高速铁路无砟轨道线形纠偏技术进展研究

谭社会

(上海铁路局 工务处，上海 200071)

无砟轨道是我国高速铁路的主要结构形式和发展趋势[1]。因将传统有砟轨道散体道砟的轨下基础改为混凝土结构的整体道床轨下基础，扣件系统成为无砟轨道调整的主要部件，扣件调整量的有限性决定了无砟轨道线路状态调整的局限性。因此，当线路几何状态的修正量超过扣件调整量时，为恢复线路线形进行的养护维修作业难度和养修成本将大大增加[2-3]。轨道线形是指线路中心线的空间位置，由线路平面和纵断面上的直线及曲线组成[4]。因此线形偏移是指轨道平面和高程与设计线形间的偏差。无砟轨道线形偏移主要来自于外部施工干扰、堆载、河流开挖等外部因素。无砟轨道线形发生偏移后，应及时进行养护维修作业使线形恢复平顺性，满足列车运营需求。本文对我国现有的无砟轨道线形纠偏技术进展进行综合论述，在总结各纠偏技术特点及适用范围的基础上，提出无砟轨道线形偏移的预防性措施和纠偏整治建议，以期为我国高速铁路无砟轨道养护维修提供借鉴。

1 无砟轨道线形纠偏的措施

1.1 扣件调整与线形拟合技术

扣件系统是轨道结构的重要部件，具有2个基本作用：一是将钢轨固定在轨道板(道床板)上，防止钢轨纵横向移动，以保持轨道几何状态；二是具有一定的高低、左右调整能力，当线路发生小范围偏移时，可通过扣件调整实现线路线形的修正。无砟轨道主要采用WJ-7型、WJ-8型和W300-1型扣件形式，3种扣件的高低和左右位置调整量[5]见表1。

表1 无砟轨道主要类型扣件调整量Table 1 Adjustment amount of main type rail fastening system on ballastless track

当线路偏移超过扣件调整量时，可采用线形拟合技术结合特殊扣件调整实现线路线形的部分修正[6-8]。高速铁路无砟轨道特殊调整扣件分为线路特殊调整扣件系统和道岔特殊调整扣件系统2类。线路特殊调整扣件系统是指在WJ-7型、WJ-8型扣件基础上采取技术措施，在标准扣件调整范围之外，增加钢轨位置调整量的特殊扣件；道岔特殊调整扣件系统是指改变原道岔标准图或设计图垫板上铁座的位置、铁垫板的垫板厚度和特殊调整扣件系统。

WJ-7型特殊调整扣件的高低、左右调整量分别为-10~+70 mm和±15 mm；WJ-8型特殊调整扣件的高低、左右调整量分别为-10~+60 mm和±8 mm。特殊调整扣件仅用于运营线线路维修中，不宜在新线建设中采用；铺设后一般情况下使用时间为3 a，超过3 a后应进行专项评估；钢轨高低位置调整量超过40 mm时应限速200 km/h及以下运营；另外从安全运营角度考虑，高程特殊调整扣件与平面特殊调整扣件不能共用；特殊调整扣件一般与线形拟合调整纠偏技术结合起来应用。

线形拟合纠偏思路是以平顺性指标作为必要条件，以扣件调整量作为限制条件对线路进行平面拟合和垂向拟合，以满足高铁运营平顺性要求。由于新建高速铁路作业时间相对宽裕，因此，从储备轨道线形平顺性角度考虑，轨道线形拟合方案中采用绝对控制指标，各项控制参数较为严格；而运营高速铁路由于作业环境差、天窗时间有限，在满足高速铁路无砟轨道维修作业验收标准的前提下，轨道线形拟合方案更强调相对控制指标，各项控制参数指标相对宽松。

