漿設備主要由注漿機、發電機、空壓機、注漿管等小型設備組裝而成，如圖2所示，總重量不足600 kg。該設備具有經濟、高效、可靠、實用、操作簡單、故障率低的特點，能滿足天窗時間快速、安全施工的需要。

5 無砟軌道結構整體注漿抬升工藝施工流程

(圖3)

1)施工準備。①應結合施工量準備充足的原材料，并對原材料進行檢驗，確保原材料的質量;由于原材料為高分子化學材料，在儲存時需要密封并且避免陽光直射。②主要施工設備及材料應運至指定地點。③對所有人員的分工進行再次確認，明確職責。④測量人員在需要修復的地段選取高程觀測基準點，并完成待修復線路左右股軌面的高程數據采集工作。⑤應制定注漿抬升施工過程中各種記錄表格，做好全過程的數據記錄準備工作。

2)注漿孔位置標定。應根據無砟軌道結構鋼筋布置圖，確定鋼筋的位置，再進行注漿孔布置。注漿孔布置時應盡量避開鋼筋，軌道、扣件、承軌臺、應答器、軌道電路等設施所在位置盡量不布注漿孔。

3)鉆孔。采用電鉆進行鉆孔，鉆頭直徑不宜大于30 mm，鉆孔后采用特制的木塞對孔進行臨時封堵，防止雨水進入軌道結構。

4)安裝注漿管。將注漿管塞入相應的注漿孔中，并擰緊，以備注漿使用。

5)注漿抬升與監控作業。待注漿設備工作正常、注漿材料性能穩定后，按設定的注漿順序、注漿節奏進行注漿抬升施工。注漿過程中，采用電子水準儀對左右軌道高程變化情況進行實時監測，采用全站儀對線路中線偏移情況進行實時監測，直至抬升高度達到目標抬升量后停止注漿。

6)拆除注漿管。在注漿完成后，應用專用的拔管設備將注漿管從注漿孔中拔出。

7)注漿孔封堵。當軌道結構抬升到設計高程后，采用高強度無收縮灌漿料及時封堵注漿孔。

圖3 無砟軌道結構整體注漿抬升流程

6 技術優勢

與傳統水泥基注漿技術相比［8-9］，本文所介紹的技術具有施工設備小型輕便、物流簡單、組織靈活、精度可控、次生病害少等優點。同時，對路基不產生破壞，且基本不增加附加荷載，規避了由于附加荷載導致的路基進一步變形的風險，可實現天窗時間內對沉降無砟軌道結構的快速修復，如表1所示。

表1 本文技術與水泥基材料注漿技術優缺點對比

7 工程應用

該技術分別在包西線冒天山隧道病害綜合整治工程和大西客專永濟北站無砟軌道沉降修復工程中進行了成功應用。

1)包西線冒天山隧道病害綜合整治工程

圖4 道床板間的錯臺現象

包西線(下行)冒天山隧道位于陜西省延安市子長縣境內，全長14.945 km，起止里程為DK435+ 122.10—DK450+067。隧道內軌道結構為雙塊式無砟軌道結構，從上至下依次由鋼軌、扣件、道床板、找平層、仰拱填充層、仰拱等構成。其中，道床板寬2.8 m、厚300 mm，為C40現澆鋼筋混凝土結構，道床板每6.25 m設置一道橫向貫穿伸縮縫，寬20 mm。包西線2010年開通運營后，該隧道由于地基水患問題導致其60 m長無砟軌道有3塊道床板出現不均勻沉降，最大沉降量為50 mm，相鄰道床板高程差最大近30 mm(圖4)，嚴重影響了行車安全。為了恢復線路的平順性，工務部門采用了增加扣件系統墊板厚度的方法對軌道線路進行調整(圖5)。由于采用此種方法調高軌道后軌道穩定性變差，在運營期間對列車限速80 km/h。

圖5 加厚的特殊墊板

2013年11月，采用整體注漿抬升技術對冒天山隧道內道床板沉降病害進行了整治(圖6)。在注漿抬升過程中，通過合理設置注漿孔位置及調整材料性能，最終將沉降道床板抬升至設計高程，且保證相鄰道床板齊平，恢復了WJ-7型彈性分開式扣件的標準墊板厚度。整治后，該區段列車行駛速度恢復至設計行車速度，達到了預期的修復效果，同時隧道水患問題也在一定程度上得到了解決。現場鉆芯取樣檢查(圖7)表明，注漿材料在無砟軌道結構縫隙中填充飽滿，注漿材料結構致密、強度較高。

圖6 冒天山隧道內無砟軌道注漿抬升修復現場

圖7 現場鉆芯取樣檢查

2)大西客專永濟北站無砟軌道沉降修復工程

大西客運專線永濟北站位于山西省運城市境內，站內線路設計為4股道。1，2股道為正線，3，4股道為到發線。各線軌道均為CRTSⅡ型雙塊式無砟軌道結構。線路建成后，由于路基的不均勻沉降，永濟北站1～4線軌道在80 m長范圍內均出現較大的不平順性問題，線路局部最大沉降量超過50 mm。

