朱永見

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031)

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聚氨酯在鐵路道砟粘結(jié)技術(shù)中的應(yīng)用綜述

朱永見

(西南交通大學(xué)高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031)

有砟軌道在薄弱地段的維修工作頻繁、軌道幾何形位保持難度大。利用聚氨酯材料將散體道砟粘結(jié)起來，可增強軌道結(jié)構(gòu)并延長維修周期。通過對國外處理有砟軌道薄弱地段的聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)進行分類總結(jié)，并與國內(nèi)進行對比分析。結(jié)論為：(1)歸納總結(jié)了聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的斷面粘結(jié)形式；(2)對比分析了聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)外新建鐵路有砟-無砟過渡段的應(yīng)用情況，給出了建議的過渡段粘結(jié)形式；(3)既有線宜采用道砟膠固化道床，并根據(jù)病害的位置和路基排水功能，選擇影響維修的或不影響維修的斷面粘結(jié)形式。

聚氨酯；道砟粘結(jié)技術(shù)；既有鐵路；道砟膠

1　概況

有砟軌道具有彈性好、維修方便、造價低廉、施工速度快等優(yōu)點，故在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。但在一些大機不易作業(yè)和需要頻繁維修才能保持軌道良好狀態(tài)的薄弱地段，有砟軌道表現(xiàn)出它的不適應(yīng)性，如有砟-無砟接合部、受水嚴(yán)重侵害的軟弱路基地段、道岔區(qū)、平交道口和小半徑曲線地段等。把散粒體道砟用粘結(jié)材料粘結(jié)起來，即增強了軌道保持幾何形位的能力，又因減小了道砟和基床的受力而減少軌道的后期沉降，可大幅減少維修工作量。

該技術(shù)所采用的材料也有很多，如瀝青、環(huán)氧樹脂和聚氨酯等。瀝青道床對下部基礎(chǔ)排水要求高，且熱穩(wěn)定性不好；環(huán)氧樹脂道床抗沖擊能力差，易產(chǎn)生脆裂；聚氨酯具有橡膠的彈性、韌性及塑料的高強度，是合成材料工業(yè)中比橡膠和塑料性能更為獨特的一種新型材料[1]，在國內(nèi)外鐵路中被越來越多的用于道砟粘結(jié)技術(shù)。

按照粘結(jié)原理的不同，分為泡沫固化道床和道砟膠固化道床[2-3]。應(yīng)用中至關(guān)重要的就是根據(jù)需要設(shè)計與之相應(yīng)的斷面粘結(jié)形式。本文針對聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的斷面粘結(jié)形式進行分類總結(jié)，并與國內(nèi)的應(yīng)用情況進行對比分析，給出了有砟-無砟過渡段建議的斷面粘結(jié)形式，對既有線應(yīng)用時斷面粘結(jié)形式的選擇進行了分析。

2　泡沫固化道床

泡沫固化道床把粘結(jié)區(qū)域的道砟孔隙完全填充，影響了道床的排水功能，故需配套使用排水墊[2]。目前，該技術(shù)主要在德國和中國有應(yīng)用，應(yīng)用的斷面粘結(jié)形式見圖1。粘結(jié)后的道床維修性差，故該軌道結(jié)構(gòu)要求下部基礎(chǔ)穩(wěn)定和施工后道床的累積變形小，并配套使用調(diào)整量大的扣件系統(tǒng)。

圖1　聚氨酯泡沫固化道床橫斷面[2]

3　道砟膠固化道床

道砟膠固化道床在道砟接觸的點、面及其周圍進行粘結(jié)，粘結(jié)材料僅占據(jù)道砟孔隙的22%～30%，故不影響道床的排水功能[3]。根據(jù)其使用目的，分為表層粘結(jié)和結(jié)構(gòu)粘結(jié)。結(jié)構(gòu)粘結(jié)根據(jù)其是否影響有砟軌道傳統(tǒng)的維修作業(yè)，分為影響維修的斷面粘結(jié)形式和不影響維修的斷面粘結(jié)形式。

