我國(guó)板式無砟軌道的維修與部件更換研究

王 濤，王 鑫，吳紹利，李海燕，邵丕彥

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

近年來，我國(guó)逐步成為世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程最多的國(guó)家。從已開通運(yùn)營(yíng)的高鐵線路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研看，我國(guó)無砟軌道總體使用情況良好，但由于列車荷載和自然環(huán)境因素的長(zhǎng)期作用，軌道結(jié)構(gòu)部件在服役期間局部出現(xiàn)軌道板裂紋、破損，高速道岔傷損，水泥乳化瀝青砂漿離縫、破損或碎裂，道床沉降超限等［1-8］。這些不僅影響美觀，而且存在安全隱患，因此，須對(duì)這些結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行維修或更換。

本文針對(duì)CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式無砟軌道國(guó)內(nèi)外維修現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)有軌道部件維修或更換理論的不足，提出了研究方向，結(jié)合鋼軌、軌道板、道岔、砂漿充填層等軌道部件更換所需的材料、機(jī)具和工法，探討了快速更換技術(shù)。

1 軌道維修技術(shù)

國(guó)外主要作了結(jié)構(gòu)部件維修方面的研究與應(yīng)用。日本是最早建成高速鐵路并投入運(yùn)營(yíng)的國(guó)家，單元板式無砟軌道是其主要的結(jié)構(gòu)形式。在下部結(jié)構(gòu)變形至某一限度時(shí)可進(jìn)行修補(bǔ)，是在板式軌道結(jié)構(gòu)中采用CA砂漿的主要目的之一。CA砂漿的研發(fā)始于1965年，大范圍推廣應(yīng)用始于1975年開通運(yùn)營(yíng)的山陽(yáng)新干線西段，至今在新干線上鋪設(shè)長(zhǎng)度達(dá)2 600 km。經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，對(duì)單元板式無砟軌道病害的成因及發(fā)展機(jī)理做了較深入的研究，并針對(duì)充填層CA砂漿不同的病害提出了相應(yīng)的修復(fù)標(biāo)準(zhǔn)及維護(hù)方法。

根據(jù)JR東日本公司對(duì)東北新干線近6 km板式軌道板下砂漿填充層傷損狀況的調(diào)查資料［9］，可區(qū)分為裂縫、剝離和碎裂三種傷損類型，如圖1所示。

圖1 砂漿傷損狀況

維護(hù)檢查時(shí)，按照缺損和離縫兩種情況對(duì)傷損程度分成了三級(jí)。A級(jí):引起注意，記錄在案;B級(jí):按計(jì)劃地修補(bǔ);C級(jí):迅速修補(bǔ)。針對(duì)缺損的維修方法包括采用樹脂進(jìn)行的模板灌注法、采用樹脂砂漿的抹子填塞法和采用超早強(qiáng)砂漿法(必要時(shí)用玻璃布補(bǔ)強(qiáng))等。針對(duì)砂漿與軌道板的離縫，采用的修補(bǔ)方法是樹脂灌注法，即先在軌道板板面注入口上插入漏斗，然后采用粘合性強(qiáng)、流動(dòng)性好的液態(tài)樹脂進(jìn)行灌注。

經(jīng)過長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的積累，日本除開發(fā)CA砂漿修補(bǔ)技術(shù)外，還對(duì)單元板式無砟軌道其他方面維修技術(shù)進(jìn)行了較多研究，主要包括:①軌道板裂縫修補(bǔ)技術(shù);②軌道板(或混凝土底座)缺損掉塊修復(fù)技術(shù);③凸臺(tái)樹脂維修技術(shù)。

德國(guó)是世界上最早研究和發(fā)展縱連板式無砟軌道結(jié)構(gòu)的國(guó)家，德國(guó)于1977年開始進(jìn)行縱連板式無砟軌道研究，并于1999年在德國(guó)客貨混運(yùn)的卡爾斯魯厄至海德堡之間建成了一段長(zhǎng)735 m的博格板式無砟軌道直線試驗(yàn)段。此后，又在德國(guó)胡蘇姆附近的哈特施德特建成了第二條長(zhǎng)度為285 m的博格板式無砟軌道曲線示范段，在2006年開通運(yùn)營(yíng)的紐倫堡—英戈施塔特高速鐵路上鋪設(shè)了70 km博格板式無砟軌道。雖然德國(guó)的應(yīng)用時(shí)間較短，但也有一定的維修經(jīng)驗(yàn)［9］，并對(duì)道床板混凝土受損、軌道結(jié)構(gòu)層間連接失效以及整體變形等傷損提出了相應(yīng)的修復(fù)技術(shù)。當(dāng)基礎(chǔ)沉降造成軌道位置改變時(shí)，采用普通軌道扣件通常最多可將軌道高程調(diào)高50 mm。如果這種校正余量不能滿足實(shí)際需要，還可重新調(diào)整軌道板的高程。具體方法是先用索鋸將軌道板與灌漿層分離清除，之后抬起軌道板并精確定位、重新灌注砂漿。此方法可調(diào)高幾個(gè)厘米，但此方法是博格公司在其試驗(yàn)基地進(jìn)行的。

