快速修復CRTSⅠ型板式軌道沉降的抬板疊灌法

王　濤，李海燕，邵丕彥，吳韶亮，劉子科，楊榮山

(1.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京　100081；2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都　610031)

CRTSⅠ型板式無砟軌道是我國高速鐵路建設的主型結構之一，具有結構簡單、傳力機理明確、施工快捷等特點，在國內外均有較多的應用[1-2]。從已開通運營的高鐵線路現場調研看，我國無砟軌道總體使用情況良好，但在列車荷載和自然環境因素的長期作用下，當前已有路基地段出現道床沉降病害，存在安全隱患，需進行整治修復[3-4]。

目前整治CRTSⅠ型板式無砟軌道沉降超限[5-7]的方法有路基注漿抬升法、板下袋裝灌注快硬水泥砂漿法和板下樹脂填充法等，這些方法雖然在理論上能滿足現行維修規程的要求，但各存在以下不足：注漿需打孔且注入材料不能取出；快硬水泥砂漿的強度與彈性模量遠高于原CA砂漿，兩者的力學性能難以匹配；板下樹脂填充法雖然在急需整治的地段有工程應用，但所用樹脂材料的價格高、施工環境要求嚴格、四周封閉工序耗時長、存放還需做好防火措施等。

根據CRTSⅠ型板式無砟軌道的單元結構特點，本文提出快速修復板式軌道沉降的抬板疊灌法，即抬升軌道板至目標高度，在原砂漿層上鋪設灌注袋，再灌注特種快硬CA砂漿[8]，從而實現CRTSⅠ型板式無砟軌道的沉降病害快速修復。該快硬CA砂漿的彈性模量、抗壓強度等力學性能不但與原有砂漿匹配，且相對省時、省人力，可大幅節省沉降維修成本，其關鍵難點在于快硬CA砂漿的制備和薄層快速疊灌技術。本文采用現場試驗與仿真分析結合的方法，研究快硬CA砂漿的性能、灌注工藝以及抬板疊灌法的可靠性。

1　快硬CA砂漿的制備

相比其他充填層材料，CRTSⅠ型板式無砟軌道充填層原有CA砂漿的彈性模量較低，具有一定減振性能，這主要是因為該砂漿的配合比中乳化瀝青的用量占比較大。為確保快硬CA砂漿的彈性模量與原有充填層CA砂漿的匹配，仍保持原有CA砂漿的配合比不變，選用特制的專用乳化瀝青和特種干料進行快硬CA砂漿的制備。快硬CA砂漿各種材料的單位體積用量見表1。其中，特制的專用乳化瀝青為陽離子型，固含量60%；特種干料的硬化速度較快，能與專用乳化瀝青制備出2 h抗壓強度達0.2 MPa以上的快硬CA砂漿；促硬劑為實驗室自制；消泡劑為有機硅類；引氣劑為松香類。

表1　快硬CA砂漿單位體積用量　kg·m-3

疊灌用快硬CA砂漿采用南方路機砂漿攪拌車制備，攪拌工藝為:先加水、乳化瀝青、消泡劑，以30 r·min-1的轉速攪拌60 s；再加干料，以80 r·min-1的轉速攪拌60 s；最后加引氣劑， 以120 r·min-1的高轉速攪拌120 s，再以30 r·min-1的轉速攪拌30 s，砂漿制備完成。

2　疊灌工藝

以尺寸最大的P4962型軌道板為例闡明疊灌工藝。假定路基沉降后，P4962型軌道板的抬高量目標值為10 mm(文獻[9]表明不需要加高凸臺)。先將軌道板抬高約20 mm，塞入灌注袋并鋪好，再將軌道板落下10 mm，通過精調控制軌道板底部與原砂漿層間的空腔厚度為10 mm，完成鋪袋。

將砂漿車中的快硬CA砂漿拌和物送入泵送設備的料斗中，通過砂漿泵和管道運送拌和物，泵管的出口直接與灌注袋口相連，進行灌注。

3　快硬CA砂漿性能與灌注質量現場試驗研究

由于快硬CA砂漿的凝結硬化速度快，短期水化放熱量大，因此泵送時由于與管道的摩擦，理論上會使砂漿升溫，可能影響其性能。分別在泵送設備料斗中和泵管出口處取樣(同一鍋砂漿)，測試快硬CA砂漿拌和物的性能(流動度、含氣量、密度、溫度等)；成型試樣在同條件養護后，測試快硬CA砂漿的分離度、膨脹率、2 h抗壓強度等指標。疊灌結束2 h后，沿無砟軌道板的四周查看疊灌的快硬CA砂漿的硬化狀態及飽滿程度，并通過揭板檢查快硬CA砂漿的表面和斷面情況，評價疊灌的效果。

