快速修复CRTSⅠ型板式轨道沉降的抬板叠灌法

王　涛，李海燕，邵丕彦，吴韶亮，刘子科，杨荣山

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京　100081；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)

CRTSⅠ型板式无砟轨道是我国高速铁路建设的主型结构之一，具有结构简单、传力机理明确、施工快捷等特点，在国内外均有较多的应用[1-2]。从已开通运营的高铁线路现场调研看，我国无砟轨道总体使用情况良好，但在列车荷载和自然环境因素的长期作用下，当前已有路基地段出现道床沉降病害，存在安全隐患，需进行整治修复[3-4]。

目前整治CRTSⅠ型板式无砟轨道沉降超限[5-7]的方法有路基注浆抬升法、板下袋装灌注快硬水泥砂浆法和板下树脂填充法等，这些方法虽然在理论上能满足现行维修规程的要求，但各存在以下不足：注浆需打孔且注入材料不能取出；快硬水泥砂浆的强度与弹性模量远高于原CA砂浆，两者的力学性能难以匹配；板下树脂填充法虽然在急需整治的地段有工程应用，但所用树脂材料的价格高、施工环境要求严格、四周封闭工序耗时长、存放还需做好防火措施等。

根据CRTSⅠ型板式无砟轨道的单元结构特点，本文提出快速修复板式轨道沉降的抬板叠灌法，即抬升轨道板至目标高度，在原砂浆层上铺设灌注袋，再灌注特种快硬CA砂浆[8]，从而实现CRTSⅠ型板式无砟轨道的沉降病害快速修复。该快硬CA砂浆的弹性模量、抗压强度等力学性能不但与原有砂浆匹配，且相对省时、省人力，可大幅节省沉降维修成本，其关键难点在于快硬CA砂浆的制备和薄层快速叠灌技术。本文采用现场试验与仿真分析结合的方法，研究快硬CA砂浆的性能、灌注工艺以及抬板叠灌法的可靠性。

1　快硬CA砂浆的制备

相比其他充填层材料，CRTSⅠ型板式无砟轨道充填层原有CA砂浆的弹性模量较低，具有一定减振性能，这主要是因为该砂浆的配合比中乳化沥青的用量占比较大。为确保快硬CA砂浆的弹性模量与原有充填层CA砂浆的匹配，仍保持原有CA砂浆的配合比不变，选用特制的专用乳化沥青和特种干料进行快硬CA砂浆的制备。快硬CA砂浆各种材料的单位体积用量见表1。其中，特制的专用乳化沥青为阳离子型，固含量60%；特种干料的硬化速度较快，能与专用乳化沥青制备出2 h抗压强度达0.2 MPa以上的快硬CA砂浆；促硬剂为实验室自制；消泡剂为有机硅类；引气剂为松香类。

表1　快硬CA砂浆单位体积用量　kg·m-3

叠灌用快硬CA砂浆采用南方路机砂浆搅拌车制备，搅拌工艺为:先加水、乳化沥青、消泡剂，以30 r·min-1的转速搅拌60 s；再加干料，以80 r·min-1的转速搅拌60 s；最后加引气剂， 以120 r·min-1的高转速搅拌120 s，再以30 r·min-1的转速搅拌30 s，砂浆制备完成。

2　叠灌工艺

以尺寸最大的P4962型轨道板为例阐明叠灌工艺。假定路基沉降后，P4962型轨道板的抬高量目标值为10 mm(文献[9]表明不需要加高凸台)。先将轨道板抬高约20 mm，塞入灌注袋并铺好，再将轨道板落下10 mm，通过精调控制轨道板底部与原砂浆层间的空腔厚度为10 mm，完成铺袋。

将砂浆车中的快硬CA砂浆拌和物送入泵送设备的料斗中，通过砂浆泵和管道运送拌和物，泵管的出口直接与灌注袋口相连，进行灌注。

3　快硬CA砂浆性能与灌注质量现场试验研究

由于快硬CA砂浆的凝结硬化速度快，短期水化放热量大，因此泵送时由于与管道的摩擦，理论上会使砂浆升温，可能影响其性能。分别在泵送设备料斗中和泵管出口处取样(同一锅砂浆)，测试快硬CA砂浆拌和物的性能(流动度、含气量、密度、温度等)；成型试样在同条件养护后，测试快硬CA砂浆的分离度、膨胀率、2 h抗压强度等指标。叠灌结束2 h后，沿无砟轨道板的四周查看叠灌的快硬CA砂浆的硬化状态及饱满程度，并通过揭板检查快硬CA砂浆的表面和断面情况，评价叠灌的效果。