國(guó)內(nèi)無砟軌道維修技術(shù)與板式無砟軌道建設(shè)發(fā)展歷程有關(guān)。早期主要針對(duì)容易傷損的CA砂漿充填層，最早于20世紀(jì)70年代進(jìn)行了板式無砟軌道結(jié)構(gòu)和CA砂漿的研究工作，并鋪設(shè)了兩個(gè)試驗(yàn)段。2002年在秦沈客運(yùn)專線狗河橋和雙河橋上分別采用國(guó)內(nèi)研制的兩種水泥瀝青砂漿和進(jìn)口的日本 CA砂漿［2］，2005年在遂渝線也進(jìn)行了CRTSⅠ，CRTSⅡ型無砟軌道結(jié)構(gòu)與充填層CA砂漿的試驗(yàn)，通車后均出現(xiàn)了砂漿傷損現(xiàn)象。原鐵道部于2006年11月成立了“無砟軌道技術(shù)再創(chuàng)新”重大技術(shù)攻關(guān)組，開展了引進(jìn)技術(shù)國(guó)產(chǎn)化以及自主技術(shù)再創(chuàng)新攻關(guān)，研究成果用于武漢綜合試驗(yàn)段及嚴(yán)寒地區(qū)成高子站試驗(yàn)段后，推廣應(yīng)用于石太、滬寧、廣珠、京滬、哈大、滬杭、京石武等高速鐵路建設(shè)中，工程質(zhì)量得到明顯提升［9］。

在進(jìn)行無砟軌道技術(shù)研發(fā)的同時(shí)，板式軌道的維修技術(shù)研究也取得了成果。2010年部課題《水泥乳化瀝青砂漿病害綜合修補(bǔ)技術(shù)研究》順利完成，對(duì)無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿填充層的邊角掉塊及離縫等傷損情況進(jìn)行了分類，提出了傷損等級(jí)和評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，并研制出相應(yīng)的修補(bǔ)材料，確定了修補(bǔ)施工工藝及設(shè)備。主要維修技術(shù)內(nèi)容包括:①CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂漿離縫維修技術(shù)。研制了適合CRTSⅠ，CRTSⅡ型板不同剛度的樹脂灌注材料和施工機(jī)具。②CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂漿缺損維修技術(shù)。對(duì)CRTSⅠ型板砂漿缺損，采用樹脂與膠粒混合材料，可以實(shí)現(xiàn)快速固化并提供合理的剛度。對(duì)CRTSⅡ型板砂漿缺損，采用彈性樹脂材料進(jìn)行維修。③軌道板承軌臺(tái)修復(fù)技術(shù)。采用鉆孔植筋和快速固化樹脂進(jìn)行維修。④凸臺(tái)樹脂維修技術(shù)。研制了快速固化的聚氨酯樹脂。上述維修方法在武廣、石太、滬寧、京津等多條線路上得到了應(yīng)用，效果良好，并已納入了《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》［10-13］。

2 軌道部件更換

無砟軌道結(jié)構(gòu)部件的維修與更換是兩個(gè)不同層次的軌道修復(fù)方式。維修在于保養(yǎng)軌道各組成部分，防止病害產(chǎn)生或進(jìn)一步發(fā)展，以保持軌道幾何形位和軌面平順為主。部件更換則是使軌道質(zhì)量恢復(fù)到初始標(biāo)準(zhǔn)或達(dá)到更高標(biāo)準(zhǔn)，屬于中修甚至大修范疇，兩者的綜合難易程度具有較大差異。

