板式无砟轨道路基翻浆整治效果研究

刘 亭，苏 谦，赵文辉，刘 宝，黄俊杰

1. 西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2. 西南交通大学 高速铁路线路工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

近年来，我国在高速铁路领域不断取得新突破和新成就，目前已成为高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家，列车运行速度先后突破200 km/h、250 km/h和350 km/h。无砟轨道因其稳定性强、耐久性好、塑性变形小、维修量少等特点，成为高速铁路轨道结构的主要发展方向[1]。无砟轨道在隧道和桥梁上的应用，已被世界各国铁路普遍认可并逐步标准化，但在高速铁路土路基上的应用则十分谨慎[2]。无砟轨道路基设计的关键问题是如何有效控制其后续沉降变形和保证其长期动力稳定性[3]。为保证线下路基结构的动力稳定性，国内外学者采用室内模型试验、现场行车测试及有限元分析等方法对无砟轨道路基在高速移动列车冲击荷载下的动态响应进行研究[4-10]，主要研究内容包括分析动应力、位移、速度和加速度等无砟轨道路基动力响应指标空间时变分布规律，并建立对各个指标的评价机制。

国内外高速铁路运营实践表明：随着运营时间不断增长，在复杂自然环境和高速列车冲击荷载反复作用下，局部路段无砟轨道和路基将出现损伤、破坏等病害现象，线下工程结构缺陷和病害在无砟轨道线路中逐渐显露，其中，基床翻浆是近年高速铁路无砟轨道路基出现的特殊病害形式[11]。基床翻浆导致基床中细小颗粒迁移，从而改变级配碎石组构特征及底座板-基床表层的接触状态，使路基刚度下降，引起无砟轨道结构体系垂向刚度不匹配，纵向基础刚度不均匀，严重影响列车运行的舒适性和安全性，工程上采用注胶工艺对其进行整治。目前几乎没有文献对基床翻浆注胶加固前后的无砟轨道路基动力特性进行对比研究或评价翻浆整治效果。

本文选取沪宁城际铁路路基翻浆地段为试验工点，在无砟轨道路基空间层状结构体系表面安装动态测试元件，分别在注胶加固前后进行行车动态测试，在对比分析的基础上，基于动力学响应指标分析方法，对无砟轨道路基翻浆整治效果进行评价。研究结果可为高速铁路无砟轨道路基翻浆病害的识别、整治提供参考。

1 试验概况

1.1 测试工点翻浆调研

沪宁城际高速铁路为速度300 km/h的双线无砟轨道客运专线，路基段占该线总里程的35%。自2010年7月开通运营两年后，沿线路基地段勘察发现局部无砟轨道路基翻浆病害。对病害工点进行统计分析发现：翻浆、冒浆现象出现在两块混凝土底座板之间伸缩缝防水失效的路基段(图1(a))；部分路基封闭层与底座板相邻接缝不严处也有翻浆产生(图1(b))，铺设CRTS-Ⅰ型框架式轨道板的地段最严重。现场调查翻浆病害表现为：在相邻混凝土支承层间伸缩缝、路基沥青混凝土封闭层和底座板接缝位置，大量乳白色、细颗粒泥状物渗出，厚度达25 mm；在路肩上流淌、堆积着由水和级配碎石中细颗粒混杂而成的泥状析出物，严重处渗出厚度达15～50 mm。

此外，动检车添乘检查记录也发现路基翻浆地段动检长波出现多处高低不良，高低偏差最大值达到-7.8 mm，并且垂直加速度达到Ⅱ级甚至Ⅲ级超限。现场采用探地雷达对基床进行初步检测(图1(c))，相比基床完好段，翻浆段底座板伸缩缝附近、路基面以下0～30 mm范围内，层状反射波出现扭曲、变形，且振幅加大，表明该区域内出现翻浆病害[12]。

