板式无砟轨道路基翻浆及整修对轨道不平顺的影响研究

杨飞，王涛，杨建锋，尹峰

(1．中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081;2．中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081; 3．上海铁路局工务处，上海200071)

板式无砟轨道路基翻浆及整修对轨道不平顺的影响研究

杨飞1，王涛2，杨建锋3，尹峰1

(1．中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，北京100081;2．中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081; 3．上海铁路局工务处，上海200071)

针对沪宁城际无砟轨道出现的路基翻浆冒泥病害，首先分析了其产生的原因，阐述了常用的注胶整治方法;然后对轨道质量指数(TQI)及其与各项参数的相关性、车体加速度幅值和功率谱变化进行了分析。分析结果表明:TQI数值较高区段都存在路基翻浆冒泥病害;注胶整修确实对轨道的不平顺性起一定改善作用，但整修后期有一定的反弹;路基翻浆主要影响轨面的垂向不平顺，这是由于从混凝土底座的伸缩缝处或从封闭层与混凝土底座缝隙间不断流出泥浆造成了混凝土底座空吊;维修整治后车体的垂向加速度幅值有所减小，维修整治主要改善了40～50 m波段的中长波轨道不平顺。

高速铁路;翻浆冒泥;注胶整治;轨道质量指数;轨道不平顺

路基翻浆是近年高速铁路无砟轨道路基出现的特殊病害形式。路基翻浆会引起纵向上基础刚度不均匀，造成无砟轨道差异沉降，影响轨道的平顺性，从而降低列车运行的安全性和舒适性。如果不及时整修，还会加剧路基的破坏。国内有许多学者都对路基翻浆产生的原因和危害进行了研究。如潘振华［1］分析了无砟轨道路基翻浆的原因和整治措施，发现翻浆的主要原因为底座板-基床表层离缝并扩展、基床表层排水不良等;张文超等［2］对沪宁城际路基振动特性进行了测试，发现路基翻浆段无砟轨道底座板振动加速度明显高于完好区段;刘亭等［3］研究发现，路基注胶加固后轨道板和底座板的振动位移、振动加速度值大幅减少;李杰［4］针对无砟轨道路基翻浆病害采用注胶法整治，效果明显。但目前未见到路基翻浆和整修前后对轨道不平顺影响的研究。

综合检测列车执行全路高铁的周期性轨道几何状态检测，在沪宁城际开通运行后逐渐发现了路基翻浆病害，并且已影响到了轨面不平顺。有些区段如K235的轨道质量指数(TQI)已超过规定的维修标准。本文针对沪宁城际翻浆区段，先分析路基翻浆的成因和注胶整治方法，然后对路基翻浆和整修后对轨道不平顺的影响进行研究。

1　病害现象及成因

沪宁城际路基翻浆冒泥主要出现在K111+910—K283+900段，总长度共计76.2 km，范围较广，大多数发生在混凝土底座伸缩缝两端5 m范围内，铺设框架轨道板地段较为严重。路肩上流淌或堆积着由水与碎石垫层细颗粒混合而成的泥浆，路肩及两线间均存在渗出灰白色泥状物现象，严重处渗出物厚达10～50 mm，个别处所泥状物被抽吸至轨道板表面。见图1。

图1　现场翻浆病害

沪宁城际处于南方多雨环境，加上一些混凝土底座间伸缩缝宽度不符合标准或未进行有效封闭，在冬季混凝土底座因收缩产生缝隙，使雨水渗入级配碎石层中，导致基床表层含水较多，同时基床两侧表面混凝土封闭层高于级配碎石层，导致雨水排泄不畅。级配碎石层中自由水在高速列车重复动荷载作用下，具有较高动水压力，混凝土底座对基床表层的反复抽吸引起级配碎石与底座板间泥浆溢出，出现翻浆现象。长期作用会造成基床表层细颗粒流失，结构松散，直至混凝土底座离缝或空吊，严重降低路基长期性能和列车运营品质，因此必须加以整治。

