基于监测数据的轨道结构快速修复技术

郭 瑞

(中铁二十局集团有限公司，陕西西安 710016)

近年来，随着我国经济的迅速发展，高速铁路建设得到了空前的发展，而无砟轨道具有稳定性高、刚度均匀性好、结构耐久性强、维修工作量少和技术相对成熟等特点，在高速铁路得到普遍采用，近年来，许多高铁已施工完成并相继投入运营[1-2]。目前，我国采用的板式无砟轨道形式主要是从日本新干线板式轨道引进的CRTSⅠ型板式无砟轨道和从德国博格板式轨道引进的CRTSⅡ型板式无砟轨道[3]。无砟轨道在长期运营和外界复杂自然环境作用下不可避免地出现损坏和老化，高速行驶的列车加重了无砟轨道的破坏，若不及时维修，则无法正常运营。因此，无砟轨道维修技术是高速铁路长期安全运营的保障。

轨道的基底结构不但承受上部结构质量，还要长时间承受动载的作用，其发生损坏将导致轨道结构恶化，改变路基的荷载条件，荷载不均匀的作用在基底结构，形成恶性循环。高速铁路仅有4h的天窗时间，加大了线路养护维修难度与工作量，而高速铁路隧道内无砟轨道基底结构不允许有基底破坏和过大的沉降变形。针对铁路隧道环境复杂、运营安全要求高，以及无砟轨道快速修复技术欠缺的现状，研究和探索无砟轨道基于监测数据的结构快速修复技术。

1 无砟轨道病害类型及原因

我国高速铁路的无砟轨道主要类型为CRTS I型和CRTS II型，虽然结构设计不同，但出现的结构病害大体相同。板式无砟轨道主要由混凝土底座、水泥乳化沥青砂浆垫层、预制混凝土轨道板、板问连接构件、钢轨及扣件等构成。

1.1 砂浆垫层与轨道板结构离缝

砂浆层与轨道板结构离缝是高铁板式无砟轨道的常见伤损之一，CRTS I型无砟轨道的砂浆层与轨道板结构离缝主要出现在轨道板四角，部分出现在轨道板中部，一般离缝在2 mm以下，个别在3 mm以上。产生砂浆垫层与轨道板结构离缝缺陷的原因比较复杂，主要原因有轨道板四角翘曲，灌注砂浆不饱满，轨道板与砂浆层热胀冷缩速率不同，钢轨精调时由扣件引起等[4]。

根据国外高速铁路经验和对我国高速铁路的调研[5]，砂浆层与轨道板离缝在2 mm及以上时，轨道结构将产生的一些危害，如加速砂浆层伤损和老化；动车组列车高速通过时，车体摇晃，影响舒适性；轨道板伤损；扣件系统产生不同程度伤损。

CRTS II型无砟轨道的砂浆层和轨道板结构离缝与CRTS I型不同。CRTSⅡ型无砟轨道砂浆层无灌注袋，采用支模后整体浇筑，浇筑时从外面难以观察灌注饱满情况，砂浆固化后，可能会出现外面饱满内部空虚状况。

通过调研发现砂浆层与轨道板结构离缝一般在1 mm以下，离缝最长可达10 m以上，深度不等。产生的原因主要是施工和当地温度、雨水等环境因素有关，南方地区雨水多，致使离缝深度较大，贯穿缝较多；部分砂浆层与混凝土底座离缝。

CRTSⅡ型无砟轨道为纵连板式结构，1 mm以下离缝，即便是贯穿缝，也较难被轨检车发现，目前主要靠人工排查。随着雨雪侵蚀及动车组列车通过时对轨道板与砂浆层的拍打，离缝逐渐加深加大，往往伤损轨道板。

1.2 砂浆层缺损结构病害

砂浆层缺损指砂浆因过度老化导致砂浆层断裂和剥落，在我国早期的无砟轨道试验段出现较多，目前新建线路开通时间短，砂浆层采用了优化的砂浆配方以及灌注袋的保护，尚未出现此类病害，长期运营可能会出现。

钟英华[6]在对遂渝线无砟轨道试验段的调研中发现水泥砂浆层的破损，砂浆层病害主要包括砂浆层的断裂和剥落，一般在轨道板板间接缝部位和轨道板精调爪附近较为突出，并且会日趋严重[7]。

砂浆层缺损病害是直接由砂浆的稳定性和强度决定的，与砂浆的配合比、生产工艺、施工工艺、运营条件和温度变化等因素密切相关，在列车荷载作用下产生的离缝和竖向裂缝等伤损，常会诱发此类灾害。施工中的补灌砂浆若与原砂浆层无法有效粘结，在列车循环荷载作用下，将会诱发砂浆层缺损掉块，严重影响到砂浆层的性能和轨道结构的耐久性。

