快速修復(fù)CRTSⅠ型板式軌道沉降的抬板疊灌法

王　濤，李海燕，邵丕彥，吳韶亮，劉子科，楊榮山

(1.中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081；2.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都　610031)

CRTSⅠ型板式無砟軌道是我國高速鐵路建設(shè)的主型結(jié)構(gòu)之一，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力機(jī)理明確、施工快捷等特點(diǎn)，在國內(nèi)外均有較多的應(yīng)用[1-2]。從已開通運(yùn)營的高鐵線路現(xiàn)場調(diào)研看，我國無砟軌道總體使用情況良好，但在列車荷載和自然環(huán)境因素的長期作用下，當(dāng)前已有路基地段出現(xiàn)道床沉降病害，存在安全隱患，需進(jìn)行整治修復(fù)[3-4]。

目前整治CRTSⅠ型板式無砟軌道沉降超限[5-7]的方法有路基注漿抬升法、板下袋裝灌注快硬水泥砂漿法和板下樹脂填充法等，這些方法雖然在理論上能滿足現(xiàn)行維修規(guī)程的要求，但各存在以下不足：注漿需打孔且注入材料不能取出；快硬水泥砂漿的強(qiáng)度與彈性模量遠(yuǎn)高于原CA砂漿，兩者的力學(xué)性能難以匹配；板下樹脂填充法雖然在急需整治的地段有工程應(yīng)用，但所用樹脂材料的價(jià)格高、施工環(huán)境要求嚴(yán)格、四周封閉工序耗時(shí)長、存放還需做好防火措施等。

根據(jù)CRTSⅠ型板式無砟軌道的單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出快速修復(fù)板式軌道沉降的抬板疊灌法，即抬升軌道板至目標(biāo)高度，在原砂漿層上鋪設(shè)灌注袋，再灌注特種快硬CA砂漿[8]，從而實(shí)現(xiàn)CRTSⅠ型板式無砟軌道的沉降病害快速修復(fù)。該快硬CA砂漿的彈性模量、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能不但與原有砂漿匹配，且相對省時(shí)、省人力，可大幅節(jié)省沉降維修成本，其關(guān)鍵難點(diǎn)在于快硬CA砂漿的制備和薄層快速疊灌技術(shù)。本文采用現(xiàn)場試驗(yàn)與仿真分析結(jié)合的方法，研究快硬CA砂漿的性能、灌注工藝以及抬板疊灌法的可靠性。

1　快硬CA砂漿的制備

相比其他充填層材料，CRTSⅠ型板式無砟軌道充填層原有CA砂漿的彈性模量較低，具有一定減振性能，這主要是因?yàn)樵撋皾{的配合比中乳化瀝青的用量占比較大。為確?？煊睠A砂漿的彈性模量與原有充填層CA砂漿的匹配，仍保持原有CA砂漿的配合比不變，選用特制的專用乳化瀝青和特種干料進(jìn)行快硬CA砂漿的制備?？煊睠A砂漿各種材料的單位體積用量見表1。其中，特制的專用乳化瀝青為陽離子型，固含量60%；特種干料的硬化速度較快，能與專用乳化瀝青制備出2 h抗壓強(qiáng)度達(dá)0.2 MPa以上的快硬CA砂漿；促硬劑為實(shí)驗(yàn)室自制；消泡劑為有機(jī)硅類；引氣劑為松香類。

表1　快硬CA砂漿單位體積用量　kg·m-3

疊灌用快硬CA砂漿采用南方路機(jī)砂漿攪拌車制備，攪拌工藝為:先加水、乳化瀝青、消泡劑，以30 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌60 s；再加干料，以80 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌60 s；最后加引氣劑， 以120 r·min-1的高轉(zhuǎn)速攪拌120 s，再以30 r·min-1的轉(zhuǎn)速攪拌30 s，砂漿制備完成。

2　疊灌工藝

以尺寸最大的P4962型軌道板為例闡明疊灌工藝。假定路基沉降后，P4962型軌道板的抬高量目標(biāo)值為10 mm(文獻(xiàn)[9]表明不需要加高凸臺)。先將軌道板抬高約20 mm，塞入灌注袋并鋪好，再將軌道板落下10 mm，通過精調(diào)控制軌道板底部與原砂漿層間的空腔厚度為10 mm，完成鋪袋。

將砂漿車中的快硬CA砂漿拌和物送入泵送設(shè)備的料斗中，通過砂漿泵和管道運(yùn)送拌和物，泵管的出口直接與灌注袋口相連，進(jìn)行灌注。

3　快硬CA砂漿性能與灌注質(zhì)量現(xiàn)場試驗(yàn)研究

由于快硬CA砂漿的凝結(jié)硬化速度快，短期水化放熱量大，因此泵送時(shí)由于與管道的摩擦，理論上會使砂漿升溫，可能影響其性能。分別在泵送設(shè)備料斗中和泵管出口處取樣(同一鍋砂漿)，測試快硬CA砂漿拌和物的性能(流動(dòng)度、含氣量、密度、溫度等)；成型試樣在同條件養(yǎng)護(hù)后，測試快硬CA砂漿的分離度、膨脹率、2 h抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)。疊灌結(jié)束2 h后，沿?zé)o砟軌道板的四周查看疊灌的快硬CA砂漿的硬化狀態(tài)及飽滿程度，并通過揭板檢查快硬CA砂漿的表面和斷面情況，評價(jià)疊灌的效果。

