聚氨酯固化道床發展與應用

晉晶晶

（蒙冀鐵路有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010010）

1 無砟與有砟軌道性能的對比

1.1 無砟軌道

無砟軌道的優點是維修工作量小、穩定性好，保持軌道高平順能力強，軌道高度低，二期恒載小，外觀好，不存在有砟軌道的飛砟現象。

無砟軌道存在的問題是初期投資大，建設成本是有砟軌道的1.5～2.0 倍以上。可維修性差，特別是線下工程出現變形時難以恢復原有的高平順性。噪聲比有砟軌道高約5 dB。軌道幾何尺寸一旦設定后，后期無法做大的調整。

1.2 有砟軌道

有砟軌道的優點是建設費用低、振動噪聲低、建設周期短、可修復性好以及軌道幾何尺寸調整空間大。

有砟軌道存在的問題有3 個方面。1）維修工作量大，傳統鐵路道床維修量占線路維修量的70%以上，高速鐵路線路維修量是傳統鐵路的2 倍，每年須進行至少一次大機養護作業。2）有砟軌道的穩定性差，尤其是在橋梁地段，由于與橋梁共振引起的道床失穩增大了日常的維修頻率。3）道砟飛濺，引發車輛和鋼軌傷損以及其他運輸安全問題。

隧道內有砟軌道養護維修難度大，具體有3 個維修難點。1）煤粉、制動地段的撒沙等污染引起道床板結。某些鐵路道床污染速率快（3 個月左右），寬枕線路運營3 個月，煤粉會將扣件全部覆蓋，以隧道進出口地段污染最為嚴重。煤粉等污染物落在枕木盒中，造成道床板結嚴重，道床彈性不足，鋼軌波磨較嚴重。2）隧道滲漏水等病害引起道床翻漿冒泥，軌道幾何尺寸變化大。3）隧道斷面小，無法進行大機清篩作業，養護維修困難。在養護維修作業中，靠人工將沉積在道床內的石砟、煤面及粉塵等清理出隧道，工作量大，勞動條件惡劣，由于養護維修人員不能及時離開隧道，維修天窗時間結束后，列車通過時的煤屑對躲避在避車洞內養修人員的安全和身體健康都不利。

2 道床固化技術

無砟軌道和有砟軌道技術性能的缺點，促進了道床固化技術的研究與發展。道床固化主要分為道砟黏結和聚氨酯固化道床2 類。

道砟黏結技術是在道砟的表面和接觸點上采用道砟膠材料進行粘結，道砟膠不進入道砟的空隙中，它能夠提高道床表面的整體性，防止道砟飛濺，提高道床承載力，減少道床下沉變形，提高道床縱橫向阻力，增強道床穩定性。但道床剛度會增大，粉塵污染未能解決。

聚氨酯固化道床是一種新型的固化道床，其是將異氰酸酯與聚醚或聚醚多元酯等形成的混合料通過一定的壓力注入新鋪好的碎石道床內，通過原料的化學反應形成具有良好彈性及力學性能的聚氨酯泡沫，填充道砟間的空隙并將道砟固結為一個整體，如圖1 所示。在列車沖擊、振動荷載作用下，不會再出現道砟顆粒之間的相對錯動及由此而引起的道床殘余變形，又因碎石顆粒之間的空隙被處于壓縮狀態的膨化聚氨酯填充，起到部分傳力的作用，減少了碎石顆粒接觸點上的應力，延緩了道砟顆粒的破碎和粉化，從而減少了道床的累積變形。聚氨酯固化道床既有混凝土道床的整體穩定性，又有散粒體碎石道床的良好彈性和可維修性[1]。

圖1 聚氨酯固化道床斷面

道床表面黏結的目的不是為了提高道床的力學性能，其研發的初衷主要是為了防止高速列車通過時道砟的浮起飛散，結構黏結的目的是提高軌道的穩定性。其應用范圍比較廣，包括路橋、路隧以及道岔前后的過渡段，用于改善剛度過度，在小半徑曲線上防止橫向位移，在膠結絕緣接頭下改善其穩定性和耐久性。聚氨酯材料注入新鋪穩定碎石道床內，聚氨酯材料膨脹后充填道砟間空隙，同時牢固黏結道砟，形成彈性整體道床結構，具備良好的穩定性、良好的彈性、減震降噪性能和可維修性，累計變形小。固化道床施工完成后。軌面高程變化可控制在2 mm 以內，10 m 弦的高度在澆注前后沒有明顯變化。軌枕支承剛度較澆注前增大，滿足高速鐵路的設計要求，其均勻性達到無砟軌道結構水平[2]。

3 聚氨酯固化道床設計原則

在設計聚氨酯固化道床結構時，既要充分考慮其功能性，還要兼顧經濟性，因此，可以根據以下3 個原則設計聚氨酯固化道床的結構及形式尺寸。1）滿足道床強度、穩定性、耐久性等基本性能要求。2）便于道床自身的排水、施工及養護維修。3）有利于減少聚氨酯固化材料用量，從而降低工程造價。