线形拟合配合特殊调整扣件纠偏技术特点：

1) 技术简单，应用普遍，可应用于路基、桥梁和隧道地段；

2) 除特殊调整扣件外，不需要其他特殊施工设备；

3) 该技术只是利用了设备冗余调整量，并未从根源上整治病害，是一项治标不治本的维修措施，只能作为应急处理，不宜长时间或大范围使用。

1.2 路基地段纠偏

当路基地段线路发生沉降、超过扣件调整量时，应采取相应的纠偏措施对线路线形进行修正。目前路基地段纠偏技术分为2类：机械纠偏技术[9]和注浆纠偏技术[10-11]。

1.2.1 机械纠偏技术

机械纠偏技术是指在无砟轨道底座板上植筋安装锚固件并连接吊杆，在轨道上方相应位置布置分配梁，在轨道外侧分配梁两端布设千斤顶，将吊杆与分配梁连接固定，通过千斤顶顶升分配梁来实现轨道的抬升；或者是在无砟轨道底座板上植筋安装板式构件，在轨道外侧板式构件下布设千斤顶，通过千斤顶顶升板式构件来实现轨道的抬升。轨道抬升后，再通过水平千斤顶进行轨道板的横移。最后在抬升后底座板与基床表层级配碎石间的空隙内灌注无收缩自密实快硬聚合物灌浆材料来恢复基床结构及强度，技术原理如图1所示。

目前，路基地段机械纠偏技术已应用于 CRTSⅠ型、CRTSⅡ型及CRTSⅢ型板式无砟轨道，其中在CRTS I型、CRTS III型板式无砟轨道上应用于高程和平面纠偏，鉴于 CRTSⅡ型为纵连体系，目前在CRTSⅡ型无砟轨道上主要应用于平面纠偏。

图1 路基地段机械纠偏技术原理图Fig. 1 Construction process flow diagram of mechanical lifting and inclination correction technique in roadbed section

路基地段机械纠偏技术特点：

1) 因需要植筋及架设分配梁等工序，施工准备工序多、工期长，且工装设备复杂、笨重，现场存放困难，因此，主要适用于建设阶段线路的线形纠偏；

2) 通过千斤顶及同步顶升系统可实现高程和平面的精确顶推，因此，相比于其他纠偏技术，纠偏精度可控性强；

3) 在底座板或支承层与基床表层级配碎石间注入注浆材料，一方面实现了间隙的填充，另一方面也加强了基床结构强度，因此，该技术对路基沉降病害有一定的整治效果；

4) 施工过程中植筋安装锚固件可能破坏轨道结构，对轨道结构有一定伤损性。1.2.2 注浆纠偏技术

注浆纠偏技术是指通过合理布置注浆抬升孔和注浆孔，在抬升孔中注入临时解黏剂后，临时解除支承层与级配碎石间的约束，通过横向加力顶推，将平面纠偏到位后，再采用高压注浆设备将具有良好充盈性、快速凝结性及膨胀性特点的高聚物注浆材料注入到支承层下的级配碎石中，利用注浆压力及浆体的膨胀力，对上部轨道结构进行快速、可控的抬升，并采用高聚物注浆材料和轻质聚合物生态砂浆对抬升后产生的空隙进行完全填充，技术原理如图2所示，施工工艺流程如图3所示。

目前，路基地段注浆纠偏技术已应用于 CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式无砟轨道、CRTSⅠ型双块式无砟轨道和道岔区长枕埋入式无砟轨道。

图2 路基地段注浆纠偏技术原理图Fig. 2 Technology Schematic of slip casting lifting and inclination correction technique in roadbed section

路基地段注浆纠偏技术特点：

1) 注浆纠偏技术主要应用于运营线路，一般1个天窗内仅1次抬升10 mm，抬升量较大时需分次抬升，因此施工工期与线路纠偏量大小有关；

2) 注浆纠偏技术利用注浆压力及注浆材料的短时膨胀力实现轨道结构抬升，因此该技术宜用于路基地段，注浆孔钻入底座板或支承层下方的路基表层使注浆材料与基床碎石充分结合，既能实现纠偏同时又对沉降路基进行了加固处理，是一项治标又治本的维修措施；

3) 注浆纠偏的工装设备相对轻便，但环境温度直接影响注浆材料的发泡膨胀特性，因此冬天施工时还需配备注浆材料预热设备；

4) 应充分掌握注浆材料的发泡膨胀特性，注浆纠偏精度可控性相对较差；

5) 施工过程中注浆孔钻孔可能破坏轨道结构和切断轨道板内置钢筋，对轨道结构有一定伤损性。

1.3 桥梁地段纠偏

当桥梁地段桥墩发生倾斜、不均匀沉降时，应采取相应的纠偏措施对线路线形进行修正。目前桥梁地段纠偏技术分为3类：机械纠偏技术、移梁纠偏技术和高压旋喷桩纠偏技术[12-15]。

