高速鐵路無砟軌道結構注漿抬升技術的應用

楊璽 蘇志鵬

上海申元巖土工程有限公司，上海 200011

高速鐵路開通運營后，在特殊工程地質、施工質量、列車間歇性高頻動荷載等因素的共同作用下，部分路基段及路基-橋梁過渡段出現了路基不均勻沉降病害，導致無砟軌道線形偏移，影響行車安全。一般采用扣件調整技術對線路偏移沉降進行整治，但是該技術調整范圍有限，僅通過增加墊片補償路基沉降量，治理后不能解決路基沉降脫空的問題，沉降病害持續發展，不得不頻繁維修。

對于超過扣件墊片調整極限的沉降路段，鐵路維修部門一般采用高聚物淺層注漿抬升工藝進行病害整治［1］。利用該工藝整治后，初期能夠緩解線路因沉降產生的不平順，但1~2年內出現了重復不均勻沉降病害，返修后注漿持續效果不斷縮減，嚴重路段治理效果僅能維持1~2 個月。這是由于淺層注漿工藝注漿深度淺，擴散半徑較小，材料遇水形成孔泡較大強度低，材料反應形成的結構層較薄，導致抬升整治的地段路基靜剛度較低，整治效果難以持續。

無砟軌道結構注漿抬升技術是通過將改性聚酯注漿材料注入路基基床表層，利用材料反應前易流動、反應時快速膨脹以及反應后快速固結的特點實現路基的加固和軌道結構的抬升，從路基層面來治理線路不均勻沉降病害，保障高速鐵路的安全平穩運行［2-3］。該技術采用的改性聚酯材料流動性強，擴散半徑大，不與水反應，反應抬升速度更快，通過注入基床進行深層加固，能長期有效地治理不均勻沉降病害。本文結合一高速鐵路區段工程案例，介紹無砟軌道結構注漿抬升技術在高速鐵路線路不均勻沉降整治工程中的應用。

1 工程概況

一高速鐵路路基區段采用CRTSⅠ型板式無砟軌道，軌道結構高757 mm。軌道板寬度為2 400 mm，厚度為190 mm，為預應力鋼筋混凝土結構。軌道板板縫間距設計為70~90 mm，伸縮縫間距20 m。軌道板下設CA砂漿調整層，其設計厚度為50 mm。路基混凝土底座寬3 000 mm，高300 mm。基床底層頂面、基床以下路基面自中心向兩側設4%排水坡。

根據前期監測資料和現場調查情況，該路基段上行線有不均勻沉降病害，病害區段長約10 m，沉降補償的扣件墊量較大，鋼軌內股、外股最大墊量分別為39.5、43.0 mm，位于兩塊軌道板間伸縮縫附近。沉降分布呈現靠近伸縮縫沉降量大、遠離伸縮縫兩端沉降量小的等腰三角形沉降的特點（圖1）。線路兩側有少量泥漿翻出。

圖1 整治前沉降曲線

由于外界水從伸縮縫、側縫等底座板的嵌縫侵入，使基床表層的細骨料被軟化成泥狀。在列車高速荷載沖擊振動下，承重層下部的泥化軟弱層被擠壓出來，形成吊空或空隙，導致軌道結構產生不均勻沉降。周而復始，外界水不斷進入此空隙，使其逐漸發展擴大，對線路穩定及行車安全造成極大影響。該病害區段墊量較大，須進行不均勻沉降抬升整治。

2 無砟軌道結構注漿抬升技術

2.1 抬升原理

無砟軌道結構注漿抬升技術是采用專用注漿設備通過注漿管將雙組分改性聚酯材料注入到無砟軌道基床的級配碎石表層，材料發生反應后填充擠密路基土體，并利用材料的膨脹力實現對無砟軌道結構豎向頂升（圖2），對不均勻沉降病害進行整治。該技術在實施時輔以精密儀器監測，以實現精確抬升。

圖2 無砟軌道結構注漿抬升原理示意

軌道結構注漿抬升技術以軌面高程的抬升變化為節點，分為兩個關鍵階段。①基床表層填充擠密階段：利用注漿壓力和材料反應前的流動性使材料在沉降地段基床表層空隙中擴散、填充、固化、擠密，形成改性聚酯-級配碎石的固化體；②軌道板抬升階段：沉降病害地段基床表層注漿孔附近的空隙被填充滿后，持續注入的材料發泡固化，不斷擠壓已形成的改性聚酯-級配碎石的固化體和周圍土體，在材料反應放熱膨脹產生壓力和注漿壓力的液壓傳動效應下，對無砟軌道結構進行抬升。

2.2 材料特點

該技術使用的改性聚酯材料是一種常溫下呈液態的A、B雙組分的高聚物材料，具有以下特點。

1）良好的流動性。該材料在反應前流動性良好，能在路基表層的空隙中擴散、填充。

2）快速反應膨脹性。注入路基的材料充分混和后快速反應并膨脹固化，在基床表層的級配碎石孔隙間劈裂、擠壓，形成樹根狀的結構包裹土體。通過調整材料中催化劑的比例可以嚴格控制反應速率。

