縱連板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固體系超量變形原因與整治

鄭新國(guó) 潘永健 黃安寧 朱星盛 張立剛 劉克飛 劉競(jìng)

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京橋工段，南京 210008；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；4.中國(guó)鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司，烏魯木齊 830037

由摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)組成的臺(tái)后錨固體系是縱連板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)路橋過(guò)渡段軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其穩(wěn)定程度對(duì)約束橋梁區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)縱向荷載對(duì)路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)的影響以及保證縱連軌道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性意義重大［1-4］。某縱連板式高速鐵路線(xiàn)路的Ⅱ型端刺結(jié)構(gòu)臺(tái)后錨固體系隨季節(jié)溫度出現(xiàn)超量伸縮變形，最大變形量達(dá)2 cm，導(dǎo)致在夏季高溫季節(jié)臺(tái)后錨固體系的過(guò)渡板擠壓路基段支承層，誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)上拱，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)其上拱量可達(dá)數(shù)毫米［5］。為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，保證軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐久性，亟待探尋臺(tái)后錨固體系超量變形原因，并提出針對(duì)性整治方案。本文結(jié)合具體工點(diǎn)，采用沖擊回波法對(duì)錨固體系的脫空情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)錨固體系變形超限原因進(jìn)行分析，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)高速鐵路線(xiàn)路天窗施工的工況特征與穩(wěn)定性要求，研究提出了端刺區(qū)結(jié)構(gòu)受力體系原位恢復(fù)技術(shù)方案、施工工藝及配套注漿材料，以期恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，進(jìn)而提升縱連板式無(wú)砟軌道的服役性能。

1 錨固體系變形超限原因初探

1.1 臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)脫空現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

為探明縱連板式無(wú)砟軌道臺(tái)后錨固體系出現(xiàn)超量變形的原因，采用沖擊回波法對(duì)超量變形的路橋過(guò)渡段臺(tái)后錨固體系的摩擦板下及端刺底部脫空情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。

沖擊回波法［6］的基本原理是當(dāng)被測(cè)對(duì)象存在缺陷時(shí)，沖擊彈性波信號(hào)會(huì)在缺陷處產(chǎn)生反射；通過(guò)對(duì)信號(hào)的提取及分析，結(jié)合平面成像技術(shù)可描繪缺陷的形態(tài)及空間位置。因此，當(dāng)摩擦板與路基或端刺底部與路基粘接良好時(shí)，激發(fā)的彈性波在結(jié)構(gòu)界面處無(wú)反射；當(dāng)摩擦板與路基或端刺底部與路基粘接不好時(shí)（脫空、浮漿層等等缺陷），激發(fā)的彈性波在結(jié)構(gòu)界面處存在反射。

1）測(cè)區(qū)劃分

摩擦板與路基間脫空檢測(cè)選取1處超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，共劃分3個(gè)縱向測(cè)試區(qū)域。測(cè)區(qū)劃分方法是沿線(xiàn)路橫向?qū)⒙芳绾途€(xiàn)間未被無(wú)砟軌道覆蓋的三部分摩擦板劃分為3個(gè)縱向測(cè)試區(qū)域（如圖1中藍(lán)色陰影所示），每個(gè)測(cè)試區(qū)域面積為68 m2，總測(cè)試面積為204 m2。測(cè)點(diǎn)間距為50 cm，測(cè)線(xiàn)間距為50 cm，在測(cè)試過(guò)程中避開(kāi)端刺區(qū)域。

圖1 測(cè)區(qū)劃分

端刺底部與路基間脫空檢測(cè)選取1處超量位移的和1處未見(jiàn)明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺區(qū)域進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。每個(gè)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺區(qū)域未被無(wú)砟軌道覆蓋的三部分區(qū)域共計(jì)48 m2作為1個(gè)測(cè)區(qū)（如圖2中紅色陰影所示）。測(cè)點(diǎn)間距為50 cm，測(cè)線(xiàn)間距為50 cm。