1.3 混凝土伤损

混凝土伤损主要是无砟轨道混凝土结构伤损，是高速铁路无砟轨道的主要病害之一，包括底座及路基混凝土产生裂缝、轨道板承轨槽掉块、轨道板混凝土掉块、钢筋裸露、侧向挡块大面积掉块等。

在高铁客运专线中出现的混凝土裂缝，并非列车循环荷载作用导致，而是由于轨道变形作用导致。变形受到约束后产生的压力大于混凝土的抗压强度将导致裂缝出现。同时材料不均匀、施工温度、收缩变形、钢筋异常、地基不均匀沉降、混凝土骨料沉落等，都会诱发混凝土裂缝[8]。

混凝土道床板出现裂缝以后，板中钢筋容易锈蚀，锈蚀钢筋对混凝土不断挤胀使裂缝不断扩张，导致混凝土发生裂缝并产生掉块伤损。在长期服役的环境下，混凝土会与大气中的二氧化碳作用发生反应，碳化后混凝土的脆性增大，加速了混凝土的掉块剥离[9]，若产生渗水将加快基础下沉，大大降低了无砟轨道混凝土道床的耐久性以及承载能力，甚至影响到行车安全。

基于病害产生的原因采取相关监测，并通过对监测数据进行分析，推断将会发生何种灾害，提取采取措施，或者病害已经发生在人并未识别但通过仪器等可以识别的部位，因及时采取病害的针对性快速修复技术。

2 快速修复技术

轨道结构发生破坏将对列车运行带来了极大威胁，严重时会引起列车脱轨等重大安全事故。因此，必须及时采取修复措施，避免损伤进一步扩大。

2.1 快速修复技术原则

(1)快速修复。由于我国高速铁路日间行车密度大，因此一般白天无法对运营线路进行检查，日常养护维修普遍放在夜间，养护维修天窗时间为4 h，病害整治维修时间必须在天窗时问完成，材料强度必须在天窗时间达到，否则将影响正常运营。针对这一原则，相关研究人员从快速检测病害和快速修复材料等方面进行了研究。

(2)“可二次”维修性。在复杂的运营条件和使用状态下往往会出现二次伤损，于是要求对维修后出现的二次伤损需能够进行二次维修，同时要求维修材料具有“可维修”性，或可以从无砟轨道结构病害处直接将病害彻底剔除，或维修材料可以进行反复维修并且新旧维修材料融合良好。

2.2 材料选择

材料选择的原则为在天窗内固化与原材料融合良好，同时符合《高速铁路无砟轨道线路维修规则》中材料力学性质和其他指标的要求。

根据无砟轨道结构病害类型和维修原则，我国无砟轨道发展早期，用于无砟轨道快速维修的材料为无机材料，主要包括混凝土修补的快干水泥砂浆和由快干水泥组成的水泥乳化沥青材料。快干水泥砂浆价格便宜，但由于自身强度较低以及黏结强度不高，主要用于非受力混凝土缺损维修，若用于在受力部位，常造成二次伤损。水泥乳化沥青砂浆作为砂浆层修补材料，是高速铁路板式无砟轨道修复的核心技术，作为修补材料，水泥乳化沥青与原砂浆层的匹配性能较好，曾被日本大量应用于新干线的无砟轨道结构砂浆层维修，因其耐腐蚀性和耐冻融性差，在维修后3～5 a会出现不同程度的二次伤损，目前逐渐被其他有机材料(如乙烯基树脂)代替。

由于无机材料不能满足无砟轨道养护维修需求，近年来有机材料被大量用于无砟轨道快速维修，主要有环氧树脂、乙烯基树脂、异丁烯树脂和有机硅材料。环氧树脂因其良好的机械性能和对混凝土优良黏结性能用于混凝土裂缝和缺损维修；砂浆层离缝和缺损维修常使用异丁烯树脂和乙烯基树脂；仅有混凝土伸缩缝病害的修复使用有机硅。这些有机材料具有“可二次”维修性，新材料可在旧材料基础上进行维修，无需清除。但是这些高分子材料存在着固有的缺陷，例如老化问题，施工条件复杂及成本昂贵等。因此材料的研究仍在进行中。

2.3 快速修复方法

2.3.1 砂浆层与轨道板结构离缝维修

针对砂浆层与轨道板结构离缝维修，目前最有效的方法是注浆。根据压力大小，注浆分为常压注浆法、低压注浆法和高压注浆法。由于轨道系统的开放性和离缝高度的微小件，高压注浆法往往使维修材料流入不该进入的轨道部件中，常压注浆法则难以将缝隙灌注饱满，因此低压注浆法最为合理。动车组列车通过时轨道板时对砂浆层的挤压强度约为0.1 MPa，因此将灌注压强设置为0.1 MPa，保证了注浆时浆液压力对轨道板和砂浆层没有破坏性。

