高速铁路无砟轨道线路路基封闭层病害成因及整治技术研究

刘永存,魏永恒

(1.中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063； 2.铁路轨道安全服役湖北省重点实验室,武汉 430063)

中国高速铁路在完成“四纵四横”主干网建设后，逐渐从大规模建设期进入安全运营维护期。随着运营时间增加，一些病害问题逐步显现，无砟轨道线路路基封闭层上拱开裂、嵌缝材料伤损、基床表层翻浆冒泥[1]等是普遍存在的病害之一。

近年来，在高温季节无砟轨道线路路基地段线间及路肩混凝土封闭层发生多次拱起，幸被及时发现处理，未对行车安全造成影响。为确保既有无砟轨道线路运营安全，需分析其成因并进行整治，消除安全隐患。目前国内学者对无砟轨道线路路基封闭层已有一定的研究，但主要集中在封闭层施工[2-4]、嵌缝材料优化[5-9]、封闭层防排水设计[10-16]等方面，仅有少数对封闭层病害整治[17-20]进行过研究，且并未针对各种工况予以说明。

本文系统梳理了中国铁路上海局集团范围10条高速铁路路基封闭层病害情况，分析了病害成因，明确了既有线整治中横向伸缩缝合理间距，并分3种情况研究整治方案，为类似病害整治提供参考。

1 现场病害情况及原因分析

无砟轨道线路路基封闭层可有效阻止雨水的侵入，保障轨道基础的强度及耐久性。但由于封闭层横向伸缩缝设置不合理、嵌缝材料伤损失效等，导致封闭层上拱开裂、基床表层翻浆冒泥等病害。

1.1 横向伸缩缝设置不当导致封闭层拱起

根据工务段现场排查统计，沪宁城际、沪杭、京沪、宁杭、杭甬、杭长、合福、宁安、郑徐、杭黄高铁10条线无砟轨道路基封闭层共计436.6 km，其中封闭层横向未设伸缩缝约5 km，封闭层横向设置真缝(伸缩缝深度与封闭层厚度一致)22.7 km，封闭层横向设置假缝(伸缩缝深度与封闭层厚度不一致)408.9 km。现场封闭层横向伸缩缝设置间距多数在2.5～10 m，局部地段间距为15～25 m，具体详见表1。

表1 横向伸缩缝设置情况统计

路基地段封闭层分为线间封闭层和路肩封闭层，详见图1。根据现场排查情况，目前封闭层纵缝位置尚未发现有上拱现象。上拱病害主要发生在封闭层横缝位置，且一般发生在伸缩假缝或者伸缩缝间距设置过大位置，见2、图3。

图1 路基封闭层示意

图2 封闭层伸缩假缝

图3 封闭层拱起开裂

封闭层横向伸缩缝设置不当存在设计和施工两方面的原因：一方面，设计中部分项目封闭层横向伸缩缝采用假缝，运营一段时间后随着嵌缝材料失效以及灰尘、冒浆等堵塞假缝丧失调节功能，高温下封闭层混凝土内部形成的温度力得不到有效释放，导致病害发生。另一方面项目施工时并未按设计要求设置伸缩缝。考虑到温度力影响，设计中一般要求伸缩缝间距不超过10 m，并对应于板缝设置，但现场实施时存在封闭层横向未设伸缩缝以及伸缩缝间距设置过大的情况。封闭层横向未设伸缩缝或伸缩缝间距设置过大使封闭层混凝土单元长度增加，温度应力和伸长量增大。随着环境温度升高产生的温度应力增长到一定程度，上拱段在薄弱处破裂释放应力，导致病害发生。可见封闭层拱起主要原因是封闭层横向伸缩缝设置不当，夏季高温季节在温度力作用下所致。因此建议封闭层横向伸缩缝采用真缝，且间距不超过10 m。

1.2 嵌缝材料伤损失效引发基床表层翻浆冒泥

通过对10条高铁线路嵌缝材料应用现状调研发现，现场嵌缝材料主要有热熔改性沥青、聚氨酯密封胶和硅酮填缝密封材料，其伤损形式主要包括溢出、开裂、离缝、脱落(图4)等，而且一般情况下，多种伤损形式并存。

图4 嵌缝材料脱落

嵌缝材料伤损失效主要由于材料性能及施工工艺不当所致。嵌缝材料失效后，密封防水功能丧失，雨水便沿着封闭层伸缩缝渗入到混凝土底座下部的级配碎石层中。在高速列车动荷载作用下，级配碎石层中自由水产生较高的压力，引起承压水从伸缩缝消散的同时，也流失了级配碎石层中细颗粒。随着泵吸作用的加剧，细颗粒不断流失，最终导致级配碎石层翻浆冒泥[21]。从已运营的高速铁路来看，由于嵌缝材料老化失效而导致无砟轨道结构出现大面积病害的情况已较为明显，因此现场整治过程中应采用施工性、变形性、稳定性和耐老化性好的硅酮材料，同时强化施工工艺控制，避免出现二次伤损。

2 封闭层病害整治

2.1 既有线整改横向伸缩缝间距确定

根据运营单位反馈，当封闭层横向设置真缝且间距在10 m以内时，封闭层状态良好，未出现上拱病害。结合既有线运营情况，同时考虑到伸缩缝为封闭层的薄弱环节，若设置过密，一方面增加了现场整治工作量，另一方面后期一旦出现二次伤损，容易导致翻浆冒泥，因此整治过程中封闭层横向伸缩缝间距按不超过10 m控制。

