无砟轨道路基冒浆病害整治技术研究

2021-02-14中国铁路上海局集团有限公司安全监察室

上海铁道增刊 2021年2期

钱军中国铁路上海局集团有限公司安全监察室

目前，我国营运的高速铁路中，部分线路采用了无砟轨道结构。无砟轨道路基是承载轨道和列车荷载的基础，路基的稳定性直接影响列车的高速、安全运行。路基是由散粒体土石材料填筑而成的土工结构物，在列车动力荷载、气候和环境（雨水、地表水、冻融）等不利因素影响下，无砟轨道路基服役状态发生劣化，极易产生路基冒浆病害。随着我国高速铁路的大规模建成和投入运营，板式无砟轨道路基冒泥病害逐渐成为无砟轨道的主要结构病害之一。

某城际铁路路基服役状态调研结果显示：共检查出路基冒浆病害约1 400余处，严重病害约80余处，且病害有不断发展趋势。典型病害如图1所示，路肩两侧流淌或残积着由水与级配碎石层细颗粒混合成的泥浆，路肩及两线间有灰白色泥状物渗出，严重处达10 mm-30 mm厚，已引起轨道板下底座板的脱空，导致轨道高低不良和线路不均匀沉降，给高速铁路安全运营带来隐患，因此亟须开展板式无砟轨道路基冒浆病害整治。

图1 典型路基冒浆病害

1 板式无砟轨道路基冒浆病害特点

无砟轨道路基冒浆病害呈现出显著的时空特征。时间上，冒浆最为严重时段为降雨量较小、气温较低的冬、春季，而非多雨的夏季，且雨后较明显；空间上，尤其是沿线路纵向上，冒浆现象伴随等间隔出现，与无砟轨道伸缩缝位置高度吻合。对冒浆地段调查发现：支承层伸缩缝间沥青填充材料与支承层混凝土间裂纹明显，支承层与路基素混凝土封闭层间伸缩缝密封失效。

此外，无砟轨道冒浆病害发展还呈现出“初期缓慢-逐渐加速”的特征。这是由于级配的改变会导致塑性累积变形的产生，引起基床表层与底座板局部脱空，这种局部脱空又形成新的排水通道进一步加速冒浆发展，冒浆与级配碎石累积变形形成复杂耦合作用。基床冒浆恶化了路基基床对无砟轨道的支承作用，导致支承刚度下降，甚至产生局部板底空吊现象，引起轨下基础的不平顺，危及行车安全。

2 板式无砟轨道路基冒浆病害原因分析

在板式无砟轨道路基空间层状结构体系中，混凝土支承层每隔20 m设置一条伸缩缝，一般采用胶合板塞填、沥青乳膏浇灌封闭。长期运营过程中，在复杂自然营力和列车动力循环荷载耦合作用下，伸缩缝填充材料逐渐老化、开裂。遇降雨充沛季节时，雨水由底座板伸缩缝渗入基床表层的级配碎石中。另一方面，随着无砟轨道运营时间和运量的增大，级配碎石之间存在摩擦粉化过程，导致部分排水系统失效。渗入至基床表层的雨水来不及从基床或排水系统中排出，滞留在基床中。

病害初期，大量来不及排出的水和级配碎石中的细颗粒在列车动荷载的高频反复抽吸作用下，形成泥状物，经无砟轨道底座伸缩缝、路基封闭层与无砟轨道底座间的离缝流出形成冒浆。进一步地，随着细颗粒的流失，级配碎石层含有更多自由水。在高速列车振动作用下，级配碎石发生形变，产生较高的动水压力。动水压力通过结构缝间消散，同时也带走了级配碎石层中较多的细颗粒乃至粗颗粒，导致底座板下部进一步脱空，病害加剧。

3 板式无砟轨道路基冒浆整治技术

3.1 板式无砟轨道路基冒浆整治思路

根据无砟轨道路基冒浆病害特点，结合运营线无砟轨道天窗修的要求，提出一种以“防水密封、疏通排水、注胶填充”为原则的板式无砟轨道路基冒浆整治技术。即对冒浆地段采用更换失效嵌缝材料，疏通板面排水通道，防止雨雪水堆积，并对冒浆区段离缝进行注胶填充相结合的处理方案。

（1）防水密封

采用嵌缝材料将支承层伸缩缝和线间封闭层伸缩缝进行重新填缝密封，切断水进入无砟轨道结构内部通道。为了确保伸缩缝密封防水效果的长效性，应清除伸缩缝内失效嵌缝材料，采用硅酮或聚氨酯类嵌缝材料重新填缝密封。