3.1　快硬CA砂浆的性能

在环境温度为30 ℃的条件下未泵送和经水平泵送80 m的快硬CA砂浆拌和物及硬化后的性能及现行技术条件[10]分别见表2和表3。

从表2和表3可以看出，泵送前后快硬CA砂浆拌和物的性能和硬化后性能均符合现行技术条件的要求。

表2表明，经80 m水平距离泵送后，新拌快硬CA砂浆的性能未受影响，其流动度、含气量、密度、温度和泌水率5项指标基本稳定。快硬CA砂浆出搅拌机的温度比环境温度高2.5 ℃，原因在于快硬CA砂浆的初始水化放热快而导致其温度上升，而当缓凝组分发挥作用后，大幅减缓了水化速度，抑制了放热与温升；快硬CA砂浆泵送后，相比出机温度反而略有降低，原因可能在于泵送前管道的温度基本与环境一致，低于砂浆的出机温度，经过泵送，两者热量交换，使砂浆温度略降低，这也说明在短时间内泵送少量的快硬CA砂浆时，可忽略管壁摩擦对砂浆升温的影响，但另一方面，若管道长时间连续泵送快硬CA砂浆，其与管壁的摩擦升温可能会加速快硬砂浆的水化，从而降低其可泵性。

表2未泵送和经水平泵送80m的快硬CA砂浆拌和物性能及现行技术条件

工况流动度/s含气量/%密度/(kg·m-3)温度/℃泌水率/%未泵送1968616103250经水平泵送80m2048616103220技术条件要求18～268～12>13005～400

表3未泵送和经水平泵送80m的快硬CA砂浆硬化后性能及现行技术条件

工况分离度/%膨胀率/%抗压强度/MPa未泵送041802(2h)经水平泵送80m041802(2h)技术条件要求<1010～30>01(1d)

表3表明，泵送前后快硬CA砂浆的分离度、膨胀率和抗压强度3项指标均相同，且2 h抗压强度均达到0.2 MPa，按相关维修标准要求，有可能在4 h天窗时间内完成抬板叠灌修复轨道沉降的作业。

3.2　快硬CA砂浆的叠灌质量

按现行的灌注漏斗法施工工艺，将快硬CA砂浆泵送至灌注漏斗中，打开阀门开始灌注，砂浆灌注缓慢，经10 min只填充P4962型轨道板下面积约1/3，而此时漏斗中砂浆已装满(液位高差约1.3 m)，且灌注漏斗中的砂浆流动性良好，但就是不能继续灌入袋中，原因在于板腔变薄后，漏斗中的砂浆液面水头压力不够，因而，叠灌10 mm厚的板腔时不宜采用漏斗自流灌注，应增加砂浆压力进行薄层叠灌。

将泵管出口直接与灌注袋口连接，借助砂浆泵增加快硬CA砂浆的充填动力，直接泵送CA砂浆到灌注袋中，仅用约1 min即可灌注完轨道板下10 mm厚的薄层空腔，叠灌情况如图1所示，经检查，叠灌砂浆四周饱满。揭板效果如图2所示。

图1　叠灌施工情况

图2　叠灌砂浆断面

砂浆揭板表面平整、无起皮，颜色均匀、无沉砂，断面厚度约10 mm，揭板质量良好。

通过直接泵送入袋的方式，快硬CA砂浆可填充厚度为10 mm的薄层叠灌板腔，且灌注速度快，能保证出浆口与四角饱满，机械化程度高，节省人力和物力。

泵送叠灌工艺施工简便快捷、充填饱满、揭板效果好、且适应于厚度小的薄层板腔灌注，可用于CRTSⅠ型轨道结构沉降超限时的快速整治修复。相比有机树脂材料，快硬CA砂浆主要用特种水泥和乳化沥青制成，可大幅降低原材料成本，且配比与原垫层的CA砂浆相同，力学性能也与原垫层砂浆的CA相匹配。

4　快硬CA砂浆使用性能研究

为了验证叠灌法快速修复板式轨道2 h后可满足通车要求，且相对薄弱的快硬CA砂浆不会开裂破损，运用ANSYS软件建模分析。

考虑叠灌方式的“双充填层”结构，采用弹性地基梁体模型理论建立CRTSⅠ梁体模型，轨道板、底座板、砂浆用实体单元模拟，钢轨、扣件、轨道板等轨道结构部件间通过弹性元件连接，钢轨等效为无限长支点梁、扣件等效成弹性元件，利用ANSYS有限元分析软件建立3块轨道板长度的CRTSⅠ型板式无砟轨道实体模型, 如图3所示。分析叠灌快修砂浆2 h硬化后，列车荷载和温度梯度对叠灌砂浆层的影响。考虑轨道板、快硬CA砂浆层与原CA砂浆层之间的滑移和摩擦，摩擦系数取0.3，叠灌快硬CA砂浆弹性模量取200 MPa，原CA砂浆弹性模量取300 MPa；计算时列车的垂向荷载取常用轮载150 kN，按单轴双轮逐次加载，加载位置位于扣件上方。