3.1　快硬CA砂漿的性能

在環境溫度為30 ℃的條件下未泵送和經水平泵送80 m的快硬CA砂漿拌和物及硬化后的性能及現行技術條件[10]分別見表2和表3。

從表2和表3可以看出，泵送前后快硬CA砂漿拌和物的性能和硬化后性能均符合現行技術條件的要求。

表2表明，經80 m水平距離泵送后，新拌快硬CA砂漿的性能未受影響，其流動度、含氣量、密度、溫度和泌水率5項指標基本穩定。快硬CA砂漿出攪拌機的溫度比環境溫度高2.5 ℃，原因在于快硬CA砂漿的初始水化放熱快而導致其溫度上升，而當緩凝組分發揮作用后，大幅減緩了水化速度，抑制了放熱與溫升；快硬CA砂漿泵送后，相比出機溫度反而略有降低，原因可能在于泵送前管道的溫度基本與環境一致，低于砂漿的出機溫度，經過泵送，兩者熱量交換，使砂漿溫度略降低，這也說明在短時間內泵送少量的快硬CA砂漿時，可忽略管壁摩擦對砂漿升溫的影響，但另一方面，若管道長時間連續泵送快硬CA砂漿，其與管壁的摩擦升溫可能會加速快硬砂漿的水化，從而降低其可泵性。

表2未泵送和經水平泵送80m的快硬CA砂漿拌和物性能及現行技術條件

工況流動度/s含氣量/%密度/(kg·m-3)溫度/℃泌水率/%未泵送1968616103250經水平泵送80m2048616103220技術條件要求18～268～12>13005～400

表3未泵送和經水平泵送80m的快硬CA砂漿硬化后性能及現行技術條件

工況分離度/%膨脹率/%抗壓強度/MPa未泵送041802(2h)經水平泵送80m041802(2h)技術條件要求<1010～30>01(1d)

表3表明，泵送前后快硬CA砂漿的分離度、膨脹率和抗壓強度3項指標均相同，且2 h抗壓強度均達到0.2 MPa，按相關維修標準要求，有可能在4 h天窗時間內完成抬板疊灌修復軌道沉降的作業。

3.2　快硬CA砂漿的疊灌質量

按現行的灌注漏斗法施工工藝，將快硬CA砂漿泵送至灌注漏斗中，打開閥門開始灌注，砂漿灌注緩慢，經10 min只填充P4962型軌道板下面積約1/3，而此時漏斗中砂漿已裝滿(液位高差約1.3 m)，且灌注漏斗中的砂漿流動性良好，但就是不能繼續灌入袋中，原因在于板腔變薄后，漏斗中的砂漿液面水頭壓力不夠，因而，疊灌10 mm厚的板腔時不宜采用漏斗自流灌注，應增加砂漿壓力進行薄層疊灌。

將泵管出口直接與灌注袋口連接，借助砂漿泵增加快硬CA砂漿的充填動力，直接泵送CA砂漿到灌注袋中，僅用約1 min即可灌注完軌道板下10 mm厚的薄層空腔，疊灌情況如圖1所示，經檢查，疊灌砂漿四周飽滿。揭板效果如圖2所示。

圖1　疊灌施工情況

圖2　疊灌砂漿斷面

砂漿揭板表面平整、無起皮，顏色均勻、無沉砂，斷面厚度約10 mm，揭板質量良好。

通過直接泵送入袋的方式，快硬CA砂漿可填充厚度為10 mm的薄層疊灌板腔，且灌注速度快，能保證出漿口與四角飽滿，機械化程度高，節省人力和物力。

泵送疊灌工藝施工簡便快捷、充填飽滿、揭板效果好、且適應于厚度小的薄層板腔灌注，可用于CRTSⅠ型軌道結構沉降超限時的快速整治修復。相比有機樹脂材料，快硬CA砂漿主要用特種水泥和乳化瀝青制成，可大幅降低原材料成本，且配比與原墊層的CA砂漿相同，力學性能也與原墊層砂漿的CA相匹配。

4　快硬CA砂漿使用性能研究

為了驗證疊灌法快速修復板式軌道2 h后可滿足通車要求，且相對薄弱的快硬CA砂漿不會開裂破損，運用ANSYS軟件建模分析。

考慮疊灌方式的“雙充填層”結構，采用彈性地基梁體模型理論建立CRTSⅠ梁體模型，軌道板、底座板、砂漿用實體單元模擬，鋼軌、扣件、軌道板等軌道結構部件間通過彈性元件連接，鋼軌等效為無限長支點梁、扣件等效成彈性元件，利用ANSYS有限元分析軟件建立3塊軌道板長度的CRTSⅠ型板式無砟軌道實體模型, 如圖3所示。分析疊灌快修砂漿2 h硬化后，列車荷載和溫度梯度對疊灌砂漿層的影響。考慮軌道板、快硬CA砂漿層與原CA砂漿層之間的滑移和摩擦，摩擦系數取0.3，疊灌快硬CA砂漿彈性模量取200 MPa，原CA砂漿彈性模量取300 MPa；計算時列車的垂向荷載取常用輪載150 kN，按單軸雙輪逐次加載，加載位置位于扣件上方。