一般而言，國(guó)內(nèi)外無砟軌道結(jié)構(gòu)部件的維修或更換分三個(gè)階段。第一階段，當(dāng)軌道變形較小時(shí)，可用鋼軌扣件進(jìn)行調(diào)整;第二階段，軌道變形較大僅利用扣件難以調(diào)整時(shí)，可在軌道板與砂漿墊層之間灌注充填材料進(jìn)行調(diào)整;第三階段，軌道變形顯著或因突發(fā)災(zāi)害事件及其他原因?qū)е聼o砟軌道部件失效，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)的情況，則需要更換軌道部件，進(jìn)行徹底整治。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)維修的研究與應(yīng)用主要集中在第二階段，我國(guó)也開展了諸多針對(duì)第二階段工況維修的研究與應(yīng)用，如抬板注漿維修法［14］。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)傷損形式多樣，針對(duì)不同維修工況的相關(guān)計(jì)算模型和理論分析工作缺乏系統(tǒng)深入的研究，如CRTSⅠ型軌道板抬高到什么程度時(shí)需要對(duì)凸臺(tái)進(jìn)行加高或者更換處理。

第三階段的軌道部件更換，屬于無砟軌道大修技術(shù)研究范疇，是較前瞻性的儲(chǔ)備技術(shù)。我國(guó)無砟軌道通車?yán)锍涕L(zhǎng)、環(huán)境跨度大，這是必須研究的重要課題，重點(diǎn)在于材料、設(shè)備和工法的研究。

2.1 軌道部件更換理論基礎(chǔ)與材料

無砟軌道最易傷損的薄弱結(jié)構(gòu)是充填層，由于修理時(shí)間有限，搶修的充填層材料無法具備與新建鐵路相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，對(duì)此，還需從理論上演算出搶修材料在首次通車時(shí)最低的力學(xué)性能要求，據(jù)此結(jié)果來研發(fā)適宜于部件更換搶修的充填層砂漿或樹脂等材料。

有研究認(rèn)為無砟軌道部件更換宜采用替代現(xiàn)有支承方案的方法，待需要替換部位達(dá)到強(qiáng)度時(shí)再將替換支承取消而采用原有支承。Rheda2000無砟軌道更換方案即采用這種思路。這種思路可以保證材料有充分的硬化時(shí)間，但需要可靠的臨時(shí)支護(hù)方案，甚至需要在現(xiàn)有軌道旁邊再修一段軌道，造價(jià)較高且在橋梁和隧道地段無法實(shí)現(xiàn)。這種修復(fù)方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算可以直接利用原有的軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。對(duì)于無砟軌道修復(fù)來說，僅部分材料產(chǎn)生破壞，軌道的主要支承條件并未發(fā)生根本改變，計(jì)算時(shí)僅考慮完好部分軌道的受力和變形對(duì)修復(fù)部分的影響，采用線彈性計(jì)算理論即可解決問題。針對(duì)保持原有支承條件的前提下進(jìn)行局部更換，需要建立全新的理論模型和計(jì)算方法。與以往的無砟軌道修復(fù)計(jì)算方法不同的是，軌道的支承需要修復(fù)材料獨(dú)自完成，因此在建模時(shí)應(yīng)考慮材料在達(dá)到強(qiáng)度指標(biāo)最終硬化過程中的本構(gòu)關(guān)系，需要建立考慮材料非線性的理論計(jì)算模型和計(jì)算方法。

2.2 軌道部件更換機(jī)具

無砟軌道維護(hù)的天窗時(shí)間短，對(duì)軌道部件的更換速度提出了較高要求。除各部門的協(xié)調(diào)組織要及時(shí)外，研發(fā)專業(yè)機(jī)具是實(shí)現(xiàn)軌道部件快速更換的關(guān)鍵。若主要采用人工則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，如2013年10月某軌道板和底座板的更換，約160人連續(xù)花費(fèi)10 d，在此之前還籌備和演練了將近7個(gè)月。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)無砟軌道實(shí)際情況，依托自動(dòng)化程度高的專業(yè)機(jī)具，研究更換方案，經(jīng)實(shí)際工程驗(yàn)證后逐步推廣。

部件更換所需機(jī)具應(yīng)包括分離充填層的切割裝置、軌道板快速定位裝置等。另外，還需進(jìn)行此類專用切割機(jī)具的設(shè)計(jì)開發(fā)，以滿足我國(guó)無砟軌道部件的快速更換。