(a)伸缩缝大量白色泥状物渗出(b)乳白色析出物从侧缝流淌

(c)探地雷达检测路基翻浆图1 现场翻浆病害调研

1.2 翻浆原理分析

基床表层是路基结构受列车动力荷载、气候和环境(雨水、地表水和冻融)影响最大的区域，各国规范对该层填料的材质、压实质量均提出较高要求。中国采用的级配碎石和德国采用的混合填料KG2都是以粗颗粒为主的优质填料[13，14]，具有良好的强度、密实度和变形特性。此外，为了使渗入路基的地表水尽快透过基床表层单元向两侧和深部转移，以避免级配碎石孔隙积水影响其抗冻性和动力稳定性，基床表层填料的渗透性也需满足路基的功能要求。基床表层粗粒土的渗透性与其级配组成密切相关，研究中一般将5 mm作为区分粒径，将基床表层分为粗细两部分[15]。粗粒土构成骨架，细粒土填充孔隙。填充越密实，土体的孔隙越小，渗透性越差，即孔隙大小直接决定土体渗透特性[16]。分析沪宁城际铁路级配碎石粒径级配曲线[11]得知，与其他按照《高速铁路设计规范》中规定制备的高速铁路基床表层填料相比，沪宁城际铁路细小颗粒(0.005～0.1 mm)含量已超过《高速铁路设计规范》规定的上限10%。孔隙填充密实使表层渗透系数大幅降低，形成截水效应，为基床翻浆提供了条件。

在CRTS-Ⅰ型板式无砟轨道路基空间层状结构体系中，混凝土底座板每隔20 m设置一条伸缩缝，工程采用胶合板塞填、沥青乳膏浇灌封闭。长期运营过程中，在复杂自然应力和列车动力循环荷载耦合作用下，伸缩缝填充材料逐渐老化、失效。冬季温度骤降，混凝土底座板受温度应力作用产生收缩变形，老化的胶合板、沥青受拉开裂，微小裂缝逐渐扩大，形成贯穿裂缝。沪宁城际沿线降雨充沛，雨水下渗至路基基床，不能及时排出，级配碎石层中自由水在高速移动列车冲击荷载反复作用下，产生较高的动水压。承压水从伸缩缝以及路基封闭层与底座板侧缝消散的同时，一方面对土体骨架孔隙填充的细颗粒产生劈裂破坏作用，使其溶入消散的承压水中[11]；另一方面带走了细颗粒，随着“泵”吸作用的加剧，大量细颗粒泥状物渗出。翻浆病害进一步恶化，浸水的级配碎石强度下降，泥化现象造成板端支撑刚度下降，整体承载力明显降低。列车高速通过时，支承层板端受力最集中，一旦板端路基结构承载力下降，就会形成类似悬臂板的受力状态，板端振幅最大，对路基结构的冲击也最大。随着运营时间增长，悬臂板效应不断叠加。长此以往，浸水饱和的路基级配碎石层泥化后被振动产生的抽吸作用带出路基表面，形成严重翻浆、冒浆病害(图2)。

图2 伸缩缝翻浆病害原理

1.3 翻浆整治工艺

根据无砟轨道路基级配碎石翻浆原理分析，确定沪宁城际铁路路基翻浆整治原则为：封堵地表水、注胶填充空隙、疏排地表水[17]。采用高聚物化学胶封闭侧缝和伸缩缝，确保轨道结构整体密闭。对基床表层翻浆区域及支承层下部吊空处灌注化学胶(图3(a))，填充级配碎石层缝隙及底座板与路基面空隙，以改善底座板与基床表层的接触状态，恢复路基整体承载能力。在线路中心线增设纵向排水沟(图3(b))，路基横断面增设横向排水盲沟，疏排地表积水及下渗到路基结构单元内部的自由水。

图3 现场整治工艺

基床级配碎石注胶加固是翻浆病害整治工艺中的关键流程。首先，封闭底座板与路基封闭层侧缝，确保注胶密闭环境，侧缝注胶孔位置如图4所示。其次，在底座板两侧沿线路纵向钻孔安设注胶嘴，孔径8 mm，孔深30 cm，距离底座板边缘10 cm，相邻孔位间隔50 cm(图5)。此外，为充分清理、疏排水分，在框架式轨道板中底座板表面等间距设置3个清理孔，孔径22 mm，孔深30 mm，以钻通底座板为准(图5)。高压风冲孔,清理杂质与水，分三步不等压注胶，直至高聚物胶充满级配碎石空隙和底座板-基床接触层吊空区。