对1 mm以上的连续离缝封闭后，在注浆段的最远端设立观察孔，观察注浆是否饱满；对1 mm以下的连续离缝，采用细钻头沿砂浆层上沿每隔30 cm打孔进行注浆，注浆至相邻注浆孔漏浆；对内部不连续离缝，采用细丝探明后多点注浆，多点注浆与连续离缝注浆方式相同，其维修施工步骤如下：

(1)在轨道板上标明注浆孔和观察孔位置。

(2)采用玻璃胶或其他密封胶将离缝封闭。

(3)插人注浆管和观察器，进行注浆。

(4)注浆至观察器或相邻注浆后漏浆后，停止注浆。

(5)维修材料固化后拆除密封条，如果发现灌注不饱满应重新封闭进行二次灌注。

(6)清理施工垃圾，保持环境。

2.3.2 浆层缺损维修

砂浆层缺损维修施工步骤如下：

(1)清除松动破损砂浆层。

(2)将混凝土底座打毛，并清理浮土。

(3)每隔30 cm打人锚固钢钉，并涂刷底漆。

(4)填人新的修补砂浆，并捣鼓密实。

(5)立模至材料固化，防止因重力原因导致材料滑落。

(6)清理施工垃圾，保持环境。

2.3.3 混凝土伤损维修

混凝土伤损维修是防止因混凝土伤损造成钢筋裸露锈蚀或结构功能丧失等。维修的部位在强度上应该符合原混凝土要求，并且有良好的黏结性和耐腐蚀性，并应防止脱落造成更多隐患，需在伤损部位进行植筋等，维修施工步骤如下：

(1)凿除松动混凝土。

(2)对混凝土伤损面进行植筋，清除混凝土伤损面尘土。

(3)涂刷底漆。

(4)根据原混凝土形状制模并填入树脂。

(5)待树脂固化后拆除模具。

(6)清理施工垃圾，保持环境。

3 实例分析

3.1 工程概况

回龙湾隧道位于重庆市巴南区一品镇和界石镇境内，为新建双线隧道，起止里程DK19+460～DK23+180，最大埋深196 m，全长4 350 m；洞身DK22+115.08～DK23+043.79段为半径2 000 m的右偏曲线，其余为直线，设计纵坡为5 ‰、4.5 ‰、5.1 ‰的单面上坡，线路高程284.64～305.96 m。DK23+480～DK23+580段下穿在建龙州湾2号公路隧道。

经过长期运营，回龙湾隧道无砟轨道结构局部出现不均匀沉降，在列车动载循环作用下轨道结构超过强度极限产生开裂、下沉和翻浆冒泥。列车通过时，裂缝处出现喷水现象，可看到脱空的道床板产生较大的动变形，对道床板及轨枕产生不良影响，出现裂缝与崩裂。

3.2 现场监测

基准点选择在列车通过时裂缝外的结构，在脱空严重的地方设置测点。图1为货物列车通过时路基动变形，表1为地质雷达监测到的隧道内无砟轨道地段病害位置及表现形式。

在测试位置，轨道板脱空处于病害状态，货物列车经过时产生的动变形较火.造成脱空缝隙处积水上涌，出现喷涌。纵向裂缝两边明显有振动错动现象。加固前，货物列币通过时道床板动变形最大为1.09 mm。

图1 加固前货物列车通过时路基动变形

表1 隧道内无砟轨道地段病害位置及表现形式

3.3 快速修复方法

针对重庆铁路枢纽东环线回龙湾隧道整体道床裂缝、下沉，以及翻浆冒泥等病害，采用注浆提升轨道板和精确定位方法。为此采用双液组分、高强发泡树脂进行注浆加固处理，填充无砟轨道基底结构空洞和进行底面密封，精确提升轨道板。

3.4 效果检测

(1)加固后，道床板动变形为0.45 mm，改善了列车通过时的动力响应(图2)。

图2 加固后货物列车通过时路基动变形

(2)加固后病害起止位置和隧道内无砟轨道地段病害位置及表现形式深度明显缩短，轨道板下结构的整体密实状况得到明显改善，加固措施作用明显。

4 结论

(1)总结了我国无砟轨道病害类型及原因，主要包括砂浆垫层与轨道板结构离缝、砂浆层缺损结构病害、混凝土伤损三种病害类型，病害一般是多种因素综合的结果，因此，在进行高铁隧道监测时要进行全面快速检测。

(2)轨道结构发生破坏将对列车运行带来了极大威胁，修复技术要遵循快速修复和“可二次”维修性的原则，在材料选择方面要复合上述原则和规范对材料性质的要求，针对不同的病害采取不同的快速修复技术。

(3)通过对回龙湾隧道的路基动变形监测和利用地质雷达的物探监测，监测到整体道床裂缝、下沉，以及翻浆冒泥等病害，采用针对性快速修复技术，取得了较好的效果。