圖2 大端刺平面成像

2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

因摩擦板的厚度為400 mm（局部600 mm），主端刺結(jié)構(gòu)總厚度為3 100 mm。為平衡測(cè)試精度及信號(hào)強(qiáng)度，摩擦板下脫空檢測(cè)采用0.1 kg小激發(fā)錘進(jìn)行彈性波激發(fā)，主端刺底部脫空檢測(cè)采用5 kg大激發(fā)錘進(jìn)行彈性波激發(fā)。檢測(cè)結(jié)果云圖缺陷判定依據(jù)：存在紅色區(qū)域則判定為脫空，藍(lán)色及綠色區(qū)域則判定為不存在脫空。

摩擦板下脫空測(cè)試結(jié)果（表1）顯示，三個(gè)測(cè)區(qū)中最小脫空比例為53.4%，最大為62.1%，整個(gè)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)區(qū)段摩擦板下平均脫空比例達(dá)到58.5%。

表1 摩擦板下脫空測(cè)試結(jié)果

從超量位移和未見(jiàn)明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺底部脫空檢測(cè)平面成像圖（圖2）可以看出，相比于無(wú)明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺來(lái)說(shuō)，存在超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部區(qū)域檢測(cè)結(jié)果明顯可見(jiàn)更大范圍的缺陷區(qū)域。從檢測(cè)結(jié)果（表2）中也可以看出，無(wú)明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部脫空比例僅為5.2%，存在超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部脫空比例達(dá)到55.8%。

表2 大端刺底部脫空測(cè)試結(jié)果

1.2 變形超限原因分析

臺(tái)后錨固體系錨固力主要源自摩擦板底與基床土體間摩阻力及端刺周?chē)c基床土體間擠壓力?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變形超限的臺(tái)后錨固體系的摩擦板與基床表層間、端刺底部與基床土體間均存在不同程度的脫空情況。摩擦板與基床表層間脫空主要因?yàn)樵陂L(zhǎng)期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板不斷揉搓基床表層土體，導(dǎo)致基床表層土體逐漸松散，并與摩擦板產(chǎn)生脫空。端刺底部及側(cè)面與基床土體間脫空主要因?yàn)樵陂L(zhǎng)期縱向往復(fù)荷載作用下，端刺揉搓、擠壓其周?chē)餐馏w，導(dǎo)致端刺周?chē)餐馏w逐漸松散并與端刺周?chē)a(chǎn)生脫空。而基床土體松散，與摩擦板、端刺間脫空又進(jìn)一步降低臺(tái)后錨固體系錨固力，進(jìn)而加劇錨固體系超量位移，形成惡性循環(huán)。

經(jīng)上述分析，初步明確了臺(tái)后錨固體系在長(zhǎng)期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板及端刺不斷揉搓、擠壓與之接觸的基床土體，導(dǎo)致基床土體逐漸松散并在摩擦板下及端刺周?chē)a(chǎn)生脫空，使錨固體系錨固能力降低，是縱連板式臺(tái)后錨固體系超量變形的主要原因。

2 整治技術(shù)方案研究

結(jié)合臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果以及變形超限原因分析情況，根據(jù)運(yùn)營(yíng)高速鐵路線(xiàn)路天窗施工的工況特征與穩(wěn)定性要求，基于端刺區(qū)路基脫空的注漿改良增強(qiáng)原理［7］，以恢復(fù)端刺區(qū)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與路基土體間的摩擦力和錨固力為目標(biāo)，系統(tǒng)研究端刺區(qū)結(jié)構(gòu)受力體系原位恢復(fù)技術(shù)方案、施工工藝及配套注漿材料，以提高路基自身對(duì)端刺的變形控制能力，使結(jié)構(gòu)受力體系的摩擦力以及土體對(duì)端刺的約束錨固力有效恢復(fù)。

