铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用

王红

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用

王红

(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

道床弹性固化技术是解决有砟轨道稳定性差、养护维修工作量大，以及高速铁路飞砟等问题的主要技术途径。论文介绍了聚氨酯材料道砟粘结和固化道床技术的作用机理、发展历史、试验研究及应用现状，分析了两种道砟固化技术在我国高速和重载铁路上的应用范围、前景和发展方向。

有砟轨道 道砟粘结 固化道床 聚氨酯

铁路有砟道床的固化，是在碎石道床满足相关设计施工标准后灌注或喷洒固化材料，将散粒体道床固结成整体结构的过程。有砟道床的固化主要经历了刚性固化和弹性固化两个阶段。刚性固化采用的是水泥砂浆材料，已逐步被无砟轨道替代;弹性固化主要采用沥青、环氧树脂和聚氨酯材料。

沥青固化材料包括热沥青、乳化沥青水泥砂浆或乳化沥青橡胶水泥砂浆等，固化深度为轨枕底面下60 mm或全部道床，固化后道床上半部分或全部为整体，变形小，稳定性好，能防止雨水侵入，可以改善道床工作状态，大幅度降低养护维修作业。但是，沥青固化道床改变了有砟道床的基本功能，可维修性差，服役寿命短。

环氧树脂材料的应用主要是防止道砟飞散，日本在东海道新干线开通运营后进行了试验和应用，我国在秦沈客运专线进行了试验。但由于环氧树脂韧性和耐冲击损伤能力差、易脆性破坏，实际应用很少［1］。

聚氨酯作为当今六大合成材料之一，其优异的物理力学性能、良好的环境适应性和耐久性，使其在各个领域都获得广泛的应用，也成为有砟道床固化的主要材料和发展方向。目前用于道砟粘结和固化的聚氨酯材料主要是由多异氰酸酯(A组分)与聚合物多元醇(B组分)通过共价键形成空间网络结构，其A组分多由一种或多种单、双(或)多异氰酸酯单体、聚合物和预聚体组合而成;B组分由一种或多种聚醚(酯)多元醇、催化剂、发泡剂、扩链剂、抗氧化剂、填料等构成。根据目标产品的性能要求，选择不同的双组分体系，经物理共混、扩链反应、凝胶(或)起泡、固化成型等过程，借助快速反应聚氨酯(PUR)体系、反应注射成型(RIM)法等，在道砟上或道砟间形成聚氨酯半硬质泡沫或聚氨酯弹性体材料，实现对道砟粘结和固化［2-4］。为此，论文不再对聚氨酯固化材料的发展情况进行介绍，主要对国内外有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用现状进行分析，对其在我国铁路中的应用前景提出建议。

1 道砟粘接技术

道砟粘结起始于道床的表面粘结，目的是将道床表面道砟粘结成一个整体，防止道砟飞散;随后逐步发展成提高道床稳定性和刚度均匀过渡的结构粘结。

1.1 道砟粘结的作用机理及特点

如图1所示，道砟粘结技术特别强调在道砟的表面和接触点上进行粘结，而不是注入到道砟的空隙中。可以看出，道砟粘结的机理比较简单，当道砟胶在道床内流动和渗透时，道床变成了由胶体网络构成的大小不等的包裹体。包裹体既提高了道床的整体性能，使道床的抗变形能力、支承刚度和轨道纵横向阻力均大大增加，又能够通过包裹体内道砟颗粒和包裹体间的微调整，改变轨道力学特性。

图1 道砟粘结机理

根据道砟粘结的机理，道砟粘结道床主要具有以下特点:

1)道砟粘结以后，轨枕底部、枕间及砟肩的道砟与轨枕粘结在一起，有利于增加道床的纵横向阻力，减少道床变形，提高道床稳定性。

2)道砟粘结约束了碎石道砟的位移，增加了道床的整体性能，使道床刚度有所增加。利用这一特性，可以在刚度过渡区域通过调整道砟粘结厚度或道砟胶用量，实现刚度的均匀变化。