3.1表層粘結(jié)

表層粘結(jié)是把道床的表層區(qū)域進行全部或部分粘結(jié)，其目的并非為了改善道床的力學(xué)特性[4]。故粘結(jié)的厚度較小，通常不大于10 cm，應(yīng)用如防止飛砟、道床表層封閉以便于車站或軌道表面雜物的清理、一線施工或重建時臨線道床的加強和邊坡防護等。圖2為表層粘結(jié)的橫斷面示意圖。通過改變表層道砟的粘結(jié)區(qū)域滿足不同的要求。

圖2　道砟表面粘結(jié)

3.2影響維修的斷面粘結(jié)形式

結(jié)構(gòu)粘結(jié)的目的是為了改善道床的力學(xué)特性，粘結(jié)厚度一般為10～25 cm。通過增強軌道保證幾何形位的能力和減少軌道的后期積累沉降來達到減少維修工作量的目的。如用于加強有砟-無砟過渡段接合部的薄弱區(qū)、提高小半徑曲線地段橫向位移的約束、提高接頭的穩(wěn)定性和耐久性、提高軌道的承載能力等[3-4]。該技術(shù)因?qū)④壵砼c道砟粘結(jié)在一起，從而影響了有砟軌道的可維修性。因此，施工前須保證下部基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和軌道的幾何形位精調(diào)到位。

3.2.1有砟-無砟過渡段

在歐洲，主要是通過改變道床的斷面粘結(jié)形式來實現(xiàn)無砟向有砟道床剛度的分級均勻過渡。其研究認(rèn)為過渡段直接造成列車動態(tài)特性增加的區(qū)域為接合部8～12 m區(qū)段，故設(shè)計時，分4段過渡，每段粘結(jié)4根軌枕。從無砟向有砟，通過改變粘結(jié)區(qū)域的深度和寬度來達到道床剛度均勻過渡的目的[4]，粘結(jié)橫斷面見圖3。第1段粘結(jié)的區(qū)域為1、2、3和4，第2段為區(qū)域2、3和4的部分寬度，第3段為區(qū)域2和3，第4段為減小粘結(jié)厚度的區(qū)域3。

圖3　國外道砟膠用于過渡段的橫斷面[4](單位：cm)

國內(nèi)分3段進行過渡，從無砟向有砟，分別是全斷面粘結(jié)、部分?jǐn)嗝嬲辰Y(jié)和局部斷面粘結(jié)[3]，粘結(jié)長度每段均相同。根據(jù)鐵路運營速度的不同，粘結(jié)總長為20～45 m，通過改變道床的斷面粘結(jié)形式，達到從無砟向有砟道床剛度的分級均勻過渡。粘結(jié)的橫斷面見圖4。全斷面粘結(jié)的區(qū)域為1、2和3，部分?jǐn)嗝嬲辰Y(jié)的區(qū)域為1和3，局部斷面粘結(jié)的區(qū)域為1。

圖4　國內(nèi)道砟膠用于過渡段的橫斷面

3.2.2限界問題

在匈牙利一個位于曲線地段的隧道內(nèi)，道床厚度僅5～8 cm，因枕下道砟破碎和橫向約束不足而造成列車超出限界，同時伴隨著嚴(yán)重的高低和軌向問題。采用道砟粘結(jié)技術(shù)增強道床之后，解決了限界和幾何形位不良問題[4]，粘結(jié)的橫斷面見圖5。

圖5　道砟膠用于解決隧道的限界問題[4](單位：cm)