2.1 整治方案

針對(duì)端刺周?chē)⒛Σ涟逑屡c基床土體間脫空造成的臺(tái)后錨固體系超量變形，研究提出適用于臺(tái)后錨固體系恢復(fù)的靜壓注漿加固技術(shù)方案［8］。該技術(shù)利用氣壓把漿液通過(guò)注漿管注入摩擦板下和端刺周?chē)餐馏w中，漿液對(duì)端刺、摩擦板與基床土體間脫空進(jìn)行充填，同時(shí)對(duì)松散基床土體進(jìn)行擠密和滲透加固（如圖3所示）。

圖3 臺(tái)后錨固體系超量變形整治前后對(duì)比

由于漿液的充填、劈裂擠密和滲透膠結(jié)作用，可以達(dá)到在消除脫空層的同時(shí)恢復(fù)甚至超越基床土體原設(shè)計(jì)力學(xué)性能，進(jìn)而恢復(fù)臺(tái)后錨固體系錨固性能的目的。

2.2 整治工藝

針對(duì)端刺周?chē)c基床土體間、摩擦板與基床土體間兩種工況，提出摩擦板與路基土體間采用套封管注漿工藝，端刺結(jié)構(gòu)周?chē)捎眯溟y管退管注漿工藝兩種整治工藝。這兩種工藝的注漿孔布置如圖4所示。

圖4 注漿孔布置（單位：mm）

2.2.1 摩擦板下注漿加固工藝

摩擦板下注漿加固工藝主要包括鉆孔、裝注漿管和注漿三個(gè)步驟。

1）鉆孔。按圖4所示位置標(biāo)記鉆孔孔位，采用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)摩擦板上層縱橫向鋼筋并適當(dāng)調(diào)整孔位以避開(kāi)鋼筋。采用水鉆機(jī)豎直向下鉆孔并穿透摩擦板，孔徑為50 mm。

2）裝注漿管。在孔內(nèi)安裝套封注漿管，注漿管通過(guò)密封套密封并將注漿管固定在摩擦板上（圖5）。密封套通過(guò)壓縮空氣、高壓水實(shí)現(xiàn)膨脹與收縮，也可以通過(guò)橡膠馕（套）實(shí)現(xiàn)壓緊膨脹與放松收縮，從而實(shí)現(xiàn)注漿管與摩擦板鉆孔孔壁的密封與固定。

圖5 摩擦板下注漿加固工藝

3）注漿。調(diào)試好注漿設(shè)備，注漿材料性能測(cè)試滿(mǎn)足要求后進(jìn)行注漿，注漿壓力控制在0.1～0.5 MPa，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩擦板高程變化，當(dāng)摩擦板高程增長(zhǎng)超過(guò)0.2 mm時(shí)停止注漿。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)最大注漿壓力或者注漿量時(shí)完成該注漿孔的注漿，并采用微膨脹聚合物砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵。

2.2.2 端刺周?chē){加固工藝

端刺周?chē){加固工藝主要包括鉆孔、插設(shè)注漿管、注漿、提管、循環(huán)注漿五個(gè)步驟。

1）鉆孔。按圖4所示位置標(biāo)記鉆孔孔位，采用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)摩擦板上層縱橫向鋼筋并適當(dāng)調(diào)整孔位以避開(kāi)鋼筋。采用水鉆機(jī)豎直向下鉆孔并穿透摩擦板，孔徑為50 mm。

2）插設(shè)注漿管。在鉆出的孔內(nèi)通過(guò)錘擊方式將袖閥管插入基床土體中，通過(guò)套接方式加長(zhǎng)至設(shè)計(jì)深度。注漿管外徑為30 mm。

3）注漿。調(diào)試好注漿設(shè)備，注漿材料性能測(cè)試滿(mǎn)足要求后進(jìn)行注漿（如圖6所示），注漿壓力控制在0.1～0.5 MPa，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩擦板高程變化，當(dāng)摩擦板高程增長(zhǎng)超過(guò)0.2 mm時(shí)停止注漿。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)最大注漿壓力或者注漿量時(shí)完成該注漿孔的注漿。

圖6 端刺周?chē){加固工藝

4）提管。向上提升注漿管，每次提升高度約0.5 m。當(dāng)注漿管出漿孔距摩擦板底不足1 m時(shí)，為防止冒漿，采用快硬砂漿或泡沫膠封堵注漿管與摩擦板間空隙。