3)道砟粘结不影响道床的排水功能。

1.2 道砟粘结技术的试验研究

聚氨酯材料在道砟粘结技术中的应用首先出现在英国。1999年英国Heriot-Watt大学提出三维粘结概念，2000年申请了XiTRACK相关专利技术，2005年获得英国国家铁路年度发明最高奖［5］。XiTRACK技术成功地将固化材料与固化结构结合起来，研发了5根轨枕范围内固化道床的加速疲劳试验装置［6］，建立了三维有限元计算模型，并将其发展成为固化道床信息化施工平台，能够结合现场条件确定施工作业要求［7-9］。Heriot-Watt大学的试验结果表明，道床在相同密实度下，粘结道床承受的破坏荷载与粘结材料用量呈二次多项式关系，说明粘结材料的用量有一个合理的范围;粘结道床的垂向刚度、钢轨传递到轨枕上的力、道床沉降、钢轨弯矩与粘结材料用量和道床粘结厚度呈线性关系，粘结材料用量和粘结厚度越大，道床的垂向刚度和钢轨传递到轨枕上的力越大，道床沉降和钢轨弯矩则越小;道砟未粘结时在10万次循环荷载作用下已发生沉降变形近50 mm，道砟粘结以后在50万次循环作用后道床几乎没有发生沉降变形(图2);采用道砟粘结技术后，道床振动加速度显著降低(图3)。

图2 道砟粘结对道床沉降的影响

我国对聚氨酯道砟粘结技术开展的试验结果表明［10］，在一定的道砟胶用量下，如果枕底、枕间及砟肩都喷洒道砟胶，道床纵向阻力可以提高8.5倍左右，横向阻力可以提高17.4倍左右，卸载后5 min内可以恢复轨枕位移的90%左右，而没有喷胶的道床轨枕位移2 mm后出现滑动，并且位移不可逆;道床支承刚度与竖向力线性相关，当竖向力为140 kN，支承刚度可以提高37.6%，卸载后5 min内轨枕位移可以恢复90%左右。可见，道砟粘结有利于减少残余变形。大秦铁路试验研究表明［11］，道砟粘结以后，道床的下沉量比普通道床减少约90%，并使线路纵横向阻力提高1.5～2.0倍，排水性能也得到了改善;钢轨加速度降低5.2%～8.7%、轨枕加速度降低60%、道砟加速度降低30%，钢轨、轨枕、道砟结合良好，刚度匹配均匀，改善了道床弹性和机车车辆、钢轨、轨枕的工作条件，延长了道砟和钢轨的使用寿命。

图3 道砟粘结前后道床振动加速度

图4 路隧有砟—无砟轨道过渡段道砟粘结对道床支承刚度的影响

我国对无砟—有砟轨道过渡段十分重视，对有砟道床进行粘结时一般分为3个区段，邻近无砟轨道采用全断面粘结，随后依次为粘结2/3厚度及粘结1/3厚度。道砟粘结长度及粘结区内3个区段的划分根据运输条件确定。图4为在山西中南部铁路通道一隧道内无砟轨道—路基上有砟轨道过渡段进行的道砟粘结试验测试结果［12］，无砟轨道为弹性支承块式，列车轴重30 t，牵引质量1.2万t，试验速度100 km/h，过渡段长度20 m左右，3个区段长度相同。可以看出，胶结前散粒体道床的支承刚度60 kN/mm左右，胶结2 d后道床支承刚度明显增大，4个月以后达到稳定，3种粘结厚度的道床支承刚度分别为散粒体道床的2.3倍、1.6倍和1.3倍，实现了无砟轨道到有砟轨道的分级过渡。图5为过渡段内钢轨垂向位移测试结果，在有砟轨道范围内位移变化是均匀的，表明轨道的动态刚度过渡也是均匀的，有砟和无砟轨道的差异主要是由于其扣件刚度不同，以及无砟轨道弹性支承块下的套靴刚度比较小。