2.2 整治方案

针对既有线路基封闭层现状和存在问题，分封闭层横向未设伸缩缝、封闭层横向设置真缝、封闭层横向设置假缝3种工况进行整治。

2.2.1 封闭层横向未设伸缩缝

(1)当既有封闭层长度L1≤10 m时，不作处理。

(2)当既有封闭层长度L1>10 m时，沿线路纵向线间和路肩封闭层每隔10 m通过切割封闭层增设横向伸缩缝，见图5。

图5 封闭层横向未设伸缩缝整治方案示意(封闭层长度L1>10 m，单位：m)

2.2.2 封闭层横向设置真缝

(1)当既有封闭层伸缩缝间距L2≤10 m时，不作处理。

(2)当既有封闭层伸缩缝间距L2>10 m时，在既有伸缩缝间沿线路纵向通过切割封闭层增设伸缩缝，增设的伸缩缝间以及与既有伸缩缝间间距不得超过10 m，见图6。

图6 封闭层横向设置真缝整治方案示意(伸缩缝间距L2>10 m，单位：m)

2.2.3 封闭层横向设置假缝

(1)当既有封闭层伸缩假缝间距L3≤10 m时，沿线路纵向不超过10 m距离在既有伸缩假缝位置通过切割处理改造成伸缩缝，见图7。

图7 封闭层横向设置假缝整治方案示意(伸缩假缝间距L3≤10 m，单位：m)

(2)当既有封闭层伸缩假缝间距L3>10 m时，首先将既有伸缩假缝通过切割处理改造成伸缩缝，同时在改造后的伸缩缝间沿线路纵向通过切割封闭层增设伸缩缝，增设的伸缩缝间以及与改造后的伸缩缝间间距不得超过10 m，见图8。

图8 封闭层横向设置假缝整治方案示意(伸缩假缝间距L3>10 m，单位：m)

2.3 整治流程

伸缩缝设置位置确定→既有线封闭层切割及既有伸缩假缝切割改造→伸缩缝清理→伸缩缝嵌缝封闭。

2.4 主要施工工艺及注意事项

(1)伸缩缝设置位置确定

伸缩缝位置应避开线间集水井、路肩接触网立柱、道岔转辙机平台、路基沉降观测标等，见表2。

表2 伸缩缝设置位置

(2)既有线封闭层切割及既有伸缩假缝切割改造

既有伸缩假缝改造前应先将既有伸缩假缝表面嵌缝材料清除干净后再进行切割。切割过程中尽量避免破坏封闭层、支承层、底座及轨道板，切割深度务必达到封闭层底部，确保伸缩缝为真缝。改造后或新增的伸缩缝宽度为20 mm，深度为封闭层厚度，长度为既有线间或路肩封闭层横向宽度。伸缩缝设置方案详见表3。

表3 伸缩缝切割设置方案

(3)伸缩缝清理

切割后将伸缩缝中混凝土碎片、浮砟、尘土等清理干净，并集中收集运输，运输过程采用专用通道，避免碎石、浮渣等掉落污染轨道。伸缩缝内松散混凝土可以采用角磨机打磨去除，大颗粒杂物可采用刷子清理，并用吹风机对灰尘、浮渣等进行清理。清理后伸缩缝内应干燥、清洁，无灰尘、杂物等。

(4)伸缩缝嵌缝封闭

①伸缩缝清理完成后，采用闭孔聚乙烯泡沫塑料板填充，并在表面20 mm深度范围采用有机硅酮嵌缝材料密封，见图9。有机硅酮嵌缝材料灌注前，应用刷子在伸缩缝两侧均匀涂刷界面剂，待界面剂表干30 min以后再进行灌注。

图9 改造后或新增伸缩缝嵌缝示意(单位：mm)

②若既有封闭层厚度h<50 mm，伸缩缝可不采用闭孔聚乙烯泡沫塑料板填充，直接采用有机硅酮嵌缝材料密封。

③嵌缝材料伤损失效引发路基基床表层翻浆冒泥地段，应清理缝隙处翻浆冒泥及既有嵌缝材料后安装注浆管、重新进行闭孔聚乙烯泡沫塑料板填充和有机硅酮密封。而后灌注高聚物化学浆，填充底座板、封闭层与基床表层之间的空隙，恢复路基支撑强度。注胶时压力应保持恒定，保证一次性灌注饱满。

④闭孔聚乙烯泡沫塑料板安装后应及时检查闭孔聚乙烯泡沫塑料板的安装质量，检查内容包括嵌入深度、与伸缩缝两侧混凝土的密贴性以及闭孔聚乙烯泡沫塑料板接头密封性等。

⑤灌注完毕后，有机硅酮嵌缝材料实干前，应采取有效防护措施防止雨水、杂物落入，并避免下一步工序对有机硅酮嵌缝材料的损坏。有机硅酮嵌缝材料实干后，才能进行伸缩缝封端模具的拆除。

2.5 整治效果

现场封闭层病害整治完毕后，效果良好，目前尚未出现二次拱起病害。

3 结论

结合上海铁路局范围10条高速铁路路基封闭层运营状况，对既有线路基封闭层病害进行了系统研究，并提出了整改方案及建议。封闭层整治后效果良好，为后期类似工况提供了参考。

(1)梳理了既有线路基封闭层病害。封闭层病害可归纳为两类：横向伸缩缝设置不当导致封闭层拱起开裂以及嵌缝材料伤损失效引发基床表层翻浆冒泥。

(2)研究了既有线路基封闭层拱起病害成因。封闭层拱起主要原因是封闭层横向伸缩缝间距设置过大或存在假缝，夏季高温季节在温度力作用下所致。因此建议后续设计中封闭层横向伸缩缝采用真缝，且间距不超过10 m。

(3)提出了整治过程中封闭层横向伸缩缝合理间距。结合现场运营经验，同时为减少封闭层薄弱环节和现场整治工作量，整治过程中封闭层横向伸缩缝间距可按不超过10 m控制。