鄭新國 潘永健 黃安寧 朱星盛 張立剛 劉克飛 劉競(jìng)

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京橋工段，南京 210008；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；4.中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司，烏魯木齊 830037

由摩擦板及端刺結(jié)構(gòu)組成的臺(tái)后錨固體系是縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)路橋過渡段軌道結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其穩(wěn)定程度對(duì)約束橋梁區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)縱向荷載對(duì)路基區(qū)段軌道結(jié)構(gòu)的影響以及保證縱連軌道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性意義重大［1-4］。某縱連板式高速鐵路線路的Ⅱ型端刺結(jié)構(gòu)臺(tái)后錨固體系隨季節(jié)溫度出現(xiàn)超量伸縮變形，最大變形量達(dá)2 cm，導(dǎo)致在夏季高溫季節(jié)臺(tái)后錨固體系的過渡板擠壓路基段支承層，誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)上拱，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)其上拱量可達(dá)數(shù)毫米［5］。為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，保證軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及耐久性，亟待探尋臺(tái)后錨固體系超量變形原因，并提出針對(duì)性整治方案。本文結(jié)合具體工點(diǎn)，采用沖擊回波法對(duì)錨固體系的脫空情況進(jìn)行無損檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)錨固體系變形超限原因進(jìn)行分析，并根據(jù)運(yùn)營高速鐵路線路天窗施工的工況特征與穩(wěn)定性要求，研究提出了端刺區(qū)結(jié)構(gòu)受力體系原位恢復(fù)技術(shù)方案、施工工藝及配套注漿材料，以期恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，進(jìn)而提升縱連板式無砟軌道的服役性能。

1 錨固體系變形超限原因初探

1.1 臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)脫空現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

為探明縱連板式無砟軌道臺(tái)后錨固體系出現(xiàn)超量變形的原因，采用沖擊回波法對(duì)超量變形的路橋過渡段臺(tái)后錨固體系的摩擦板下及端刺底部脫空情況進(jìn)行無損檢測(cè)。

沖擊回波法［6］的基本原理是當(dāng)被測(cè)對(duì)象存在缺陷時(shí)，沖擊彈性波信號(hào)會(huì)在缺陷處產(chǎn)生反射；通過對(duì)信號(hào)的提取及分析，結(jié)合平面成像技術(shù)可描繪缺陷的形態(tài)及空間位置。因此，當(dāng)摩擦板與路基或端刺底部與路基粘接良好時(shí)，激發(fā)的彈性波在結(jié)構(gòu)界面處無反射；當(dāng)摩擦板與路基或端刺底部與路基粘接不好時(shí)（脫空、浮漿層等等缺陷），激發(fā)的彈性波在結(jié)構(gòu)界面處存在反射。

1）測(cè)區(qū)劃分

摩擦板與路基間脫空檢測(cè)選取1處超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)區(qū)域進(jìn)行測(cè)試，共劃分3個(gè)縱向測(cè)試區(qū)域。測(cè)區(qū)劃分方法是沿線路橫向?qū)⒙芳绾途€間未被無砟軌道覆蓋的三部分摩擦板劃分為3個(gè)縱向測(cè)試區(qū)域（如圖1中藍(lán)色陰影所示），每個(gè)測(cè)試區(qū)域面積為68 m2，總測(cè)試面積為204 m2。測(cè)點(diǎn)間距為50 cm，測(cè)線間距為50 cm，在測(cè)試過程中避開端刺區(qū)域。

圖1 測(cè)區(qū)劃分

端刺底部與路基間脫空檢測(cè)選取1處超量位移的和1處未見明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺區(qū)域進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。每個(gè)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺區(qū)域未被無砟軌道覆蓋的三部分區(qū)域共計(jì)48 m2作為1個(gè)測(cè)區(qū)（如圖2中紅色陰影所示）。測(cè)點(diǎn)間距為50 cm，測(cè)線間距為50 cm。