3）水不敏感性。由于施工地點一般在戶外，降水后路基濕潤，基床空隙常有外界水聚積。改性聚酯材料不與水發生反應，能排除地下水并保持穩定的抗壓強度。

4）抗疲勞性能好。高速鐵路列車荷載是周期性高頻動荷載，這要求材料在長期循環荷載作用下具有良好的強度保持和尺寸穩定性能。

5）較好的耐久性。服役中的改性聚酯材料在級配碎石中不僅會經歷溫度和濕度的變化，還可能受到酸、堿性離子的作用，北方地區工后注漿材料還會受到凍融循環作用。為維持抬升后軌道結構的正常使用壽命，要求注漿材料應具有較好的耐酸堿性能與抗凍融循環性能。

6）綠色環保性。材料本身重金屬（鉛、鎘、鉻、汞）離子含量應為未檢出；受水浸泡后注漿材料中有害離子不會被溶出，不污染地下水；能抵抗真菌霉菌腐蝕。

改性聚酯材料主要技術指標見表1。其中耐酸性試驗條件為23 ℃硫酸溶液浸泡30 d，pH 值為2；耐堿性試驗條件為23 ℃氫氧化鈉溶液浸泡30 d，pH 值為14。

表1 改性聚酯材料主要技術指標

3 施工工藝

3.1 總體流程

為達到更好的抬升效果，根據現場病害情況，采用多點聯動注漿抬升工藝對沉降地段無砟軌道結構進行精確可控注漿抬升，恢復設計軌面高程，提高線路平順性。施工工藝流程見圖3。

圖3 無砟軌道結構注漿抬升工藝流程

3.2 施工質量控制要點

1）確定施工區段后，利用電子水準儀對軌道板不均勻沉降初始值進行測量，拆除扣件墊板，恢復標準扣件并擰緊。

2）鉆孔間距、深度、傾斜度、插管深度等應按照施工設計方案嚴格實施，根據現場情況保證鉆孔鉆至基床表層。

3）正式施工前對注漿材料進行現場混和反應試驗，保證材料具有正常的反應性能，環境溫度偏低時對材料進行預熱。

4）注漿壓力控制在0.5~1.0 MPa，注漿順序采用對稱跳孔注漿，從沉降量大的扣件處開始實施。

5）使用6 臺注漿設備進行多點聯動注漿抬升，同時對內外股各3 組對稱分布的注漿孔進行注漿，按照①→②→③→④→⑤→⑥依次實施（圖4）。施工全過程采用3 臺電子水準儀進行循環檢測，保證多點抬升的同步性與精確性。

圖4 多點聯動注漿抬升施工順序

6）無砟軌道路基加固與結構抬升注漿施工完成后進行軌道精調。采用硅酮材料對底座板伸縮縫、側縫進行封閉，對局部破損的封閉層進行恢復處理，對砂漿層離縫進行注膠填充。

4 整治效果

本次無砟軌道路基不均勻沉降整治用時1 個天窗，高效完成了沉降抬升、軌道精調和結構破損修復三項工作，總體整治效果符合預期。

整治前后扣件墊量對比見圖5。可知：本次整治中最大抬升量為39.5 mm；抬升后內外股軌道線形基本恢復平順，內股、外股最大墊量分別為5.5、6.5 mm，實現了精確可控的軌道結構抬升。

圖5 整治前后扣件墊量對比

鋼軌、軌道板、底座板抬升量見圖6。可知：施工完成后內外股軌面高程基本保持穩定，抬升量小于3 mm；內外股軌道板抬升曲線與底座板抬升曲線基本一致，說明抬升后軌道板與底座板間無離縫，軌道結構抬升保持同步。

圖6 鋼軌、軌道板、底座板抬升量

現場軌道檢測結果表明，該線路左右軌因抬升施工引起的軌距水平變化不超過2 mm。

注漿過程中，底座板與基床接縫處有水和泥漿擠出，說明底座板下空隙填充密實，路基加固效果良好。鉆孔取芯均有完整的漿結物且漿結物固結狀態良好。

在抬升作業完畢、軌道精調完成后，當日首趟列車限速160 km∕h，而后逐步恢復正常運營，最大限度降低了施工對高速鐵路運營的影響。

當月動態檢測結果顯示，注漿抬升施工完成后，軌道質量指數明顯改善，線路的軌道幾何狀態穩定。該整治區段線路的左右高低峰值顯著降低，施工后峰值均低于2 mm。長期動檢結果顯示，整治兩年后該施工區段沉降病害無復發，耐久性較好。

5 結語

無砟軌道結構注漿抬升技術用于整治由路基基床翻漿、脫空引起的線路不均勻沉降病害時，可在單個天窗內快速、精確抬升軌道結構，恢復線路平順度，具有較好的應用前景。該技術通過對路基基床進行深層加固，利用改性聚酯材料的流動性及膨脹力實現對基床空隙的填充和對軌道結構的抬升，施工方法快速便捷，抬升過程精確可控，整治效果良好耐久。

在進行注漿抬升施工前，應根據病害區段特點計劃各點抬升順序及抬升量，并在施工中加強監測，保證病害區段各點抬升的同步性與精確性。目前國內對高速鐵路無砟軌道線路不均勻沉降病害整治的相關研究處于起步階段，對于注漿抬升的長期整治效果、線路橫向偏移糾偏技術等有待深入研究。