图3　CRTSⅠ型板式轨道实体模型

4.1　列车垂向荷载的单独作用

在列车垂向荷载的单独作用下，10 mm厚叠灌快硬CA砂浆层的最大垂向压应力、剪切应力、横向拉应力以及纵向和横向位移如图4—图7所示。

图4　砂浆层最大垂向压应力

图5　砂浆层最大剪切应力

图6　砂浆层最大纵向和横向位移

图7　砂浆层最大纵向和横向拉应力

由图4和图5可知，荷载传递到快硬砂浆层和原有砂浆层时，两层的受力均匀，快硬砂浆层受到的最大垂向压应力为130.22～130.82 kPa，原砂浆层受到的最大垂向压应力为123.54～124.26 kPa，快硬砂浆层和原砂浆层的最大剪切应力仅为5～15 kPa，均较低。由图6可知，在列车垂向荷载作用下，砂浆层的最大纵向和横向位移仅为4.3～7.4 μm。由图7可知，在列车垂向荷载作用下，砂浆层的纵向和横向最大拉应力为0.8～2.6 kPa，板中砂浆层下表面受弯产生的拉应力最大，但远低于快硬砂浆2 h强度0.2 MPa，叠灌快硬砂浆层不会开裂破损。

4.2　砂浆层厚度对轨道的受力影响

根据文献[4]中的调查结果显示，道床沉降超过26 mm的较多，也有超过50 mm的情况。考虑极端沉降，分别取叠灌快硬砂浆厚度为30，50，80和100 mm，在列车垂向荷载作用下，叠灌快硬砂浆层厚度对其受力影响如图8所示，计算时垂向荷载采用静轮载的设计荷载值300 kN。

由图8可见，当快硬砂浆层厚度由30 mm增加到100 mm时，随快硬砂浆层厚度的增加，快硬砂浆自身所受的垂向压应力随荷载位置的改变而发生较大幅度的变化，最大的压应力最大值为344 kPa，最小的压应力最大值为287 kPa，变化幅度为19.86%，且最大、最小值的位置也随之变化。由此可见，随快硬砂浆厚度的增加，轨道板和快硬砂浆层各处受力的差异增大，这不利于其受力的均匀分配，在疲劳荷载的作用下易于发生局部破坏。静力计算表明，快硬砂浆层厚度越小，对轨道受力越有利。

图8　快硬砂浆层不同厚度时其最大垂向压应力

4.3　正温度梯度和列车垂向荷载作用

假设中间轨道板进行了快硬砂浆叠灌修复，相邻2轨道板未进行叠灌修复，分别取叠灌快修砂浆弹性模量为150和200 MPa，原砂浆弹性模量为300 MPa，施加温度荷载为45 ℃·m-1的正温度梯度和150 kN的常用轮载。正温度梯度与列车荷载共同作用下，10 mm厚叠灌快硬CA砂浆层的最大垂向压应力和剪切应力如图9和图10所示。

图9　温度及列车荷载作用下砂浆层的最大垂向压应力

由图9可知，砂浆层的垂向压应力随砂浆层弹性模量的增大而增大，在列车垂向荷载和正温度梯度共同作用下快硬砂浆层的垂向压应力最大为133 kPa，原CA砂浆层的垂向压应力最大为168 kPa，因而，温度梯度对砂浆层垂向压应力的影响较大，且砂浆层的最大垂向压应力出现在板角处。

由图10可知，在温度梯度、列车垂向荷载的作用下，快硬砂浆层的最大剪切应力远小于其粘结强度。

图10　温度及列车荷载作用下砂浆层最大剪切应力

另外，在列车荷载横向力的作用下，荷载传递到快硬砂浆层和原砂浆层时，绝大部分已经被轨道板和凸台抵消，砂浆层受力很小，2层砂浆受力均匀，列车的荷载横向力对砂浆层的剪切应力作用也十分有限。在制动力的作用下，当列车荷载作用于板端时，凸台周围轨道板的局部拉、压应力大于轨

道板的其余部分，计算结果表明，制动力对轨道稳定性的影响可忽略不计。

5　结　论

(1) 快硬CA砂浆的配比以及弹性模量、抗压强度等力学性能与原有砂浆一致和匹配，2 h的抗压强度达0.2 MPa，泵送前后性能无明显变化，质量稳定，相比有机树脂维修材料，可大幅降低原材料成本。

(2) 厚度10 mm的薄层板腔，仅依靠砂浆自重流入不能叠灌饱满，而采用泵送直接叠灌方式可在1 min内快速充填饱满。揭板检查砂浆表面无起皮，断面均匀，质量良好，泵送叠灌方式可大幅节省抬板维修时间。

(3) 温度梯度影响砂浆层的垂向压应力，而叠灌快硬砂浆使整个砂浆层的弹性模量降低，其受到的垂向压应力减小，有利于砂浆层承受较高的温度梯度，减轻由温度梯度造成的砂浆伤损。

(4) 直接在原砂浆层上叠灌的快硬CA砂浆时，轨道结构的受力和位移均能够达到正常投入使用的标准，快硬砂浆层的受力远小于其极限强度，抬板叠灌快硬CA砂浆方法可用于板式轨道路基沉降的整治修复。

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