3.2.3平交道口

在克羅地亞的薩格勒布有一個位于工業(yè)區(qū)的平交道口，較多的重型貨車和鐵路貨運使得軌道變形加劇，原有鋪設(shè)的橡膠面板已不能滿足運能的需求，須采用混凝土面層板?；炷撩鎸影鍟黾拥来渤惺艿暮奢d，從而加速其變形速率，縮短軌道的維修周期。采用道砟粘結(jié)技術(shù)，將承受荷載較大的枕下道砟進行粘結(jié)，可提高道床的承載能力并減小沉降速率[4]，粘結(jié)的橫斷面見圖6。

圖6　道砟膠用于平交道口[1](單位：cm)

3.3不影響維修的斷面粘結(jié)形式

隨著列車速度和軸重的提高，因道床沉降和橫向約束不足帶來的維修問題越來越突出。為提高軌道的可使用性并延長維修周期，英國采用XITRACK技術(shù)對道砟進行三維加固。經(jīng)過室內(nèi)試驗和仿真分析，將其用于車站、隧道、道岔區(qū)、過渡段、橋上的鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器、平交道口和軟弱路基等地段。該技術(shù)最大的特點就是不影響有砟軌道傳統(tǒng)的維修作業(yè)，包括起道、撥道、搗固和吹砟作業(yè)等，且固化速度快，10～15 s即可凝固，幾分鐘就可達到材料強度的50%，1 h就可達到材料強度的90%[6-8]。故該技術(shù)非常適用于既有線對工期要求緊張的地段。

3.3.1道岔區(qū)

列車通過橋梁地段的有砟軌道時，因橋梁撓曲振動，使道砟的振動加劇。隨著列車速度的提高，道砟的振動更加劇烈，甚至可導(dǎo)致道砟的液化。為減小橋梁地段道砟的振動，高速鐵路要求應(yīng)采用彈性軌枕或鋪設(shè)砟下彈性墊層[5]。

采用XITRACK技術(shù)可減小道砟的振動。2008年英國將該技術(shù)應(yīng)用于橋梁與路基連接地段的單開道岔區(qū)，斷面粘結(jié)形式見圖7。實踐證明，該技術(shù)可有效解決因道岔區(qū)較大的垂橫向力而引起的道床空洞和沉降問題，減少轉(zhuǎn)轍機處道床的病害，避免頻繁的維修作業(yè)[6-7]。

圖7　XITRACK技術(shù)用于道岔區(qū)(單位：cm)

3.3.2隧道地段的有砟-無砟過渡段

在地下水豐富的隧道地段，有砟軌道和無砟軌道均遭受水的侵害。這種病害在隧道出口處的有砟-無砟過渡地段更為嚴(yán)重，不僅造成接合部有砟側(cè)的翻漿冒泥和軌枕空吊，還造成接合部無砟軌道上層混凝土板的破裂和扣件失效[6]。在線路大修時，采用XITRACK技術(shù)對枕下部分進行處理，處理長度為12.1 m，粘結(jié)的橫斷面見圖8。通過無砟向有砟側(cè)設(shè)置過渡板的厚度變薄實現(xiàn)斷面粘結(jié)厚度的逐漸增加，粘結(jié)寬度為3.515 m；再通過減小斷面粘結(jié)寬度到2.620 m來與有砟地段實現(xiàn)更好的剛度銜接[6]。

圖8　XITRACK技術(shù)用于無砟-有砟過渡段

3.3.3鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器

XITRACK技術(shù)應(yīng)用于鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器區(qū)，可解決因伸縮區(qū)輪軌垂橫向力過大而引起的道床空洞和沉降問題，提高軌道的安全性，減少維修工作量，其粘結(jié)斷面形式與道岔區(qū)類似。