图4 底座板注胶示意

图5 底座板钻孔位置平面图

1.4 行车测试方案

现场行车测试工点位于沪宁城际铁路路基翻浆段，根据现场病害整治实际情况，试验选择基床翻浆典型段面，在轨道板边缘、支承层顶面边缘、路基封闭层顶面及路肩处布设加速度计、速度计和位移计，分别于注胶加固前后进行行车动态测试。测试元器件型号分别为CA-YD-117型压电式加速度计、动态压电式位移计、CS-YD-002M压电式速度计，在无砟轨道路基空间层状结构体系中的位置如图6所示。通过DH5922动态采集系统完成数据采集。

图6 元器件布置横断面图

高速移动列车荷载作用下,列车-轨道-路基耦合系统的动力性能与列车的车型、速度、行驶方向有关。沪宁城际高速铁路运营列车以CRH2C车型为主，兼有CRH3车型。其中，CRH2C车型由2辆拖车(T)及6辆动车(M)构成编组，编组形式为T+6M+T，编组长度及质量为201.4 m和363.6 t，其中，平均轴重≤14 t，拖车长25.7 m，动车长25 m，转向架中心距17.5 m，固定轴距2.5 m。CRH3车型由4辆拖车(T)和4辆动车(M)构成编组，编组形式为2(2M+T)+2T，编组长度及质量为200.67 m和380 t，头车长25.86 m，中间车长24.825 m，平均轴重≤17 t，转向架中心距17.375 m，固定轴距2.5 m。

2 测试结果分析

车辆-轨道-路基系统的耦合作用是较复杂的动力学过程，随着列车运行速度的提高，高速列车与线路结构之间的动态作用将增强，并表现出较强的随机振动特性[18]。采集到的动力响应数据也具有一定的离散性。由于测试断面经过的列车车型及速度、运行次数有差异，本文只对本线(测试点所在线路)CRH2列车以速度240 km/h、260 km/h和280 km/h通过时的测试结果进行对比分析，分别对各动力响应指标峰值求平均值作为该速度下的代表值。

2.1 翻浆条件下振动特性

列车分别以速度240 km/h、260 km/h和280 km/h通过基床翻浆断面测试工点时，无砟轨道路基层状体系结构振动位移垂向衰减规律如图7所示。

图7 无砟轨道路基各结构层垂向振动位移均值分布

由图7可知，基床翻浆条件下不同行车速度对轨道板动位移影响明显，对其下部底座板、路基面以及路肩位置的动位移影响较小。总体而言，无砟轨道路基空间各层状结构动位移随列车速度的提高而增大。车速从240 km/h 依次增加到260 km/h、280 km/h，轨道板动位移分别增大49.5%、85.4%；底座板动位移分别增大7.8%、19.7%。当列车速度为280 km/h时，轨道板动位移最大值为0.71 mm，底座板动位移最大值为0.31 mm。路基面和路肩处动位移受列车速度影响较小，有小幅增加。

由于振动能量扩散和材料阻尼作用，列车荷载作用下无砟轨道路基层状结构体系各动力响应指标值沿垂向衰减，定义衰减率为

振动速度、加速度是研究无砟轨道路基振动特性的重要动力学指标。表1为列车以速度240 km/h和280 km/h通过时，注胶加固前无砟轨道结构振动速度和振动加速度均值及衰减率。

表1 无砟轨道路基振动速度、加速度均值及衰减率

由表1可知：

(1)随着列车速度的增大，无砟轨道路基结构各层振动速度、振动加速度值均有小幅增加，当车速从240 km/h增大到280 km/h 时，轨道板振动速度均值从19.45 mm/s增至20.15 mm/s，增大了3.5%；底座板振动速度均值从14.90 mm/s增至16.26 mm/s，增大了9.1%。

(2)列车运行速度240 km/h～280km/h时，底座板振动速度衰减率为19.30%～23.39%，振动加速度衰减率为33.97%～37.59%；路基面振动速度衰减率为78.91%～80.26%，振动加速度衰减率为70.83%～74.23%，说明振动能量垂向传递在底座板-路基面结构层间衰减较多；振动能量从轨道板边缘路基面沿横向传递到路肩处，振动速度衰减率差为1.95%～5.16%，振动加速度的衰减率差为3.26%～3.78%。