图3 路基地段注浆纠偏施工工艺流程图Fig. 3 Construction process flow diagram of slip casting lifting and inclination correction technique in roadbed section

1.3.1 机械纠偏技术

不同于路基地段的机械纠偏技术是对底座板及其以上结构的整体抬升和平移，桥梁地段的机械纠偏技术是对轨道板及其以上结构，即轨道板、钢轨、扣件系统的整体抬升和平移，是在轨道板与CA砂浆层之间填充预制树脂砂浆实现轨道板的抬升，主要工艺流程如图4所示。

目前，该技术已应用于CRTS I型板式无砟轨道结构。

桥梁地段机械纠偏技术特点：

1) 因抬升的是轨道板及其上部结构，因此该技术不需要植筋及安装分配梁等工序、施工工期短，同时千斤顶顶推力小、装备轻便，便于在运营线有限的天窗时间内施工；

2) 该技术也可用于路基地段，桥梁地段机械纠偏技术与路基地段机械纠偏技术不同的是，在轨道板及砂浆层之间注浆并没有从根本上治理线形偏差病害，因此是一项治标不治本的维修措施；

3) 施工风险性小、纠偏精度可控性强。

1.3.2 移梁抬升纠偏技术

移梁纠偏技术是指在梁缝内填塞硬木结合千斤顶加载作为箱梁纵向限位措施；利用箱梁一侧与多向支座、横向支座对应的防落梁钢挡块作为横向限位措施；采用桥墩作为顶升和平移施工的反力系统，通过对箱梁施加竖向顶升力和水平推力，调整梁体位置，实现线形纠偏。施工工艺流程如图5所示。

图4 桥梁地段机械纠偏施工工艺流程图Fig. 4 Construction process flow diagram of mechanical lifting and inclination correction technique in bridge section

该技术目前已应用于CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式无砟轨道桥梁区段, 另外该技术同时可应用于CRTSⅢ型板、双块式无砟轨道桥梁区段。

桥梁地段移梁纠偏技术特点：

1) 由于是通过移动箱梁实现轨道线形的纠正，因此该技术仅应用于桥梁区段的平面及高程纠偏且没有从根本上解决病害，是一项治标不治本的维修措施；

2) 受限于结构物尺寸，移梁纠偏技术的平面纠偏量有限，一般不能超过150 mm；

3) 通过千斤顶对箱梁施加竖向顶升力和水平推力，调整梁体位置从而修正线路偏移，一次顶推到位，施工工期较短，纠偏精度可控性相对较好；

4) 移梁抬升纠偏有可能导致桥墩偏载并对轨道结构产生影响，其伤损无法定量评估，存在一定风险性。

1.3.3 高压旋喷桩纠偏技术

高压旋喷桩纠偏技术是指采用挤压纠偏法纠正桥墩的横向偏移，主要手段为：桥墩单侧喷射高压水泥浆，深层冲孔挤土。采用高压旋喷中的高压射流切削一定范围内的土体，根据纠偏量大小的需要，在桥墩下浅层和深层切削土体，并在水平方向调整应力的分布以达到消除桥墩的横向偏移，一般与应力释放孔、掏土孔和变形槽等措施综合应用，对发生偏移的桥梁墩台进行纠偏整治。施工工艺流程如图6所示。

该技术目前已应用于CRTS I型板式无砟轨道、CRTSⅡ型板式无砟轨道桥梁区段，另外该技术同时可应用于CRTSⅢ型板、双块式无砟轨道桥梁区段。

桥梁地段高压旋喷桩纠偏技术特点：

1) 高压旋喷桩纠偏技术采用高压旋喷桩既可以对地基进行加固和病害整治，又可实现桥墩桩基纠偏，是一项施工工艺不受轨道结构影响治根治本的维修措施；

2) 在偏移一侧桥墩处通过高压旋喷桩挤压土体实现线形纠正的技术原理决定了该技术只能应用于桥梁区段横向纠偏，不能实现高程纠偏；

3) 施工过程中的技术参数和施工准备等应考虑轨道线形、施工时间、地层条件等综合因素；

4) 高压旋喷桩纠偏有可能造成地基失稳，对桩基础和轨道结构产生影响，其伤损无法定量评估，存在一定风险性和安全隐患。

图5 桥梁地段移梁纠偏技术施工工艺流程图Fig. 5 Construction process flow diagram of box girder offset correction technique in bridge section