2014年3月至4月，采用無砟軌道結構整體注漿抬升技術對永濟北站沉降的無砟軌道進行修復(圖8)。修復后，線路平順性得到明顯改善。圖9為各線路注漿抬升前后高程對比。在隨后進行的聯調聯試測試過程中，該線路區段軌道結構的各項動力響應均無異常。

圖8 大西客專永濟北站無砟軌道注漿抬升

圖9 永濟北站各線路注漿抬升前后高程對比

8 結語

本文所介紹的無砟軌道整體注漿抬升技術具有修復速度快、效果好、施工相對簡單，適用于天窗點施工，對既有線路結構基本不造成破壞等特點，是目前在不影響軌道結構受力及行車安全的情況下，對沉降區無砟軌道修復整治的一種快速簡易、切實有效的方法，在已開通運營的既有線無砟軌道沉降修復領域應用前景廣闊。

采用本技術進行無砟軌道整體注漿抬升時，除了施工過程的精細操作、嚴格監控、精心把控外，應根據不同的無砟軌道型式(CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式無砟軌道，雙塊式無砟軌道，道岔區無砟軌道等)，采用與之匹配的注漿材料及其工藝參數，以保證修復整治效果。

［1］張家海.CRTSⅠ型板式無砟軌道抬升修復技術研究［J］.上海鐵道科技，2013(4):71-73.

［2］易小明，張頂立，逄鐵錚，等.房屋注漿抬升實踐與監測分析［J］.巖土力學，2009(12):3776-3782.

［3］王濤，王鑫，吳紹利，等.我國板式無砟軌道的維修與部件更換研究［J］.鐵道建筑，2014(11):157-160.

［4］石明生.高聚物注漿材料特性與堤壩定向劈裂注漿機理研究［D］.大連:大連理工大學，2011.

［5］邊學成，程翀，王復明，等.高速鐵路路基沉降高聚物注漿修復后動力性能及長期耐久性的試驗研究［J］.巖土工程學報，2014，36(3):562-568.

［6］張寶文.高速鐵路軟黏土地基壓密注漿及劈裂注漿試驗研究［D］.成都:西南交通大學，2013.

［7］蘇進巖.雙液注漿抬升技術在建筑結構糾傾處理中的應用［J］.城市建設理論研究，2013(23):1-6.

［8］牛草灃.無砟軌道道岔沉降區注膠抬升處理技術［J］.建材與裝飾，2013(40):158-160.

［9］唐智偉.注漿抬升機理與抬升效果預測方法研究［D］.北京:北京交通大學，2006.

Key technologies of remedying settlement of high speed railway ballastless track by lifting whole structure and jet-grouting under it

ZHENG Xinguo，LIU Jing，LI Shuming，XIE Yongjiang，ZENG Zhi，YANG Dejun，WENG Zhicai，LIU Xianghui
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Subgrade settlement is found to be the major defect for some ballastless lines in China，as fastening adjustment can no longer ensure the smoothness of the line，which leads to the speed-limit operation of the train. Under such background，Out indoor scaled test and in-situ full-scale modeling were carried to study the material，equipment and technique applied in the grouting of ballastless track.This ground-breaking study builds full-sized model to simulate the situation and conducts destructive test，so as to examine the lifting effect of the grouting procedure.Thanks to such effort and the best practice accumulated in previous projects，the workflow for overall grouting of ballastless track is proposed，where the grouting method for graded crushed-stone layer is applied.The approach is able to lift the track structure smoothly to its previous level，as it takes use of the grouting pressure occurred and the swelling force of the grouting material，and any minor irregularity can be mended in fastening adjustment.It needs to be noted that the reparation can be carried out within the possessive interval for construction，in other words it does not disrupt the operation plan.Compared with the traditional cement-subgrade grouting technique，the new approach promises straight-forward workflow and limited secondary defects，in the mean time，it stands out in its flexibility in scheme arrangement，precision in quality control，lightness and size of the equipment applied.The paper gives a systematic overview on the key technology in the grouting of ballastless track settlement，as it covers the lifting principles，grouting material，equipment and tools，engineering technique，technical features and the best practice arrived from in-situ application.It in tends to contribute its due part to the reparation and treatment of balastless track settlement.

Ballastless track;Subgrade;Settlement;Reparation;Grouting;Lifting

U238;U213.2+44;U216.42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.21

1003-1995(2015)01-0093-05

(責任審編 李付軍)

2014-09-16;

2014-10-25

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2013G008-D);中國鐵道科學研究院基金項目(2011YJ84，2011YJ86);上海鐵路局科研項目(HHKZ2013-01)

鄭新國(1974—)，男，湖北天門人，副研究員，碩士。