5）循環(huán)注漿。重復(fù)步驟（4）和步驟（5）直至注漿完成。注漿完成后，采用微膨脹聚合物砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵。

2.3 整治材料

為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，更好地配套靜壓注漿加固整治技術(shù)、保證整治效果，研發(fā)出了粒徑小、流變性好、凝結(jié)硬化快、結(jié)石強(qiáng)度高的大流態(tài)高滲透活性粒子漿體，能實(shí)現(xiàn)在低壓作業(yè)條件下密實(shí)填充脫空區(qū)域，進(jìn)而有效恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

大流態(tài)高滲透活性粒子漿體是以水泥為基體，經(jīng)多次改性及沖、研、磨、剪等機(jī)械力的多次連續(xù)疊加和重復(fù)作用，使其顆粒細(xì)度急劇下降，比表面積迅速增大，輸入能量中的大部分轉(zhuǎn)換成為新顆粒的內(nèi)能和表面能，使之具有更高的活性；其最大比表面積可達(dá)到4 500 m2/kg以上，平均粒徑小于2μm甚至可以達(dá)到1μm以下，是廣義上的納米級(jí)材料；可注入25μm以?xún)?nèi)的細(xì)微裂縫之中，既有良好的可注性，又使被加固體的力學(xué)性能得以大幅提升。大流態(tài)高滲透活性粒子漿體雖然為無(wú)機(jī)超微細(xì)水泥基材料，但具有接近化學(xué)漿液的注入性，而且其結(jié)石強(qiáng)度遠(yuǎn)高于低分子化學(xué)注漿材料（表3），對(duì)地下水和環(huán)境無(wú)污染，耐久性好，與混凝土結(jié)構(gòu)等壽命相當(dāng)。

表3 大流態(tài)高滲透活性粒子漿體結(jié)石強(qiáng)度

大流態(tài)高滲透活性粒子漿體的超細(xì)粒徑還決定了其具有較普通水泥漿液優(yōu)異的滲透性能；由于該活性粒子材料的高比表面積及表面化學(xué)改性決定了其具有很高的表面活性，在同等條件下，使被加固的土體具有更高的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1）縱連板式高速鐵路線(xiàn)路Ⅱ型端刺結(jié)構(gòu)臺(tái)后錨固體系隨季節(jié)溫度出現(xiàn)超量伸縮變形，最大變形量達(dá)2 cm，尤其在高溫季節(jié)，其超量變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)上拱，其上拱量達(dá)數(shù)毫米。

2）采用沖擊回波法對(duì)路橋過(guò)渡段臺(tái)后錨固體系的摩擦板、端刺的脫空情況進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變形超限的臺(tái)后錨固體系的摩擦板與基床表層、端刺與周?chē)馏w間存在脫空情況；該脫空是因臺(tái)后錨固體系在長(zhǎng)期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板及端刺不斷揉搓、擠壓與之接觸的基床土體，導(dǎo)致基床土體逐漸松散并產(chǎn)生脫空，使錨固體系錨固能力降低；結(jié)合無(wú)異常變形端刺的脫空檢測(cè)對(duì)比分析，初步探明了該脫空是引起縱連板式臺(tái)后錨固體系超量變形的主要原因。

3）為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，提出靜壓注漿加固填充錨固結(jié)構(gòu)與路基土體間的脫空并對(duì)松散基床土體進(jìn)行擠密和滲透加固的病害綜合整治技術(shù)方案，可有效恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，提升縱連板式無(wú)砟軌道的服役性能。

4）研發(fā)出了粒徑小、流變性好、凝結(jié)硬化快、結(jié)石強(qiáng)度高的大流態(tài)高滲透活性粒子漿體，能實(shí)現(xiàn)在低壓作業(yè)條件下密實(shí)填充脫空區(qū)域，結(jié)實(shí)率98%以上，可有效改善被加固土體的力學(xué)性能。