圖3　CRTSⅠ型板式軌道實體模型

4.1　列車垂向荷載的單獨作用

在列車垂向荷載的單獨作用下，10 mm厚疊灌快硬CA砂漿層的最大垂向壓應力、剪切應力、橫向拉應力以及縱向和橫向位移如圖4—圖7所示。

圖4　砂漿層最大垂向壓應力

圖5　砂漿層最大剪切應力

圖6　砂漿層最大縱向和橫向位移

圖7　砂漿層最大縱向和橫向拉應力

由圖4和圖5可知，荷載傳遞到快硬砂漿層和原有砂漿層時，兩層的受力均勻，快硬砂漿層受到的最大垂向壓應力為130.22～130.82 kPa，原砂漿層受到的最大垂向壓應力為123.54～124.26 kPa，快硬砂漿層和原砂漿層的最大剪切應力僅為5～15 kPa，均較低。由圖6可知，在列車垂向荷載作用下，砂漿層的最大縱向和橫向位移僅為4.3～7.4 μm。由圖7可知，在列車垂向荷載作用下，砂漿層的縱向和橫向最大拉應力為0.8～2.6 kPa，板中砂漿層下表面受彎產生的拉應力最大，但遠低于快硬砂漿2 h強度0.2 MPa，疊灌快硬砂漿層不會開裂破損。

4.2　砂漿層厚度對軌道的受力影響

根據文獻[4]中的調查結果顯示，道床沉降超過26 mm的較多，也有超過50 mm的情況。考慮極端沉降，分別取疊灌快硬砂漿厚度為30，50，80和100 mm，在列車垂向荷載作用下，疊灌快硬砂漿層厚度對其受力影響如圖8所示，計算時垂向荷載采用靜輪載的設計荷載值300 kN。

由圖8可見，當快硬砂漿層厚度由30 mm增加到100 mm時，隨快硬砂漿層厚度的增加，快硬砂漿自身所受的垂向壓應力隨荷載位置的改變而發生較大幅度的變化，最大的壓應力最大值為344 kPa，最小的壓應力最大值為287 kPa，變化幅度為19.86%，且最大、最小值的位置也隨之變化。由此可見，隨快硬砂漿厚度的增加，軌道板和快硬砂漿層各處受力的差異增大，這不利于其受力的均勻分配，在疲勞荷載的作用下易于發生局部破壞。靜力計算表明，快硬砂漿層厚度越小，對軌道受力越有利。

圖8　快硬砂漿層不同厚度時其最大垂向壓應力

4.3　正溫度梯度和列車垂向荷載作用

假設中間軌道板進行了快硬砂漿疊灌修復，相鄰2軌道板未進行疊灌修復，分別取疊灌快修砂漿彈性模量為150和200 MPa，原砂漿彈性模量為300 MPa，施加溫度荷載為45 ℃·m-1的正溫度梯度和150 kN的常用輪載。正溫度梯度與列車荷載共同作用下，10 mm厚疊灌快硬CA砂漿層的最大垂向壓應力和剪切應力如圖9和圖10所示。

圖9　溫度及列車荷載作用下砂漿層的最大垂向壓應力

由圖9可知，砂漿層的垂向壓應力隨砂漿層彈性模量的增大而增大，在列車垂向荷載和正溫度梯度共同作用下快硬砂漿層的垂向壓應力最大為133 kPa，原CA砂漿層的垂向壓應力最大為168 kPa，因而，溫度梯度對砂漿層垂向壓應力的影響較大，且砂漿層的最大垂向壓應力出現在板角處。

由圖10可知，在溫度梯度、列車垂向荷載的作用下，快硬砂漿層的最大剪切應力遠小于其粘結強度。

圖10　溫度及列車荷載作用下砂漿層最大剪切應力

另外，在列車荷載橫向力的作用下，荷載傳遞到快硬砂漿層和原砂漿層時，絕大部分已經被軌道板和凸臺抵消，砂漿層受力很小，2層砂漿受力均勻，列車的荷載橫向力對砂漿層的剪切應力作用也十分有限。在制動力的作用下，當列車荷載作用于板端時，凸臺周圍軌道板的局部拉、壓應力大于軌

道板的其余部分，計算結果表明，制動力對軌道穩定性的影響可忽略不計。

5　結　論

(1) 快硬CA砂漿的配比以及彈性模量、抗壓強度等力學性能與原有砂漿一致和匹配，2 h的抗壓強度達0.2 MPa，泵送前后性能無明顯變化，質量穩定，相比有機樹脂維修材料，可大幅降低原材料成本。

(2) 厚度10 mm的薄層板腔，僅依靠砂漿自重流入不能疊灌飽滿，而采用泵送直接疊灌方式可在1 min內快速充填飽滿。揭板檢查砂漿表面無起皮，斷面均勻，質量良好，泵送疊灌方式可大幅節省抬板維修時間。

(3) 溫度梯度影響砂漿層的垂向壓應力，而疊灌快硬砂漿使整個砂漿層的彈性模量降低，其受到的垂向壓應力減小，有利于砂漿層承受較高的溫度梯度，減輕由溫度梯度造成的砂漿傷損。

(4) 直接在原砂漿層上疊灌的快硬CA砂漿時，軌道結構的受力和位移均能夠達到正常投入使用的標準，快硬砂漿層的受力遠小于其極限強度，抬板疊灌快硬CA砂漿方法可用于板式軌道路基沉降的整治修復。

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