高速鐵路無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害及應(yīng)急搶修技術(shù)

易忠來(lái) 楊志強(qiáng) 靳昊 姜子清 劉浩 謝永江

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)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

自2008年京津城際鐵路開(kāi)通以來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展。無(wú)砟軌道因具有高平順性、高穩(wěn)定性、維修作業(yè)少的優(yōu)點(diǎn)，被我國(guó)絕大多數(shù)高速鐵路采用。截至2022 年底，我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程已超過(guò)4.2萬(wàn)公里，占世界高速鐵路的70%以上，未來(lái)還將繼續(xù)發(fā)展。

無(wú)砟軌道主要由水泥基材料和鋼筋組成，整體穩(wěn)定性和耐久性較好。TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定無(wú)砟軌道道床板、底座板設(shè)計(jì)使用年限為100年，而軌道板、支承層設(shè)計(jì)使用年限為60年。

工程實(shí)踐表明，在凍融循環(huán)、酸雨等因素長(zhǎng)期作用下高速鐵路無(wú)砟軌道整體服役性能良好［1］。然而，除環(huán)境中侵蝕因素長(zhǎng)期作用外，無(wú)砟軌道還可能面臨火災(zāi)、水害、地震、高溫、撞擊等突發(fā)自然災(zāi)害作用，不僅會(huì)給無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)帶來(lái)嚴(yán)重傷損，更有可能威脅到高速列車運(yùn)行安全，從而影響到正常運(yùn)營(yíng)秩序［2］。

2018 年10 月德國(guó)科隆—法蘭克福高速鐵路因列車著火，對(duì)Rheda型無(wú)砟軌道造成了嚴(yán)重?fù)p壞（圖1），嚴(yán)重影響了線路正常運(yùn)營(yíng)。2013年6月柏林—漢諾威—科隆高速鐵路某區(qū)間發(fā)生洪水災(zāi)害，無(wú)砟軌道路基產(chǎn)生較大變形（圖2），洪水退去之后對(duì)受損嚴(yán)重區(qū)段進(jìn)行了近一周的應(yīng)急搶修。2004 年10 月日本中越地區(qū)發(fā)生6.8 級(jí)地震，造成日本新干線脫軌?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地震造成約1.6 km 高架橋上板式軌道及鋼軌、扣件傷損，部分區(qū)間鋼軌錯(cuò)位；隧道內(nèi)基底隆起，軌道板和仰拱傷損等，經(jīng)過(guò)近5 d搶修全線才恢復(fù)通車。

圖1 科隆—法蘭克福無(wú)砟軌道道床板嚴(yán)重傷損

圖2 柏林—漢諾威—科隆無(wú)砟軌道路基嚴(yán)重?fù)p害

近年來(lái)，我國(guó)極端氣象事件增多，無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害的防治越來(lái)越重要。2012 年，原鐵道部發(fā)布了鐵運(yùn)〔2012〕83 號(hào)《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》，為無(wú)砟軌道線路維修提供了技術(shù)方案和作業(yè)要求，然而該規(guī)則未考慮突發(fā)災(zāi)害情況下無(wú)砟軌道的應(yīng)急處置及搶修技術(shù)。不同于常規(guī)環(huán)境侵蝕因素影響下無(wú)砟軌道傷損逐漸累積過(guò)程，突發(fā)災(zāi)害引起的無(wú)砟軌道傷損程度更高，維修難度更大。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)砟軌道耐久性傷損產(chǎn)生原因、影響因素及整治技術(shù)研究較多［3-4］，但對(duì)突發(fā)災(zāi)害引起的無(wú)砟軌道傷損甚至斷道情況鮮見(jiàn)報(bào)道。本文梳理了無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的突發(fā)災(zāi)害類型，探討了無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急搶修技術(shù)，給出無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修技術(shù)發(fā)展方向，為突發(fā)災(zāi)害條件下我國(guó)無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修提供參考。

1 無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損

1.1 突發(fā)災(zāi)害類型

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害主要由火災(zāi)、水害、地震、高溫和撞擊引起。高速鐵路無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型見(jiàn)表1。