(3)随着列车速度增大，无砟轨道路基空间结构各层振动速度、振动加速度均值衰减率减少，当车速从240 km/h增大到280 km/h 时，底座板振动速度均值衰减率从23.39%减至19.30%，振动加速度均值衰减率从37.59%减至33.57%；路基面振动速度均值衰减率从80.26%减至78.91%，振动加速度均值衰减率从74.23%减至70.83%。

2.2 注胶加固后振动特性

基床翻浆改变了表层级配碎石组构特征，颗粒迁移诱发无砟轨道基床接触状态恶化，产生脱空层间病害。高聚物化学胶具有较强的吸水性，且抗压强度高、早强性能好，将其注入级配碎石内部，一方面与饱和级配碎石孔隙内部的自由水反应，填充细颗粒流失造成的空隙，恢复路基支撑刚度；另一方面，填充底座板下部脱空区域，改善无砟轨道路基的层间接触状态。

振动位移是无砟轨道路基重要的动力学响应指标之一，无砟轨道动位移反映列车对无砟轨道结构动态作用的强弱程度。对测试工点断面翻浆基床采用上述工艺进行注胶加固后，列车以280 km/h速度通过时，以时间为横坐标，振动位移为纵坐标，作出轨道板动位移时程曲线如图8所示，W形波峰为转向架轮对通过测试断面的瞬时加、卸载过程，轨道板动位移幅值范围为0.41～0.48 mm，均值为0.45 mm。

图8 轨道板动位移-时程曲线

对基床翻浆断面注胶前后无砟轨道路基结构各层垂向振动位移进行对比，得到列车以280 km/h速度通过时无砟轨道路基各结构层振动位移幅值分布规律，如图9所示。

图9 无砟轨道路基各结构层动位移幅值均值分布

由图9可知，基床翻浆注胶加固明显改变无砟轨道路基空间层状结构体系垂向振动位移的幅值、分布规律，轨道板、底座板振动位移减少，路基封闭层振动位移增加，而路肩位置处振动位移幅值变化不大。轨道板动位移幅值从0.71 mm减至0.45 mm，减少36.7%；底座板动位移幅值从0.31 mm减至0.16 mm，减少48.4%；路基封闭层动位移幅值从0.10 mm增至0.15 mm，增大50.0%。由于路肩位置距离列车荷载激励源较远，受振动波影响较小，基床翻浆注胶加固前后其动位移幅值基本不变。无砟轨道空间层状结构体系中轨道板、底座板、路基面和路肩位置振动位移均值比在注胶加固前后分别为10.1∶4.4∶1.4∶1和9∶3.2∶3∶1，表明注胶加固使底座板与基床表层顶面接触更加均匀，在列车荷载激励下，注胶后底座板与路基面振动位移幅值较接近。

胶体注入细颗粒流失的级配碎石结构空隙，路基支撑刚度提高；胶体填充无砟轨道路基接触层脱空区，底座板-基床表层接触状态均匀，上述两方面功能，使经注胶整治的基床恢复其参振耗能功能。在高速移动列车冲击荷载的作用下，振动波从底座板到路基面的传递函数增大，路基面振动位移增加，轨道板和底座板振动位移减少，列车对无砟轨道动态作用的强度减弱。其中，底座板动位移减少幅度较大，是基床翻浆注胶加固影响较大的结构层。由此可见，从振动位移动力学响应指标角度，注胶加固对基床翻浆段无砟轨道路基的整治效果较明显。

振动加速度是判断振动强弱、评价振动特性及衡量结构破坏的重要参数，无砟轨道上部结构振动加速度过大严重影响列车舒适性和安全性。表2为基床翻浆注胶加固前后列车不同速度下无砟轨道路基各结构层振动加速度变化规律。

表2 无砟轨道路基振动加速度变化规律

由表2可知：

(1)注胶加固后，无砟轨道路基空间层状结构体系中轨道板、底座板、路基封闭层振动加速度均值明显减少，路肩位置处变化较小。当列车速度为240 km/h 时，轨道板振动加速度均值从4.23 m/s2减至3.14 m/s2，减少25.8%，底座板振动加速度均值从2.64 m/s2减至1.04 m/s2，减少60.6%；当列车速度为280 km/h 时，轨道板振动加速度均值从5.21 m/s2减至3.26 m/s2，减少37.4%，底座板振动加速度均值从3.44 m/s2减至1.13 m/s2，减少67.2%，由此可知，基床翻浆注胶加固明显改善了底座板的受力状态。