圖2 大端刺平面成像

2）現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

因摩擦板的厚度為400 mm（局部600 mm），主端刺結(jié)構(gòu)總厚度為3 100 mm。為平衡測(cè)試精度及信號(hào)強(qiáng)度，摩擦板下脫空檢測(cè)采用0.1 kg小激發(fā)錘進(jìn)行彈性波激發(fā)，主端刺底部脫空檢測(cè)采用5 kg大激發(fā)錘進(jìn)行彈性波激發(fā)。檢測(cè)結(jié)果云圖缺陷判定依據(jù)：存在紅色區(qū)域則判定為脫空，藍(lán)色及綠色區(qū)域則判定為不存在脫空。

摩擦板下脫空測(cè)試結(jié)果（表1）顯示，三個(gè)測(cè)區(qū)中最小脫空比例為53.4%，最大為62.1%，整個(gè)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)區(qū)段摩擦板下平均脫空比例達(dá)到58.5%。

表1 摩擦板下脫空測(cè)試結(jié)果

從超量位移和未見明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的主端刺底部脫空檢測(cè)平面成像圖（圖2）可以看出，相比于無明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺來說，存在超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部區(qū)域檢測(cè)結(jié)果明顯可見更大范圍的缺陷區(qū)域。從檢測(cè)結(jié)果（表2）中也可以看出，無明顯異常的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部脫空比例僅為5.2%，存在超量位移的臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)大端刺底部脫空比例達(dá)到55.8%。

表2 大端刺底部脫空測(cè)試結(jié)果

1.2 變形超限原因分析

臺(tái)后錨固體系錨固力主要源自摩擦板底與基床土體間摩阻力及端刺周圍與基床土體間擠壓力?，F(xiàn)場(chǎng)無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變形超限的臺(tái)后錨固體系的摩擦板與基床表層間、端刺底部與基床土體間均存在不同程度的脫空情況。摩擦板與基床表層間脫空主要因?yàn)樵陂L期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板不斷揉搓基床表層土體，導(dǎo)致基床表層土體逐漸松散，并與摩擦板產(chǎn)生脫空。端刺底部及側(cè)面與基床土體間脫空主要因?yàn)樵陂L期縱向往復(fù)荷載作用下，端刺揉搓、擠壓其周圍基床土體，導(dǎo)致端刺周圍基床土體逐漸松散并與端刺周圍產(chǎn)生脫空。而基床土體松散，與摩擦板、端刺間脫空又進(jìn)一步降低臺(tái)后錨固體系錨固力，進(jìn)而加劇錨固體系超量位移，形成惡性循環(huán)。

經(jīng)上述分析，初步明確了臺(tái)后錨固體系在長期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板及端刺不斷揉搓、擠壓與之接觸的基床土體，導(dǎo)致基床土體逐漸松散并在摩擦板下及端刺周圍產(chǎn)生脫空，使錨固體系錨固能力降低，是縱連板式臺(tái)后錨固體系超量變形的主要原因。

2 整治技術(shù)方案研究

結(jié)合臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果以及變形超限原因分析情況，根據(jù)運(yùn)營高速鐵路線路天窗施工的工況特征與穩(wěn)定性要求，基于端刺區(qū)路基脫空的注漿改良增強(qiáng)原理［7］，以恢復(fù)端刺區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)與路基土體間的摩擦力和錨固力為目標(biāo)，系統(tǒng)研究端刺區(qū)結(jié)構(gòu)受力體系原位恢復(fù)技術(shù)方案、施工工藝及配套注漿材料，以提高路基自身對(duì)端刺的變形控制能力，使結(jié)構(gòu)受力體系的摩擦力以及土體對(duì)端刺的約束錨固力有效恢復(fù)。

2.1 整治方案

針對(duì)端刺周圍、摩擦板下與基床土體間脫空造成的臺(tái)后錨固體系超量變形，研究提出適用于臺(tái)后錨固體系恢復(fù)的靜壓注漿加固技術(shù)方案［8］。該技術(shù)利用氣壓把漿液通過注漿管注入摩擦板下和端刺周圍基床土體中，漿液對(duì)端刺、摩擦板與基床土體間脫空進(jìn)行充填，同時(shí)對(duì)松散基床土體進(jìn)行擠密和滲透加固（如圖3所示）。