表1 無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型

火災(zāi)發(fā)生時(shí)，高溫易導(dǎo)致水泥基材料內(nèi)水化產(chǎn)物分解，破壞水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性［5］，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂、剝落、層間離縫。同時(shí)，高溫作用下內(nèi)部鋼筋、螺栓金屬晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鋼筋抗拉強(qiáng)度大幅降低，無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)承受荷載能力明顯下降，裂縫、變形等傷損程度加?。?］。洪水或短時(shí)間內(nèi)強(qiáng)降雨時(shí)，大量地下水富集容易引發(fā)無(wú)砟軌道路基不均勻沉降，導(dǎo)致無(wú)砟軌道混凝土裂縫，同時(shí)伴隨層間離縫和上拱［7］。我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交會(huì)部位，高烈度地震作用下無(wú)砟軌道容易因下部基礎(chǔ)變形較大而產(chǎn)生裂縫、層間離縫和變形［8］。連續(xù)高溫天氣時(shí)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)存在較大溫度梯度。較大的溫度梯度會(huì)使軌道板或道床板在服役過(guò)程中翹曲變形，導(dǎo)致無(wú)砟軌道上拱和開(kāi)裂，影響高速列車的舒適性和安全性。在外部異物撞擊作用下，無(wú)砟軌道易產(chǎn)生部分缺損，影響無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)整體服役性能［9］。

1.2 突發(fā)災(zāi)害傷損等級(jí)

為突發(fā)災(zāi)害后掌握無(wú)砟軌道傷損程度，制定應(yīng)急搶修技術(shù)方案，對(duì)無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害等級(jí)進(jìn)行劃分。

1）突發(fā)火災(zāi)

混凝土出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫、剝落及局部鋼筋傷損是無(wú)砟軌道突發(fā)火災(zāi)的主要特征。根據(jù)無(wú)砟軌道突發(fā)火災(zāi)傷損形式及其影響，可將傷損等級(jí)劃分為四級(jí)，見(jiàn)表2。其中，d為剝落深度。

表2 突發(fā)火災(zāi)時(shí)無(wú)砟軌道傷損等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

2）突發(fā)水害

突發(fā)水害時(shí)，無(wú)砟軌道容易產(chǎn)生軌道上拱、偏移及脫空。根據(jù)突發(fā)水害傷損形式及其影響，可將無(wú)砟軌道傷損等級(jí)劃分為四級(jí)，見(jiàn)表3。其中：h、w分別為軌道板或道床板上拱量、偏移量；u為軌道板或道床板下部脫空量。

表3 突發(fā)水害時(shí)無(wú)砟軌道傷損等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3）突發(fā)地震

突發(fā)地震時(shí)，無(wú)砟軌道出現(xiàn)混凝土局部裂縫、貫通裂縫、軌枕?yè)跫缛睋p和幾何變形。根據(jù)無(wú)砟軌道突發(fā)地震傷損形式及其影響程度，可將傷損等級(jí)劃分為四級(jí)，見(jiàn)表4。

表4 突發(fā)地震時(shí)無(wú)砟軌道傷損等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

4）突發(fā)高溫

突發(fā)高溫導(dǎo)致無(wú)砟軌道軌道板或道床板上拱變形，可將軌道板或道床板上拱量作為無(wú)砟軌道突發(fā)高溫傷損程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)軌道板或道床板上拱量及其影響程度，將突發(fā)高溫傷損劃分為四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表5。

表5 突發(fā)高溫時(shí)無(wú)砟軌道傷損等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

5）突發(fā)撞擊

根據(jù)無(wú)砟軌道突發(fā)撞擊傷損形式及其影響，可將傷損劃分為四個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表6。

表6 突發(fā)撞擊時(shí)無(wú)砟軌道傷損等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 應(yīng)急搶修技術(shù)