2　整治方法

路基翻浆冒泥的整治方法一般包括封堵地表水、疏排地表水以及注胶填充混凝土底座吊空处等［5-8］。其中，注胶填充整修流程为:①使用冲击钻在混凝土底座每间隔50 cm距离打直径8 mm注胶孔至表层级配碎石;②在混凝土底座与封闭层连接位置打孔，用于排气和排料，如已有离缝可不用打孔，见图2;③插入直径6 mm尼龙注胶管，注胶管外侧和支承层上部涂抹密封胶;④待密封胶固化后，将注胶管与注胶机连接，开始注胶。胶液为固化快速的聚氨酯材料，直至相邻注胶管或者封闭层排气孔出料为止。转至下一注胶孔注胶，依次注胶，直至所有注胶管注胶完毕。注胶时，在注胶管左右附近1 m范围内架设水准仪，测量注胶时轨道结构高程变化。如发现有抬起现象，立刻停止注胶。沪宁城际从2012年到2015年总共注胶4 709块，平均每年约1 178块。

图2　注胶孔位置示意

3　轨道不平顺分析

3.1轨道质量指数分析

轨道质量指数(TQI)是指200 m区段的左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑单项参数标准差之和，是反映线路区段平顺性的指标［9］。轨道质量指数按下式计算。

式中:σi为左高低、右高低、左轨向、右轨向、轨距、水平、三角坑的单项参数标准差，mm;N为200 m计算单元采样点的个数;x—i为计算单元中各项目连续采样点峰值xij的算术平均值，mm。高低和轨向标准差采用中波(即波长1.5～42 m)数据进行计算［10-11］。

从2012年全线轨道质量指数(TQI)分布图(图3)可知，K236和K166区段TQI值较高，表明轨道的平顺性较差。根据地面复核可知，这2个区段都出现了路基翻浆冒泥病害。其中，K236区段的翻浆冒泥范围为K234+900—K238+500。此范围的平均TQI时程变化曲线见图4。

图3　2012年全线轨道质量指数(TQI)分布

图4　K234+900—K238+500区段平均TQI时程变化曲线

由图4可知，K234+900—K238+500区段从2010年开通至2013年4月，平均TQI波动，且呈现逐渐增长的趋势，最终超过规定的维修标准5 mm。在2013年4—7月和2014年3—8月，平均TQI有大幅度的降低，通过维修记录可以得知，在这2个时间段都进行了路基翻浆注胶整修。注胶整修确实对轨道的不平顺性起一定改善作用，但整修后期会有一定的反弹，2013年7月至2014年4月、2014年8月至2015年6月TQI的反弹趋势也基本一致，见图5。

TQI是多项参数的总体表征，利用TQI与各项参数的相关性可以分析各项参数对TQI的贡献情况。相关系数是相关性的量化，K234+900—K238+500区段TQI与各项参数的相关系数见表1。相关系数值的含义见表2。

图5　整修后TQI的反弹趋势

表1　TQI与各项参数相关系数

由表1、表2可以得知，K234+900—K238+500区段的平均TQI变化主要是由垂向不平顺(包括高低、水平、三角坑不平顺)变化引起的，说明路基翻浆主要影响轨面的垂向不平顺。这是由于从混凝土底座的伸缩缝处或从封闭层与混凝土底座缝隙间不断流出泥浆造成了混凝土底座空吊。而注胶整修就是填充级配碎石层缝隙及混凝土底座板下的吊空处，以改善底座板与基床表层的接触状态，保持线路的轨道平顺性良好。

垂向不平顺中的高低不平顺波形可以直观反映注胶对轨道不平顺的整治效果［12］。从图6可知，注胶整治后，高低不平顺幅值有明显的降低。

3.2加速度响应分析

轨道不平顺是引起车辆振动的主要原因［13］，因此，可以通过车体加速度来间接反映轨道的平顺性状态。我国检测车车体的垂向加速度频率测量范围一般为0～20 Hz，对应线路的中长波不平顺，而轨道质量指数(TQI)主要是中波高低和轨向不平顺的体现，并不能反映线路长波不平顺的情况，因此还需要利用加速度分析来弥补。垂向加速度幅值的变化直观体现了轨道平顺性的变化，见图7。对垂向加速度功率谱的分析可以反映轨道不平顺波长的特征，见图8。

图6　注胶整治前后高低不平顺变化

图7　维修整治前后车体垂向加速度幅值变化曲线

图8　维修整治前后车体垂向加速度功率谱变化曲线

由图7可知，维修整治后车体的垂向加速度幅值有所减小，说明轨道的不平顺性有所改善。由图8可知，在40～50 m波段的垂向加速度功率谱峰值有所降低，说明维修整治改善了40～50 m波段的中长波轨道不平顺。40～50 m波段的中长波轨道不平顺与路基地段连续两块混凝土底座板的长度相对应。