（2）疏通排水

为解决雨量过大或泄水孔被石块等堵塞时，排水缓慢或完全不能排水进而导致水从轨道板层间渗出的问题，对路基地段线间泄水孔进行疏通排水处理，将线间自然降水引入线间集水井，并尽快排出路基外，防止雨水渗入路基本体。

（3）注胶填充

对因长期冒浆而形成的底座板空吊，采用高性能快速固化灌浆材料填实支承层底部缝隙、孔洞，恢复线路稳定性与平顺性。一般采用低粘度树脂材料或聚合物水泥浆对支承层与级配碎石层间的缝隙进行注胶填充，改善基床受力状态，恢复线路平顺性，抑制层间冒浆的进一步恶化。

3.2 板式无砟轨道路基冒浆整治工艺

（1）封闭水进入路基本体通道

采用高性能嵌缝材料对所有可能形成通道使水进入板式无砟轨道结构内部的伸缩缝进行防水封闭，包括线间封闭层与轨道板伸缩缝、路肩封闭层与支承层间伸缩缝、轨道板与充填层离缝等，切断外界水进入通道。

施工时需将伸缩缝内原热熔沥青嵌缝材料清理干净，使伸缩缝两侧混凝土干燥无浮灰，根据需要设置嵌缝板，并在表面填充有机硅或聚氨酯嵌缝材料。

（2）疏通排水系统

对路基基床表层已有的存水，采取引流排水措施将其彻底排干。同时对路基地段线间泄水孔进行疏通，引排渗入基床的中水，防止雨雪水倒灌进入支承层与充填层离缝内部浸泡路基。此外作为预防措施，设置排水通道，使有可能进入路基基床表层的水通过通道排出。

（3）路基本体离缝注浆

在冒浆区域离缝中灌注低粘度树脂材料，缝隙较大时可采用具有粘结强度的聚合物水泥浆，填充支承层与基床表层之间的空隙，恢复路基本体强度。

无砟轨道路基离缝注胶工艺选择斜向注胶和垂直注胶相结合的工艺，斜向注胶主要针对路基冒浆病害较严重，支承层与路基离缝、缝隙较大的注胶填充；垂直注胶用于路基冒浆病害较轻微的支承层与路基离缝的注浆填充。斜向注胶孔设置间距以50 cm-100 cm为宜，钻头与支承层底部保持水平，确保注浆孔与支承层底部离缝形成畅通的注浆通道。

3.3 板式无砟轨道路基冒浆整治材料

路基冒浆整治所用注胶材料宜选用双组份低粘度树脂材料。一般采用双组份聚氨酯注胶材料，注胶材料应满足如下要求：①具有较低的粘度及表面张力，粘度小于50 mPa•s，可以渗透到微细的离缝中；②凝胶时间小于10 min，2 h抗压强度大于15 MPa，可在较短的天窗时间内完成修补，并达到通车要求；③具有较好的环境适应性，在较低温度及潮湿环境中条件下仍能较快固化；④具有较高的粘结强度、抗拉强度和抗压强度，7d粘结强度大于5 MPa，7d抗压强度大于50 MPa；⑤具有较好的弹韧性，可以对结构起到较好的填充补强作用。

针对离缝较大处，一般采用聚合物水泥浆进行填充，聚合物水泥浆应满足如下要求：①具有很好的流动性，便于填充灌注施工；②弹性模量低于混凝土、高于基床级配碎石表层，可改善基床表层和混凝土支承层间的受力性能；③具有亲水性和渗透性，能够带水作业与内部残留水（泥）产生很好的接触反应，改善已经部分粉浆化的基床级配碎石表层；④与混凝土间具有一定的粘结性；⑤强度、耐久性不低于级配碎石层。

高性能嵌缝材料一般为有机硅酮或聚氨酯类，应满足如下要求：①具有一定触变性，既能够在水平接缝中使用也能够在立面或曲线段接缝环境中使用；②环境温度敏感性低，可以在-5℃~30℃环境下施工；③接缝跟随性好，具有极高的断裂伸长率和弹性复原率，断裂伸长率大于800%，弹性复原率大于90%，能够满足不同温度下接缝的变形行为；④与基体粘结强度高，能够渗透到水泥基材料内部毛细孔中，与无砟轨道水泥基材料基体具有很高的粘结强度，达到防水、防腐蚀介质侵入的目的。