2.1 應(yīng)急處置措施

無(wú)砟軌道發(fā)生突發(fā)災(zāi)害時(shí)須要采取應(yīng)急處置措施。無(wú)砟軌道的應(yīng)急處置措施應(yīng)遵循分級(jí)處置、協(xié)同應(yīng)對(duì)的原則。根據(jù)無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損程度，從無(wú)砟軌道搶修方法、放行列車條件等方面提出適當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置措施。

1）突發(fā)火災(zāi)

針對(duì)不同等級(jí)突發(fā)災(zāi)害，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施并確定對(duì)應(yīng)的放行列車條件。傷損等級(jí)為Ⅰ級(jí)時(shí)，列車可按設(shè)計(jì)時(shí)速正常通行。傷損等級(jí)為Ⅱ級(jí)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換傷損扣件，對(duì)失效預(yù)埋套管進(jìn)行改錨，并按列車時(shí)速不低于160 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性。同時(shí)，每間隔兩根軌枕安裝軌距拉桿對(duì)鋼軌進(jìn)行加固，建議列車限速120 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)臨時(shí)封閉線路，對(duì)傷損無(wú)砟軌道更換處置，直至無(wú)砟軌道的穩(wěn)定性、平順性滿足要求。

2）突發(fā)水害

傷損等級(jí)為Ⅰ級(jí)時(shí)，應(yīng)按列車時(shí)速不低于200 km通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級(jí)為Ⅱ級(jí)時(shí)，應(yīng)在無(wú)砟軌道下部脫空處采用塑料墊板臨時(shí)支撐，按列車時(shí)速不低于160 km 通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)時(shí)，無(wú)砟軌道應(yīng)采取臨時(shí)支撐措施，可采用特殊扣件，按列車時(shí)速不低于120 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)采用鋼墊板臨時(shí)支撐或灌注修補(bǔ)材料填充，可采用特殊扣件，按列車時(shí)速不低于80 km/h 通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性，列車限速通行。

3）突發(fā)地震

傷損等級(jí)為Ⅰ級(jí)時(shí)，無(wú)砟軌道傷損程度較小，列車可限速200 km/h 通行，并根據(jù)天窗安排及時(shí)進(jìn)行無(wú)砟軌道維修作業(yè)。傷損等級(jí)為Ⅱ級(jí)時(shí)，若存在連續(xù)軌枕?yè)跫缛睋p，需對(duì)擋肩缺損處進(jìn)行修補(bǔ)，更換傷損扣件，對(duì)失效預(yù)埋套管進(jìn)行改錨。同時(shí)，按列車時(shí)速不低于120 km 通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)或Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)臨時(shí)封閉線路，對(duì)傷損無(wú)砟軌道予以更換。

4）突發(fā)高溫

傷損等級(jí)為Ⅰ級(jí)時(shí)，應(yīng)及時(shí)按列車設(shè)計(jì)速度通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性，列車以正常速度通行。傷損等級(jí)為Ⅱ級(jí)時(shí)，應(yīng)按列車時(shí)速不低于250 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，并在無(wú)砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車限速120 ～ 200 km/h通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)時(shí)，軌道板或道床板下部采取臨時(shí)支撐措施，并按列車時(shí)速不低于160 km 通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性。同時(shí)，在無(wú)砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車限速120 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)在無(wú)砟軌道下部采取臨時(shí)支撐，并按列車時(shí)速不低于120 km 通過(guò)要求調(diào)整軌道平順性。同時(shí)，應(yīng)在無(wú)砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車按限速80 km/h通行。

5）撞擊傷損

傷損等級(jí)為Ⅰ級(jí)時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換傷損扣件，按列車時(shí)速不低于250 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級(jí)為Ⅱ級(jí)時(shí)，應(yīng)更換傷損扣件，在嚴(yán)重缺損區(qū)段安裝軌距拉桿對(duì)鋼軌進(jìn)行加固。同時(shí)，按列車時(shí)速不低于200 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)時(shí)，應(yīng)間隔更換傷損扣件及修補(bǔ)軌枕?yè)跫?。在?yán)重缺損區(qū)段安裝軌距拉桿對(duì)鋼軌進(jìn)行加固，按列車時(shí)速不低于160 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級(jí)達(dá)到Ⅳ級(jí)時(shí)，應(yīng)更換傷損扣件，間隔修補(bǔ)軌枕?yè)跫纭Ｈ纛A(yù)埋套管失效，則進(jìn)行改錨，并在受損區(qū)段安裝軌距拉桿對(duì)鋼軌進(jìn)行加固。同時(shí)，按列車時(shí)速不低于120 km 通過(guò)要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速80 km/h通行。