图6 桥梁地段高压旋喷桩纠偏技术施工工艺流程图Fig. 6 Construction process flow diagram of pile offset correction technique in bridge section

2 无砟轨道线形纠偏技术总结

高速铁路是由不同部件组成的复杂土工结构物，无砟轨道线形发生偏移后，调整不同部件，例如钢轨、轨道板、底座板、箱梁和桥墩等部件的空间位置均可实现线形纠正。根据抬升或平移部位、抬升或横移动力及整治效果，现有无砟轨道线形纠偏技术总结见表2所示。

抬升或平移部位不同，无砟轨道线形纠偏方法的施工难度及施工装备也不同。一般而言，抬升或平移越下部的结构，施工难度、作业风险越大，施工装备也越复杂，例如扣件调整与线形拟合仅通过更换扣件垫板调整轨道线形，作业难度、作业风险小且不需要特殊施工设备；而高压旋喷桩纠偏技术则需要配备较多种类和较大型的施工机械，如旋喷桩机械设备、挖掘机、高压泵设备等，同时施工难度大、风险高。但上部结构抬升或平移时受到的约束较多，如抬升或平移轨道板或底座板及以上结构时，受到线路限界的约束；通过扣件垫板调整轨道线形时又受到扣件调整量的约束。因此抬升或平移越下部的结构，可实现的纠偏量也越大。另外通过千斤顶顶推力实现轨道部件抬升或平移的纠偏技术精度可控性较高，而通过注浆材料膨胀力和土体挤压力进行线形纠偏的注浆纠偏技术和高压旋喷桩纠偏技术的作业精度可控性则相对较差。

高速铁路无砟轨道不同工程结构物线形纠偏技术应用现状如图7所示。

表2 现有无砟轨道线形纠偏技术总结Table 2 Summary of existed lifting and inclination correction technique on ballastless track

图7 高速铁路无砟轨道不同工程结构物线形纠偏技术应用现状Fig. 7 State of lifting and inclination correction technique’s application on different engineering structures of high-speed railway ballastless track

3 结论

无砟轨道整体道床的高稳定性是其显著优势，但反过来整体道床也导致了其养护维修的困难性。当线路线形偏移超过有限的扣件调整量时，采取的纠偏措施的技术难度、施工风险及费用都相对较高。为此，应从设计、施工、运营各方面预防线形偏移的产生。设计阶段，应统筹规划路网，优化设计方案，尽可能减少路网规划及设计方案的变更；施工阶段，应统一测量坐标体系和把控设备质量，减少测量误差及施工偏差；运营阶段，应做好外部坏境巡查及防护，避免高速铁路沿线施工、堆载等对线路状态的影响。

采取无砟轨道线形纠偏整治技术是不得已之举，也是无砟轨道养护维修中必须要面对的一项课题。我国无砟轨道运营时间较短，作为一种相对较新的养护维修技术，无砟轨道线形纠偏技术也在运营管理实践探索中进一步发展和完善。本文对我国现有的无砟轨道线形纠偏技术进展进行了综合论述，结合各纠偏技术的技术特点，笔者有以下几点建议：

1) 高速铁路无砟轨道建设期与运营期应采用不同的纠偏整治措施，建设期施工作业时间宽裕，应尽量采用治标又治本且不利用设备冗余调整量的纠偏技术；运营期施工作业时间有限，应尽量采用施工工期短、作业风险小的纠偏技术。

2) 可根据工况特点，采用多种整治措施并存、治标与治本相结合的纠偏方式，充分发挥各纠偏技术的优点，取长补短，例如扣件调整与移梁纠偏相结合。

3) 为实现高速铁路无砟轨道的高平顺性，应采用预防与防治相结合的运营管理思路，强化无砟轨道设备质量源头控制，加强无砟轨道沿线外部坏境巡查及防护。

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