圖3 臺(tái)后錨固體系超量變形整治前后對(duì)比

由于漿液的充填、劈裂擠密和滲透膠結(jié)作用，可以達(dá)到在消除脫空層的同時(shí)恢復(fù)甚至超越基床土體原設(shè)計(jì)力學(xué)性能，進(jìn)而恢復(fù)臺(tái)后錨固體系錨固性能的目的。

2.2 整治工藝

針對(duì)端刺周圍與基床土體間、摩擦板與基床土體間兩種工況，提出摩擦板與路基土體間采用套封管注漿工藝，端刺結(jié)構(gòu)周圍采用袖閥管退管注漿工藝兩種整治工藝。這兩種工藝的注漿孔布置如圖4所示。

圖4 注漿孔布置（單位：mm）

2.2.1 摩擦板下注漿加固工藝

摩擦板下注漿加固工藝主要包括鉆孔、裝注漿管和注漿三個(gè)步驟。

1）鉆孔。按圖4所示位置標(biāo)記鉆孔孔位，采用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)摩擦板上層縱橫向鋼筋并適當(dāng)調(diào)整孔位以避開鋼筋。采用水鉆機(jī)豎直向下鉆孔并穿透摩擦板，孔徑為50 mm。

2）裝注漿管。在孔內(nèi)安裝套封注漿管，注漿管通過密封套密封并將注漿管固定在摩擦板上（圖5）。密封套通過壓縮空氣、高壓水實(shí)現(xiàn)膨脹與收縮，也可以通過橡膠馕（套）實(shí)現(xiàn)壓緊膨脹與放松收縮，從而實(shí)現(xiàn)注漿管與摩擦板鉆孔孔壁的密封與固定。

圖5 摩擦板下注漿加固工藝

3）注漿。調(diào)試好注漿設(shè)備，注漿材料性能測(cè)試滿足要求后進(jìn)行注漿，注漿壓力控制在0.1～0.5 MPa，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩擦板高程變化，當(dāng)摩擦板高程增長超過0.2 mm時(shí)停止注漿。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)最大注漿壓力或者注漿量時(shí)完成該注漿孔的注漿，并采用微膨脹聚合物砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵。

2.2.2 端刺周圍注漿加固工藝

端刺周圍注漿加固工藝主要包括鉆孔、插設(shè)注漿管、注漿、提管、循環(huán)注漿五個(gè)步驟。

1）鉆孔。按圖4所示位置標(biāo)記鉆孔孔位，采用鋼筋探測(cè)儀探測(cè)摩擦板上層縱橫向鋼筋并適當(dāng)調(diào)整孔位以避開鋼筋。采用水鉆機(jī)豎直向下鉆孔并穿透摩擦板，孔徑為50 mm。

2）插設(shè)注漿管。在鉆出的孔內(nèi)通過錘擊方式將袖閥管插入基床土體中，通過套接方式加長至設(shè)計(jì)深度。注漿管外徑為30 mm。

3）注漿。調(diào)試好注漿設(shè)備，注漿材料性能測(cè)試滿足要求后進(jìn)行注漿（如圖6所示），注漿壓力控制在0.1～0.5 MPa，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩擦板高程變化，當(dāng)摩擦板高程增長超過0.2 mm時(shí)停止注漿。當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)最大注漿壓力或者注漿量時(shí)完成該注漿孔的注漿。

圖6 端刺周圍注漿加固工藝

4）提管。向上提升注漿管，每次提升高度約0.5 m。當(dāng)注漿管出漿孔距摩擦板底不足1 m時(shí)，為防止冒漿，采用快硬砂漿或泡沫膠封堵注漿管與摩擦板間空隙。