2.2 發(fā)展方向

1）高性能應(yīng)急搶修材料

由于高速鐵路呈條帶狀且露天服役，無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修材料應(yīng)具有高早強(qiáng)、大流態(tài)、低收縮、強(qiáng)黏結(jié)、高耐久特征［10-11］。目前常用的高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修材料有聚合物水泥基材料、注漿修補(bǔ)材料、硅酮嵌縫材料，適用于無(wú)砟軌道混凝土缺損的修補(bǔ)、內(nèi)部裂縫的填充、伸縮縫修補(bǔ)等［12］，基本滿足我國(guó)大部分地區(qū)高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修迫切需求。然而，由于我國(guó)高速鐵路跨越范圍廣，不同地區(qū)環(huán)境條件差異極大，天窗作業(yè)時(shí)間短，導(dǎo)致實(shí)際工程中仍存在修補(bǔ)材料適應(yīng)性差、工作性能不足、長(zhǎng)期耐久性難以保證等問(wèn)題。針對(duì)不同的無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型，研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能好、長(zhǎng)期耐久性能好的高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修材料對(duì)于高速鐵路無(wú)砟軌道的應(yīng)急搶修至關(guān)重要。

2）高效率整治裝備

當(dāng)高速鐵路無(wú)砟軌道遭受突發(fā)災(zāi)害時(shí)，往往傷損較大，嚴(yán)重時(shí)甚至造成列車中斷運(yùn)行，需要盡快恢復(fù)運(yùn)行。整治裝備的可靠與安全會(huì)影響到應(yīng)急搶修效率，而目前應(yīng)急搶修以人力為主，研發(fā)適用于高速鐵路無(wú)砟軌道的大型機(jī)械化養(yǎng)護(hù)維修裝備是無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修的迫切需求。

整治無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損時(shí)，一般需要先清除原有傷損部位，目前無(wú)砟軌道混凝土破除仍以電鎬為主，勞動(dòng)力需求大，施工效率低。軌道板、軌枕、道床板內(nèi)部鋼筋密集，采用繩鋸切割難以避免破壞內(nèi)部鋼筋。高壓水射流技術(shù)在巖石破碎方面應(yīng)用效果較好［13］。將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于無(wú)砟軌道的應(yīng)急搶修，有望在不破壞鋼筋的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)傷損混凝土的破除，具有較好發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)論及建議

1）高速鐵路無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型包括火災(zāi)、水害、地震、高溫、撞擊等，主要傷損形式是剝落、裂縫、上拱、離縫、鋼筋失效等，突發(fā)災(zāi)害對(duì)無(wú)砟軌道的平順性、高速列車運(yùn)行的舒適性與安全性提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2）高速鐵路無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處置措施包括限速通行、軌道精調(diào)、天窗時(shí)間修補(bǔ)、軌道部件替換等。突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，應(yīng)根據(jù)突發(fā)災(zāi)害傷損等級(jí)確定相應(yīng)的應(yīng)急搶修措施。無(wú)砟軌道傷損程度高，難以快速搶修時(shí)，應(yīng)封閉線路進(jìn)行整治。

3）高速鐵路無(wú)砟軌道應(yīng)急搶修技術(shù)應(yīng)在搶修材料和整治裝備上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級(jí)，研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能好、長(zhǎng)期耐久性能好的無(wú)砟軌道修補(bǔ)材料、無(wú)砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急搶修用大型機(jī)械化養(yǎng)護(hù)維修裝備是將來(lái)的發(fā)展方向。