4　结论

1)板式无砟轨道路基翻浆的主要原因是雨水渗入级配碎石层后排泄不畅，在高速列车重复动荷载作用下混凝土底座对基床表层的反复抽吸造成级配碎石与底座板间泥浆溢出。

2)TQI数值较高区段都存在路基翻浆冒泥病害;注胶整修确实对轨道的不平顺性起一定改善作用，但整修后期有一定的反弹。

3)路基翻浆主要影响轨面的垂向不平顺。其原因是由于从混凝土底座的伸缩缝处或从封闭层与混凝土底座缝隙间不断流出泥浆造成了混凝土底座空吊。

4)维修整治后车体的垂向加速度幅值有所减小，说明轨道的不平顺性有所改善。维修整治主要改善了40～50 m波段的中长波轨道不平顺。

［1］潘振华．沪宁城际铁路路基翻浆原因分析及整治措施研究［J］．铁道建筑，2014(3):74-77．

［2］张文超，苏谦，刘亭，等．基床翻浆条件下无砟轨道路基振动特性研究［J］．岩土力学，2014，35(12):3557-3559．

［3］刘亭，苏谦，赵文辉，等．板式无砟轨道路基翻浆整治效果研究［J］．铁道学报，2015，37(12):89-91．

［4］李杰．注胶法整治某高速铁路无砟轨道路基翻浆病害［J］．路基工程，2015(3):228-231．

［5］潘振华．沪宁城际客运专线搅拌桩复合地基沉降超限整治措施研究［J］．路基工程，2014(3):106-111．

［6］史卫国，阮高，陈风光，等．水泥在改良黏性土路基中的应用研究［J］．铁道建筑，2012(2):53-55．

［7］戴良缘，杨博进，胡持，等．新型轻质注浆材料-PE水泥浆液的应用研究［J］．铁道建筑，2013(11):138-140．

［8］中国铁道科学研究院．基床级配碎石病害整治技术与装备［R］．北京:中国铁道科学研究院，2015．

［9］罗林，张格明，吴旺青，等．轮轨系统轨道不平顺状态的控制［M］．北京:中国铁道出版社，2006．

［10］中国铁道科学研究院．高速铁路轨道不平顺状态试验研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2011．

［11］中国铁道科学研究院．客运专线轨道不平顺波长范围的研究［R］．北京:中国铁道科学研究院，2009．

［12］蒋骞．沪宁城际高速铁路沉降规律分析与路基病害治理措施研究［D］．长沙:中南大学，2014．

［13］陈勋．沪宁城际高速铁路轨道质量指数分布规律研究［J］．铁道标准设计，2013，24(7):1-5．

(责任审编 葛全红)

Research on Inf luence of M ud-Pum ping and Renovation of Slab Ballastless Track Subgrade on Track Irregularity

YANG Fei1，WANG Tao2，YANG Jianfeng3，YIN Feng1
(1．Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3．Permanent Way Division，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

According to the subgrade mud-pumping of ballastless track in Shanghai－Nanjing intercity railway，this paper analyzed the causes of mud-pum ping，put forward the comm on glue injection treatment method，and discussed the track quality index(TQI)and its correlation with various parameters，the acceleration am plitude of train and power spectrum variation．The results show that there are mud-pum ping diseases in area with high TQI value，the glue injection treatment method does improve the track irregularity but there will be some rebound at the late stage of renovation，subgrade mud-pum ping mainly influences the vertical irregularity of the rail surface，which is due to the hollow concrete base caused by mud flowing from expansion joint of concrete base and the gap between the concrete base and sealing layer，the vertical acceleration am plitude of train decreases after maintenance and renovation，which improve the medium-long wave track irregularity with the waveband from 40m to 50m．

High speed railway;Mud-pum ping;Glue injection treatment;Track quality index;Track irregularity

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．34

1003-1995(2016)11-0129-04

2016-07-10;

2016-09-05

中国铁道科学研究院基金(2014YJ020);中国铁路总公司科技研究开发计划(2015G004-A)

杨飞(1985—)，男，助理研究员，硕士。