5）循環(huán)注漿。重復(fù)步驟（4）和步驟（5）直至注漿完成。注漿完成后，采用微膨脹聚合物砂漿對(duì)注漿孔進(jìn)行封堵。

2.3 整治材料

為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，更好地配套靜壓注漿加固整治技術(shù)、保證整治效果，研發(fā)出了粒徑小、流變性好、凝結(jié)硬化快、結(jié)石強(qiáng)度高的大流態(tài)高滲透活性粒子漿體，能實(shí)現(xiàn)在低壓作業(yè)條件下密實(shí)填充脫空區(qū)域，進(jìn)而有效恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能。

大流態(tài)高滲透活性粒子漿體是以水泥為基體，經(jīng)多次改性及沖、研、磨、剪等機(jī)械力的多次連續(xù)疊加和重復(fù)作用，使其顆粒細(xì)度急劇下降，比表面積迅速增大，輸入能量中的大部分轉(zhuǎn)換成為新顆粒的內(nèi)能和表面能，使之具有更高的活性；其最大比表面積可達(dá)到4 500 m2/kg以上，平均粒徑小于2μm甚至可以達(dá)到1μm以下，是廣義上的納米級(jí)材料；可注入25μm以內(nèi)的細(xì)微裂縫之中，既有良好的可注性，又使被加固體的力學(xué)性能得以大幅提升。大流態(tài)高滲透活性粒子漿體雖然為無機(jī)超微細(xì)水泥基材料，但具有接近化學(xué)漿液的注入性，而且其結(jié)石強(qiáng)度遠(yuǎn)高于低分子化學(xué)注漿材料（表3），對(duì)地下水和環(huán)境無污染，耐久性好，與混凝土結(jié)構(gòu)等壽命相當(dāng)。

表3 大流態(tài)高滲透活性粒子漿體結(jié)石強(qiáng)度

大流態(tài)高滲透活性粒子漿體的超細(xì)粒徑還決定了其具有較普通水泥漿液優(yōu)異的滲透性能；由于該活性粒子材料的高比表面積及表面化學(xué)改性決定了其具有很高的表面活性，在同等條件下，使被加固的土體具有更高的力學(xué)性能。

3 結(jié)論

1）縱連板式高速鐵路線路Ⅱ型端刺結(jié)構(gòu)臺(tái)后錨固體系隨季節(jié)溫度出現(xiàn)超量伸縮變形，最大變形量達(dá)2 cm，尤其在高溫季節(jié)，其超量變形誘發(fā)軌道結(jié)構(gòu)上拱，其上拱量達(dá)數(shù)毫米。

2）采用沖擊回波法對(duì)路橋過渡段臺(tái)后錨固體系的摩擦板、端刺的脫空情況進(jìn)行無損檢測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)變形超限的臺(tái)后錨固體系的摩擦板與基床表層、端刺與周圍土體間存在脫空情況；該脫空是因臺(tái)后錨固體系在長期縱向往復(fù)荷載作用下，摩擦板及端刺不斷揉搓、擠壓與之接觸的基床土體，導(dǎo)致基床土體逐漸松散并產(chǎn)生脫空，使錨固體系錨固能力降低；結(jié)合無異常變形端刺的脫空檢測(cè)對(duì)比分析，初步探明了該脫空是引起縱連板式臺(tái)后錨固體系超量變形的主要原因。

3）為恢復(fù)臺(tái)后錨固體系理論設(shè)計(jì)狀態(tài)及錨固力，提出靜壓注漿加固填充錨固結(jié)構(gòu)與路基土體間的脫空并對(duì)松散基床土體進(jìn)行擠密和滲透加固的病害綜合整治技術(shù)方案，可有效恢復(fù)臺(tái)后錨固結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，提升縱連板式無砟軌道的服役性能。

4）研發(fā)出了粒徑小、流變性好、凝結(jié)硬化快、結(jié)石強(qiáng)度高的大流態(tài)高滲透活性粒子漿體，能實(shí)現(xiàn)在低壓作業(yè)條件下密實(shí)填充脫空區(qū)域，結(jié)實(shí)率98%以上，可有效改善被加固土體的力學(xué)性能。