图5 过渡段内钢轨垂向位移测试结果

1.3 道砟粘结技术的应用

英国研发了XiTRACK技术以后，在铁路上进行了推广应用［5-9，13-16］。2000年在其西海岸主线的一个道岔区进行了道砟粘结，到2010年还没有进行过维修，而粘结之前每隔3个月就要维修一次。2004年，在Purfleet深水码头的一个道口，由于道床破坏可能导致脱轨，因此用两层聚氨酯材料重新施工，在重载下线路稳定，有效地减小了振动。2009年，在东伦敦线路桥过渡段上使用，有效解决了由于轨道刚度不连续引起轨枕下道砟位移致使轨枕吊空的技术难题。同样在西海岸主线，靠近Lancaster的Gravel Hole区段，由于常遇洪水，加上基础较弱，列车通过轨道振动和钢轨位移较大，因此限速运行，但是应用聚氨酯加强道床后，轨道变形和振动明显减小，恢复到了设计速度值。

由于道砟粘结能够保证道床的稳定，减少养护维修工作量，提高经济效益，除英国外，在日本、法国、德国、意大利、匈牙利、克罗地亚等国获得了广泛的应用。其中，应用最多的是线路上的特殊区段，如需改善刚度均匀性的路桥、路隧、道岔前后的过渡段，提高道床稳定性的道岔区，防止横向位移的小半径曲线上，改善其稳定性和耐久性的胶结绝缘接头下(图6)［9］。在这些区段都能够发挥道砟粘结技术的优势。

我国道砟粘结技术在高速铁路无砟轨道与有砟轨道过渡段得到全面应用，从无砟轨道结束端起，有砟轨道的道砟粘结长度一般为45 m，道砟粘结区段分成相同长度的3个区段:枕下、砟肩和轨枕盒内道砟全部粘结，枕下和砟肩道砟粘结，枕下道砟粘结［17-18］。

结构粘结技术首次在高速铁路上的应用是在布鲁塞尔—科隆高速铁路线上比利时列日(Liege)附近Chenee桥的重建，桥分两边施工，先建一边，保持另外一边旧桥通车;先建的一边建好通车后，再拆除一边的旧桥进行建设。由于新桥、旧桥都存在一边施工，一边行车的情况，为解决列车通过时道床稳定问题，对道床进行了结构粘结，确保了行车安全。匈牙利在布达佩斯地铁里进行了结构粘结，由于道床厚度只有5～8 cm，在小半径曲线上如此薄的道床容易产生道砟移动和破碎，轨道几何尺寸难以保持，车辆碰撞隧道壁情况时有发生，采用道砟粘结以后，提高了道床稳定性，上述问题得到很好解决。

图6 结构粘结在特殊地段的应用

2 聚氨酯固化道床技术

2.1 固化道床作用机理及特点

如图7所示，聚氨酯固化道床是在已经达到稳定的新铺碎石道床内灌注聚氨酯材料，使其沿着碎石道床内的空隙渗入道床底部，在道床内产生化学反应，经发泡、膨胀后聚氨酯弹性材料挤满碎石道砟之间的空隙所形成的膨化弹性固结整体道床结构［19］。

图7 聚氨酯固化道床断面形貌

可以看出，聚氨酯道床具有以下特点:

1)聚氨酯固化道床不再是散粒体结构，而是固结的整体结构。在列车冲击、振动荷载作用下，不再有道砟颗粒之间的相对错动及由此而引起的道床残余变形，又因碎石颗粒之间的空隙被处于压缩状态的膨化聚氨酯所填充，起到部分传力的作用，减小了碎石颗粒接触点(面)上的应力，延缓了道砟颗粒的破碎和粉化，从而减少了道床的累积变形。