2.3 軌道部件更換工法

軌道部件更換速度與質(zhì)量是運(yùn)輸秩序與安全的重要保障，針對(duì)不同的部件，應(yīng)采用不同的工藝與材料。在無砟軌道結(jié)構(gòu)中，有長(zhǎng)鋼軌、道岔、軌道板和充填層四種大部件，其更換較為復(fù)雜，而且，當(dāng)前并沒有詳細(xì)工法，處于探索階段。

高速鐵路無砟軌道長(zhǎng)軌更換施工，是軌道結(jié)構(gòu)大修中的一項(xiàng)主要內(nèi)容。文獻(xiàn)［15］介紹了240 min內(nèi)的長(zhǎng)軌更換施工，提出研發(fā)適宜無砟軌道的換軌大修作業(yè)機(jī)具，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工，進(jìn)一步探索高速鐵路運(yùn)輸天窗條件下無砟軌道長(zhǎng)軌更換施工技術(shù)。

軌道板更換工藝也較為復(fù)雜，包括松開扣件，軌道板運(yùn)輸、精調(diào)，現(xiàn)場(chǎng)充填層快速搶修材料的制備、施工等，整個(gè)過程極為繁瑣。針對(duì)CRTSⅡ型軌道板更換，文獻(xiàn)［16］提出了兩種更換流程。一種切割鋼軌進(jìn)行更換，另一種不切割鋼軌而是從側(cè)面推出軌道板進(jìn)行更換，但CRTSⅠ型板由于凸臺(tái)限位，不能采用這種側(cè)面推出軌道板更換的方式，因此，對(duì)于板式無砟軌道板的更換還需根據(jù)機(jī)械開發(fā)、材料研發(fā)，結(jié)合具體更換條件進(jìn)行工法研究。

我國(guó)高速鐵路使用的高速道岔主要型號(hào)為18#和42#，其道岔尖軌、基本軌最長(zhǎng)超過50 m，轍叉最長(zhǎng)達(dá)30 m，而且軌件重量也較普速道岔增加較多，道岔部件長(zhǎng)度和重量的增加對(duì)其裝卸、運(yùn)輸、更換造成了較大困難［17］。文獻(xiàn)［18］介紹了460 min內(nèi)高速鐵路無砟軌道轍叉更換施工流程，但還需結(jié)合機(jī)具研發(fā)進(jìn)一步探索天窗時(shí)間內(nèi)無砟軌道大號(hào)碼道岔轍叉、尖軌更換施工技術(shù)。

砂漿充填層更換主要涉及搶修材料的可施工性、快硬性和耐久性，且其最終力學(xué)性能應(yīng)與軌道結(jié)構(gòu)匹配。此類特殊材料應(yīng)結(jié)合實(shí)際進(jìn)行專業(yè)研發(fā)。相關(guān)輔助工序也是充填層更換的重要環(huán)節(jié)，如舊充填層快速分離清除等，隨著相關(guān)專用成套設(shè)備的研發(fā)面世，快捷更換充填層砂漿成為可能。

無砟軌道部件更換后，所用搶修材料同與之相連的材料力學(xué)性能會(huì)存在差異，有可能造成軌道剛度不均勻。鑒于搶修材料在工作過程中還存在逐漸硬化的過程，為了分析部件更換后對(duì)無砟軌道整體性能和行車的影響，需要建立基于搶修材料非線性的理論計(jì)算模型，確定合理的搶修材料力學(xué)性能曲線，然后才能更好地指導(dǎo)無砟軌道部件更換與運(yùn)輸組織，保證行車安全。

3 結(jié)語(yǔ)

CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式無砟軌道在服役過程可能產(chǎn)生的傷損類型較多，宜根據(jù)軌道結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)傷損的不同程度，分別采用維修和更換兩種不同的方式修復(fù)。在軌道維修技術(shù)方面，我國(guó)已采用了板式軌道局部破損的樹脂快速修補(bǔ)技術(shù)、道床沉降的抬板注漿維修技術(shù)等，多條客運(yùn)專線維修試驗(yàn)的軌檢數(shù)據(jù)證明其效果良好。在軌道部件更換技術(shù)方面，應(yīng)總結(jié)形成我國(guó)軌道板、充填層和高速道岔的快速更換工法，充分發(fā)揮理論研究、材料研發(fā)、機(jī)械設(shè)計(jì)等領(lǐng)域的技術(shù)集成成果，提高我國(guó)無砟軌道技術(shù)體系的完整性與先進(jìn)性。

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