3.3.4限界問題

列車通過車站或隧道時，需與車站站臺或隧道邊界保持一定的安全距離。安全距離的實現(xiàn)有3種方式：一是由設(shè)計的道床斷面來實現(xiàn)，為軟約束；二是對道床肩砟進行額外的堆高，為中等約束；三是不允許軌道有橫向位移，為強約束。采用XITRACK技術(shù)，可實現(xiàn)強約束，使軌道的橫向位移限制在1.5 mm以內(nèi)。該技術(shù)已成功應(yīng)用于英國的格羅夫山隧道(2007)和霍克頓站(2009)[7，10]，見圖9。通過粘結(jié)區(qū)域1、2、1和2來分別解決橫向、垂向、橫向和垂向的限界問題[10]。

圖9　XIRACK技術(shù)用于解決限界問題

3.3.5軟弱路基地段

瑞利波在軟弱路基地段的傳播速度較小，限制了高速列車的正常運行。采用加固路基或減小路基的振動均可使列車的速度恢復(fù)正常。加固路基的方法有換填土、水泥和灰土穩(wěn)定、采用混凝土樁等，但這些處理方法均費時費錢；采用XITRACK技術(shù)把松散的道砟粘結(jié)起來，通過減小道砟的振動來減小路基的振動，從而使列車速度恢復(fù)正常[7]。

以位于英國西海岸線Gravel Hole的軟弱路基為例，采用XITRACK技術(shù)時的情況見圖10。該路基由軟弱黏土組成，且地下水位很高，列車通過時的位移超過8 mm，故將速度從200 km/h限速為125 km/h。采用XITRACK技術(shù)進行處理，處理的橫斷面見圖11。采用50 mm砂墊層+土工布+300 mm道砟粘結(jié)處理層+300 mm未處理層。處理后列車速度恢復(fù)到了200 km/h，對應(yīng)的最大位移約4 mm，滿足行車安全性要求，且不影響線路的正常維修[7]。此外，英國針對常用的黏土路基地段的軌道結(jié)構(gòu)形式，對采用XITRACK技術(shù)后的軌道沉降規(guī)律進行了室內(nèi)疲勞試驗。結(jié)果表明，采用XITRACK可顯著改善路基的受力狀態(tài)，大大減少其塑性變形，從而大大減少軌道的后期累積沉降[11]。

圖10　英國Gravel Hole的軟弱路基[7]

圖11　軟弱路基處理的橫斷面

3.3.6橫向約束不足地段

道岔區(qū)和軟弱路基的曲線地段作用有較大的橫向力，軌道方向難以保持，需要頻繁的維修才能保持軌道良好的幾何狀態(tài)。采用XITRACK技術(shù)對肩砟進行處理，處理之前需先調(diào)整好軌道的幾何形位，軌道即可持久保持良好的軌向，且不影響軌道的起道維修[9]，粘結(jié)的橫斷面見圖12。

圖12　XITRACK技術(shù)用于肩砟加固(單位：cm)

3.3.7平交道口

2004年，英國Purfleet深水碼頭的一個擁有大量公路和鐵路貨車通過的平交道口，因路基軟弱和地下水位較高，軌道病害一直持續(xù)不斷。通過對各種處理方案的比選，最終選擇了XITRACK技術(shù)，設(shè)計的橫斷面見圖13。截止到2013年4月，該平交道口運營情況良好，粘結(jié)的區(qū)域還沒有進行過維修作業(yè)[12]。

圖13　XITRACK技術(shù)應(yīng)用于平交道口(單位：cm)

4　對比分析

目前，在國內(nèi)新建鐵路中，在一些橋隧地段試用了泡沫固化道床，應(yīng)用形式與德國類似，這里不再作對比分析。

針對道砟膠對道床參數(shù)的影響，國內(nèi)已做了一些室內(nèi)和現(xiàn)場測試[13-14]，并在一些有砟-無砟過渡段試用了道砟膠固化道床，但其應(yīng)用形式與國外差別較大，對此將作詳細(xì)分析。在防飛砟地段和既有線一些邊坡防護地段應(yīng)用了表層粘結(jié)技術(shù)，與國外相比，國內(nèi)在既有線應(yīng)用很少，下文將對既有線應(yīng)用道砟粘結(jié)技術(shù)時斷面粘結(jié)形式的選擇作詳細(xì)分析。