4 施工工藝

聚氨酯固化道床技術可分為現場澆注施工和工廠預制2種，目前我國主要以現場澆注施工技術為主。澆注于道床頂面的聚氨酯混合液體順著道砟顆粒之間的空隙滲入道床深處，在道床部孔隙中發泡、膨脹黏結固化散粒體道砟，使其形成局部彈性整體道床。施工流程為：施工前準備→鋪設排水墊→鋪底層道砟，鋪架→分層補砟，起、搗、穩→形成設計標準道床斷面→有砟軌道驗收→澆注施工準備→道床烘干和冷卻→聚氨酯澆注作業→驗收→恢復設計道床斷面。

5 施工技術質量控制要點

根據聚氨酯固化道床澆注前軌道施工流程，施工過程中的質量控制點有以下5 個方面。

5.1 軌面標高控制

提前測量放線預鋪道砟的中線及高程控制線，根據橋面（隧道底）高程復測情況，結合計劃預鋪道砟厚度，準確計算道砟預鋪方量，避免預鋪砟面高程超限或者不足。尤其是不能使預鋪道砟高程超限，以免后期進行上砟整道作業時出現落道情況。

5.2 道砟質量控制

施工中一定要采用合格的特級材質、一級級配水洗道砟，對道砟質量和清潔度的驗收一定要按照標準嚴格執行。

5.3 底層清理控制

鋪設排水網墊和底層道砟前，對橋梁（隧道底）表面雜物徹底清除后方可開始鋪設。

5.4 道砟清潔度控制

從道砟水洗完成出場到施工現場，再到道床澆注前時間段內，必須保證道砟清潔度，運輸過程中車輛要采用篷布遮蓋，儲存過程中須先將儲存場地進行地面硬化（地面須清洗干凈），暫不使用的道砟采用篷布遮蓋。

5.5 施工前驗收

聚氨酯澆注施工前，應對道床狀態參數、軌道靜態幾何尺寸進行驗收。

6 聚氨酯固化道床應急拆除預案和養護維修方案

6.1 應急拆除預案

聚氨酯固化道床如須拆除，要先分離軌枕，然后將固化道床挖出，運至回收站后，在專用設備內進行破碎、焚化處理，燃燒排放的氣體可進行清潔化處理，無污染，處理后的灰渣不會對水源和土壤產生危害。

6.2 養護維修方案

修補材料選用高性能聚氨酯彈性體，材料2 h 抗壓強度大于40 MPa，黏結強度大于3 MPa，修補后的固化道床與混凝土軌枕和原固化道床黏結緊密，在維修天窗時間點內完成修補工作，不影響運輸行車。

7 聚氨酯固化道床技術應用前景

重載鐵路多以有砟軌道形式為主，由于車輛總重的增加以及石砟粉化的原因，使道床受到嚴重的污染，進而降低了道床彈性，線路的排水性能也受到影響，出現了排水不暢的問題。粉塵長期覆蓋鋼軌扣件對扣件造成腐蝕，在列車通過碾壓后，線路幾何尺寸超限，影響行車安全。粉塵和水的影響使道床板結，嚴重的地段有翻漿冒泥的病害，增大了養護維修工作量。在重載列車行駛的鐵路剛性基礎上的石砟破碎粉化較為嚴重，粉塵污染難以控制，道床穩定性差，從而引起線路結構傷損，而且會將振動和荷載傳遞到隧道仰拱及以下結構部位，使隧道結構受到破壞。另外，隧道內工作環境差，特別是我國早期修建的重載鐵路隧道斷面小，不能滿足大型機械道床清篩作業，道床清潔度難以維持，從而嚴重影響鐵路日常運營的安全和效率。道床固化技術可以有效提高線路穩定性，在鋼軌伸縮調節器地段以及大跨度梁橋、有砟道岔區以及重載鐵路的有砟隧道內，固化后的道床可以保障車輛安全行駛，減少維修量的時間能夠提高運輸效率，也保障了線路運行的安全。

聚氨酯固化道床節約了大量的機械搗固、清篩維修作業成本，減少了維修天窗，不需要大機配置，提高了運輸能力，在全生命周期內具有良好的經濟性。聚氨酯固化道床作為具有創新意義的新型軌道結構，成功結合了有砟軌道和無砟軌道的優點，利于環境保護和工人勞動環境的改善，符合我國綠色建筑的理念未來一定會有廣闊的應用前景。

8 結語

聚氨酯固化道床作為第3 種軌道結構，為解決我國新線建設和既有線養護維修存在的技術難題提供了新的選擇，應當在下列5 種區段推廣應用。1）不宜鋪設無砟軌道的特殊區段。2）有砟道床不易穩定、軌道狀態難以保持的區段。3）普速鐵路尤其是重載鐵路清篩困難的區段。4）受風沙侵害有砟軌道區段。5）有減震和降噪要求的鐵路和城市交通。聚氨酯固化道床技術能夠加強道床縱橫向阻力和穩定性、減少道床累積變形，又具有一定的優勢和適用范圍。因此，能夠為我國鐵路行業的飛速發展提供及時、必要的技術支持。