2)聚氨酯固化道床中挤入道砟颗粒之间的聚氨酯具有弹性，使道砟颗粒之间的联结为柔性联结，因此，聚氨酯固化道床的内部结构可以沿聚氨酯挤压层撕开，而不会造成道砟颗粒的破坏，能够保证聚氨酯固化道床在列车荷载作用下具有良好的弹性。

3)聚氨酯道床和轨枕之间的协调工作状态和碎石道床类似，轨枕和道床之间不是一种完全固结的关系。利用道床的弹性，既可以防止轨底和道床顶面之间的夯拍，又能够在枕底和道床顶面之间填塞或灌注垫层使轨面抬高，进行类似于有砟轨道上的垫砟或吹砟起道作业，因而有较方便的维修条件，满足道床的可维修要求。

2.2 聚氨酯固化道床的试验研究

聚氨酯固化道床在国内外均处于试验研究阶段，2007年至今德国和中国共计铺设10个试验段6 350 m，其中中国从2009年开始，共铺设6个试验段，总长度达到3 595 m，包括武汉天兴洲特大桥225 m、江岸特大桥128 m、铁科院环行道120 m、龙厦铁路程溪特大桥1 322 m、山西中南部铁路通道跨长晋高速公路特大桥700 m和南岭山隧道1 100 m，取得了全面系统的成果［12］。

从技术和经济性两个方面考虑，在轨枕承轨台下一定范围内进行道床固化是合理的，理论分析和现场试验结果表明［20］，承轨台下固化道床顶面最小宽度应不小于850 mm，固化深度宜与道床厚度一致。

现场实测结果表明［12，19］，与散粒体道床相比，桥上和隧道内固化道床轨枕支承刚度分别降低31%和27%，桥上和隧道内固化道床的轨枕横向阻力分别提高21%和59%。

图8 轮轨力纵向分配

固化道床和散粒体道床轮轨力沿线路纵向的分配如图8所示［12］，其中固化道床承受轮轨力的轨枕有6根，散粒体道床只有4根。说明固化道床由于沿线路方向形成了整体结构，与散粒体道床相比，应力扩散角增大，致使固化道床分配距离更远，纵向分配更加均匀，从而使钢轨支点压力降低20%左右，使受力更加合理。

固化道床累积变形规律与碎石道床相似，在循环荷载作用的初期，累积变形迅速增加，然后趋于稳定，表明固化道床也要经历压实及碎石道砟与聚氨酯材料的调整阶段。固化道床的累积变形量很小，预测线路通过总重50亿t时，固化道床累积变形只有21 mm［19］，通过扣件调整基本能够满足养护维修的需要。

2.3 聚氨酯道床固化技术在我国应用前景

客运高速、货运重载是当今铁路发展的方向。截至2014年底，我国高速铁路运营里程已经超过16 000 km，居世界第一位。其中，铺设有砟轨道近11 000 km，主要应用在250 km/h高速铁路除6 km以上隧道外的所有线路上、300 km/h及以上高速铁路的特大跨度桥梁和大型站场上。由于有砟轨道的道砟飞散和桥上有砟道床容易产生液化(道砟出现液体般流动现象)失稳，目前特大桥梁上有砟轨道区段运行速度不超过250 km/h。同时，采用有砟道床的道岔和钢轨伸缩调节器区段道床的变形和钢轨件的移动组合在一起，导致轨道几何状态维持困难，养护维修工作量大幅增加。