4.1有砟-無砟過渡段

由圖4知，國內(nèi)應(yīng)用于有砟-無砟過渡段的斷面粘結(jié)形式是影響維修的，但與國外相比又有所不同，主要表現(xiàn)在斷面粘結(jié)形式、粘結(jié)長度和分級數(shù)目。

4.1.1斷面粘結(jié)形式

對比圖3和圖4可知，斷面粘結(jié)形式在第一段類似，粘結(jié)的區(qū)域也最大。因有砟-無砟接合部地段的剛度差異和沉降差異最大，在這個區(qū)域進行最大程度的加強是合適的。國外在粘結(jié)第一段之后，枕底的道砟已不粘結(jié)，而主要是通過改變肩砟的粘結(jié)寬度和軌枕之間的粘結(jié)區(qū)域達到剛度的逐級過渡；國內(nèi)主要是通過粘結(jié)肩砟及邊坡與否達到道床剛度的分級過渡。

4.1.2粘結(jié)長度和分級數(shù)目

國外分4段實現(xiàn)道床剛度的逐級過渡，每段4根軌枕，粘結(jié)總長約10 m。國內(nèi)分3段實現(xiàn)道床剛度的逐級過渡，每段長度均相同。根據(jù)運營速度的不同，粘結(jié)長度為20～45 m。從設(shè)計的角度來說，國內(nèi)在粘結(jié)長度方面考慮了列車速度的影響，具有一定的合理性，但粘結(jié)長度明顯高于國外，分級數(shù)目卻不如國外多。

4.1.3建議的有砟-無砟過渡段粘結(jié)形式

將枕下道砟粘結(jié)一定的厚度不僅提高了道床的剛度，還極大地減小了粘結(jié)區(qū)域及整個軌道結(jié)構(gòu)的后期積累變形，在控制粘結(jié)區(qū)段的后期累積沉降方面是有利的，更易保證軌道的少維修性。但邊坡的粘結(jié)無論從功能上還是從后期累積變形的控制上，都是沒有必要的。此外，為與有砟軌道在剛度和沉降方面有較好的銜接，與有砟道床銜接處枕下粘結(jié)厚度應(yīng)適當(dāng)降低。

通過對比分析道砟膠固化道床在國內(nèi)外新建鐵路的應(yīng)用情況，結(jié)合XITRACK技術(shù)已做的室內(nèi)疲勞試驗，給出國內(nèi)應(yīng)用于有砟-無砟過渡段建議的斷面粘結(jié)形式：普速鐵路分3段進行粘結(jié)，粘結(jié)的橫斷面見圖14，第1段粘結(jié)區(qū)域為1、2和3，第2段為1和3，第3段為減小粘結(jié)厚度的區(qū)域1；客專和高速鐵路分4段進行粘結(jié)，前兩段與普速相同，第3段為區(qū)域1，第4段為減小粘結(jié)厚度的區(qū)域1。

枕下粘結(jié)厚度應(yīng)根據(jù)設(shè)計并結(jié)合施工時道床的狀態(tài)進行確定，道床密實性好的時候可適當(dāng)減小粘結(jié)厚度，否則，應(yīng)增大粘結(jié)厚度。參照鋪裝軌道的經(jīng)驗[15]，為有效控制道床的后期累積沉降，粘結(jié)的最小厚度不宜低于15 cm。

關(guān)于過渡段的粘結(jié)長度，目前國內(nèi)采用的顯得保守，應(yīng)通過動態(tài)測試并結(jié)合動力學(xué)仿真進行確定。

圖14　建議的斷面粘結(jié)形式

4.2既有線斷面粘結(jié)形式的選擇

既有線采用道砟粘粘技術(shù)時，應(yīng)從對道砟的要求、施工性、病害位置及排水功能等方面入手，選擇合適的粘結(jié)材料和相應(yīng)的斷面粘結(jié)形式。