(2)基床翻浆条件下，当车速从240 km/h增大到280 km/h 时，轨道板振动加速度均值从4.23 m/s2增至5.21 m/s2，增大23.2%，经注胶加固后，轨道板振动加速度均值从3.14 m/s2增至3.26 m/s2，增幅仅为3.8%；底座板振动加速度均值增幅由30.3%变为8.6%；路基面振动加速度均值增幅由39.4%变为22.4%，说明基床翻浆注胶加固可降低列车速度对无砟轨道路基振动特性的影响。

(3)注胶加固后，列车运行速度在240 km/h到280 km/h之间，底座板振动加速度的衰减率为65.3%～66.9%，至路基层，路基面振动加速度的衰减率为78.2%～81.5%。基床翻浆注胶加固后，路基恢复了对无砟轨道结构的支承作用及参振耗能功能，使振动能量垂向传递在轨道板-底座板层间衰减较多，同时改变了无砟轨道路基的传力路径，振动波垂向衰减速率加大，无砟轨道路基整体振动特征明显改善。

对基床翻浆断面注胶前后无砟轨道路基结构各层垂向振动速度进行对比，得到不同列车运营速度下无砟轨道路基各结构层振动速度均值分布规律，如图10所示。

图10 无砟轨道路基各结构层振动速度均值分布

由图10可知，注胶加固后，无砟轨道路基空间层状结构体系中轨道板、底座板振动速度均值大幅度减少，当车速为280 km/h 时，轨道板振动速度均值从20.15 mm/s减至10.91 mm/s，减少45.8%，底座板振动速度均值从16.24 mm/s减至4.49 mm/s，减少72.4%；路基面和路肩位置振动速度均值变化不大。由此可见，基床翻浆注胶加固对无砟轨道路基振动加速度和振动速度影响规律基本一致，基于振动加速度和振动速度动力学响应指标，无砟轨道路基翻浆注胶整治效果较明显。

综上 ，基床翻浆经注胶加固后，无砟轨道路基结构层各动力响应指标值大幅减小，整治效果较明显。对比基床质量完好段无砟轨道路基动力响应[19]，数值较接近，注胶整治满足工程要求。

3 结论

针对高速铁路无砟轨道路基翻浆病害，本文对其翻浆原理及注胶整治工艺进行分析，在沪宁城际路基翻浆注胶加固前后分别进行实车测试，基于测试分析结果，得出以下结论：

(1)基床翻浆条件下不同行车速度对轨道板动位移影响明显，对其下部底座板、路基面以及路肩位置的动位移影响较小，车速从240 km/h增加到280 km/h，轨道板动位移增大85.4%；底座板动位移增大19.7%，路基面和路肩处动位移受列车速度影响较小，仅有小幅增加。

(2)基床翻浆注胶加固后，路基支撑刚度提高，与底座板接触状态均匀，使基床恢复其参振耗能功能，振动波从底座板到路基面的传递函数增大，路基面振动位移增加，轨道板和底座板振动位移减少，其中，底座板振动位移减少幅度较大，车速280 km/h 时，动位移均值从0.31 mm减至0.16 mm，减少48.4%，是基床翻浆注胶加固影响较大的结构层，注胶整治使无砟轨道结构振动位移响应改善较明显。

(3)注胶加固后，无砟轨道路基空间层状结构体系中轨道板、底座板振动速度和振动加速度均值大幅减少，振动能量垂向传递衰减速率加大，明显改善了无砟轨道结构的振动状态，基于振动速度、振动加速度动力学响应指标分析，无砟轨道基床翻浆注胶整治效果较明显。

(4)列车速度从240 km/h增大到280 km/h ，基床翻浆条件下轨道板振动加速度均值从4.23 m/s2增至5.21 m/s2，增大23.2%，注胶加固后轨道板振动加速度均值从3.14 m/s2增至3.26 m/s2，增幅仅为3.8%；底座板振动加速度均值增幅由30.3%变为8.6%；路基面振动加速度均值增幅由39.4%变为22.4%，说明基床翻浆注胶加固可降低列车速度对无砟轨道路基振动特性的影响，整治效果较明显。

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