我国重载铁路技术目前也处于世界领先水平，大秦铁路2011年年运量已经达到4.4亿t，位居世界第一。全长1 269 km的山西中南部铁路通道于2014年底开通运营，全长1 817 km的蒙西至华中铁路煤运通道于2012年底开工建设，具有线路长、隧道多(占25%以上)、轴重大(设计轴重30 t)的特点。由于重载铁路以有砟轨道为主，随着通过总重的增加，道砟破碎粉化严重，加剧了道床脏污，引起道床弹性降低甚至丧失、排水能力越来越差，从而导致轨道部件伤损、轨道几何尺寸超限、道床板结与翻浆冒泥，养护维修量大幅增加。在重载铁路隧道内，刚性基础上道砟破碎粉化更加严重，粉尘、煤灰污染难以治理，道床恶化速率加快，不仅导致轨道结构伤损，而且会增大传递到隧道基底的荷载和振动，引起隧道的伤损。由于隧道内养护维修环境差，特别是我国先期修建的重载铁路隧道面积不能满足大型清筛机作业要求，道床保持良好状态非常困难，已经严重影响重载运输的效率和安全。

解决高速铁路特大跨度桥上、道岔区、钢轨伸缩调节器区段有砟轨道的稳定性、道砟飞散以及重载铁路隧道内有砟轨道的脏污和弹性问题，最有效的技术途径是道床固化。因此，聚氨酯道床固化技术在我国具有很好的发展前景。

目前聚氨酯固化道床技术发展的方向包括:

1)研究道砟粘结与膨化固结相结合的固化道床结构。充分利用道砟粘结道床的排水性能，无需专门对道床排水进行专门设计;发挥固化道床能够提高道床弹性的性能。

2)研发与聚氨酯固化道床技术相配套的扣件系统。当道砟粘结技术用于无砟—有砟轨道过渡段时，由于无砟轨道扣件弹性比有砟轨道好，在无砟与有砟轨道交界处容易出现刚度的突变，应研发用于有砟轨道道砟粘结区域的扣件系统，实现过渡段刚度的均匀分布。

3)研发低膨胀及受道砟清洁度、温度、湿度影响小的聚氨酯固化材料。通过降低聚氨酯材料的膨胀力，减少施工对轨道平顺性的影响，取消保压措施;研发多适应性聚氨酯材料，降低对道砟清洁度要求，取消烘干措施。

4)研发烘干、浇注工序分开且轻便的单元式施工设备。目前聚氨酯固化道床施工设备需要在7辆平车上装载，在运营线路上施工效率低、制约因素多。可将烘干和浇注工序分开，研究单元式施工设备，实现在天窗点内高效率作业。

5)研究简单可行且经济的养护维修技术。由于道砟粘结和固化道床的整体性，且缺乏养护维修的经验，需要针对动态静态变化和突发情况，研究相应的养护维修方法。

3 结语

聚氨酯道砟粘结技术和固化道床技术均具有提高道床纵横向阻力和稳定性、减少道床累积变形的优点，又各具一定的优势和适用范围。其中，道砟粘结不影响道床的排水，施工设备和工艺简单，可应用于过渡段、平交道口、道岔及钢轨伸缩调节器区段等特殊区域;固化道床能够改善道床弹性，其整体结构有利于防止污染物侵入，可重点应用于高速铁路桥梁和道岔、钢轨伸缩调节器区段及重载铁路隧道内。由于两种技术受聚氨酯材料性能的影响较大，且在我国应用时间不长，因此，需要在材料研究和两种技术的融合上进一步深化，并结合试验段，开展长期观测，掌握其性能变化规律，为优化固化材料性能和养护维修提供依据。

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Development and application of polyurethane solidified technology used for railway ballast bed

WANG Hong
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Elastic curing technology for ballast bed is the main technical approach for solving poor stability and large maintenance and repair workload of ballasted track．T his paper introduced mechanism，development history，experiment and applications of Polyurethane ballast bonding and curing ballast bed technology and analyzed the application scope，prospect and development direction of two kinds of ballast bonding technology in Chinese high speed and heavy haul railway．

Ballasted track;Ballast bonding;Curing ballast bed;Polyurethane

U213.7

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．35

1003-1995(2015)04-0135-06

(责任审编葛全红)

2015-02-10;

2015-03-20

铁道部科技研究开发计划项目(2014G002-H)

王红(1968—)，女，辽宁沈阳人，副研究员。