4.2.1對道砟的要求

泡沫固化道床對道砟的要求最高，國內(nèi)均要求為特級材質(zhì)和一級道砟級配[11]，故其主要適用于新建鐵路。道砟膠固化道床對道砟的要求相對較低，即使道床有些許臟污也影響不大，故其在新建鐵路和既有鐵路中均得到了大量應(yīng)用。

4.2.2施工性

泡沫固化道床的施工工藝最為復(fù)雜，需要較多的大型設(shè)備配合并中斷運營；就道砟膠固化道床而言，影響維修的粘結(jié)形式的施工相對簡單，不需要移除鋼軌、軌枕等部件，施工時只需短時輪流封鎖單線，不用全部中斷交通，施工快捷；不影響維修的粘結(jié)形式的施工相對繁瑣，需先將粘結(jié)區(qū)域以上的道砟和軌道部件移除，當(dāng)粘結(jié)區(qū)域的道砟臟污嚴(yán)重或排水不良時，還要進行換砟并對排水功能進行修復(fù)，故施工時需封鎖線路幾天，施工速度相對較慢。

4.2.3斷面粘結(jié)形式的選擇

綜合分析各道砟粘結(jié)技術(shù)對道砟的要求和施工性，考慮到既有線施工要求中斷交通的時間盡可能的短，故既有線應(yīng)用該技術(shù)時，宜采用施工方便快捷并對道砟質(zhì)量要求較低的道砟膠固化道床。

既有線采用道砟膠固化道床時，應(yīng)根據(jù)病害的類型采用相應(yīng)的斷面粘結(jié)形式。當(dāng)病害位于道砟層且路基排水條件良好時，因下部基礎(chǔ)穩(wěn)定，應(yīng)采用對道床擾動最小的影響維修的斷面粘結(jié)形式；當(dāng)病害位于路基或者路基與道床的接合部時，應(yīng)采用不影響維修的斷面粘結(jié)形式，并修復(fù)道床和路基的排水功能。

5　結(jié)語

(1)歸納總結(jié)了聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)外應(yīng)用的斷面粘結(jié)形式。

(2)對比分析了聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)外新建鐵路有砟-無砟過渡段的應(yīng)用情況，指出了國內(nèi)應(yīng)用中的不足，給出了建議的過渡段粘結(jié)形式。

(3)既有線宜采用道砟膠固化道床，并根據(jù)病害的位置和路基排水功能，選擇影響維修的或不影響維修的斷面粘結(jié)形式。

(4)為聚氨酯道砟粘結(jié)技術(shù)在國內(nèi)新建鐵路和既有鐵路的推廣應(yīng)用提供參考。

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Overview of Polyurethane Application in Ballast-bonding of Railway

ZHU Yong-jian

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031, China)

Track maintenance work is frequently conducted in weak sections of ballasted track，and the track geometry is difficult to maintain.Track structure can be strengthened by bonding ballast with polyurethane geocomposites，and maintenance cycle can also be extended.This paper classifies and summarizes polyurethane ballast-bonding practices in weak sections of ballasted track overseas and compares them with the applications in China.The results include the summary of the ballast-bonding section forms used at home and abroad，the comparison and analysis of the applications of polyurethane ballast-bonding technology in new line of the transition zone between ballasted and ballastless sections with suggested bonding form for the zone.The existing railway should use ballast glue to consolidate ballast bed and choose suitable bonding section form depending on the location of defects and drainage function of subgrade.

Polyurethane; Ballast-bonding technology; Existing railway; Ballast glue

2016-03-02；

2016-04-19

朱永見(1987—)，男，博士研究生，研究方向為高速重載軌道結(jié)構(gòu)及軌道動力學(xué)，E-mail：zyjian1987@163.com。

1004-2954(2016)10-0031-05

U214.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.008