3.1　快硬CA砂漿的性能

在環(huán)境溫度為30 ℃的條件下未泵送和經(jīng)水平泵送80 m的快硬CA砂漿拌和物及硬化后的性能及現(xiàn)行技術(shù)條件[10]分別見表2和表3。

從表2和表3可以看出，泵送前后快硬CA砂漿拌和物的性能和硬化后性能均符合現(xiàn)行技術(shù)條件的要求。

表2表明，經(jīng)80 m水平距離泵送后，新拌快硬CA砂漿的性能未受影響，其流動(dòng)度、含氣量、密度、溫度和泌水率5項(xiàng)指標(biāo)基本穩(wěn)定?？煊睠A砂漿出攪拌機(jī)的溫度比環(huán)境溫度高2.5 ℃，原因在于快硬CA砂漿的初始水化放熱快而導(dǎo)致其溫度上升，而當(dāng)緩凝組分發(fā)揮作用后，大幅減緩了水化速度，抑制了放熱與溫升；快硬CA砂漿泵送后，相比出機(jī)溫度反而略有降低，原因可能在于泵送前管道的溫度基本與環(huán)境一致，低于砂漿的出機(jī)溫度，經(jīng)過泵送，兩者熱量交換，使砂漿溫度略降低，這也說明在短時(shí)間內(nèi)泵送少量的快硬CA砂漿時(shí)，可忽略管壁摩擦對砂漿升溫的影響，但另一方面，若管道長時(shí)間連續(xù)泵送快硬CA砂漿，其與管壁的摩擦升溫可能會加速快硬砂漿的水化，從而降低其可泵性。

表2未泵送和經(jīng)水平泵送80m的快硬CA砂漿拌和物性能及現(xiàn)行技術(shù)條件

工況流動(dòng)度/s含氣量/%密度/(kg·m-3)溫度/℃泌水率/%未泵送1968616103250經(jīng)水平泵送80m2048616103220技術(shù)條件要求18～268～12>13005～400

表3未泵送和經(jīng)水平泵送80m的快硬CA砂漿硬化后性能及現(xiàn)行技術(shù)條件

工況分離度/%膨脹率/%抗壓強(qiáng)度/MPa未泵送041802(2h)經(jīng)水平泵送80m041802(2h)技術(shù)條件要求<1010～30>01(1d)

表3表明，泵送前后快硬CA砂漿的分離度、膨脹率和抗壓強(qiáng)度3項(xiàng)指標(biāo)均相同，且2 h抗壓強(qiáng)度均達(dá)到0.2 MPa，按相關(guān)維修標(biāo)準(zhǔn)要求，有可能在4 h天窗時(shí)間內(nèi)完成抬板疊灌修復(fù)軌道沉降的作業(yè)。

3.2　快硬CA砂漿的疊灌質(zhì)量

按現(xiàn)行的灌注漏斗法施工工藝，將快硬CA砂漿泵送至灌注漏斗中，打開閥門開始灌注，砂漿灌注緩慢，經(jīng)10 min只填充P4962型軌道板下面積約1/3，而此時(shí)漏斗中砂漿已裝滿(液位高差約1.3 m)，且灌注漏斗中的砂漿流動(dòng)性良好，但就是不能繼續(xù)灌入袋中，原因在于板腔變薄后，漏斗中的砂漿液面水頭壓力不夠，因而，疊灌10 mm厚的板腔時(shí)不宜采用漏斗自流灌注，應(yīng)增加砂漿壓力進(jìn)行薄層疊灌。

將泵管出口直接與灌注袋口連接，借助砂漿泵增加快硬CA砂漿的充填動(dòng)力，直接泵送CA砂漿到灌注袋中，僅用約1 min即可灌注完軌道板下10 mm厚的薄層空腔，疊灌情況如圖1所示，經(jīng)檢查，疊灌砂漿四周飽滿。揭板效果如圖2所示。

圖1　疊灌施工情況

圖2　疊灌砂漿斷面

砂漿揭板表面平整、無起皮，顏色均勻、無沉砂，斷面厚度約10 mm，揭板質(zhì)量良好。

通過直接泵送入袋的方式，快硬CA砂漿可填充厚度為10 mm的薄層疊灌板腔，且灌注速度快，能保證出漿口與四角飽滿，機(jī)械化程度高，節(jié)省人力和物力。

泵送疊灌工藝施工簡便快捷、充填飽滿、揭板效果好、且適應(yīng)于厚度小的薄層板腔灌注，可用于CRTSⅠ型軌道結(jié)構(gòu)沉降超限時(shí)的快速整治修復(fù)。相比有機(jī)樹脂材料，快硬CA砂漿主要用特種水泥和乳化瀝青制成，可大幅降低原材料成本，且配比與原墊層的CA砂漿相同，力學(xué)性能也與原墊層砂漿的CA相匹配。

4　快硬CA砂漿使用性能研究

為了驗(yàn)證疊灌法快速修復(fù)板式軌道2 h后可滿足通車要求，且相對薄弱的快硬CA砂漿不會開裂破損，運(yùn)用ANSYS軟件建模分析。

考慮疊灌方式的“雙充填層”結(jié)構(gòu)，采用彈性地基梁體模型理論建立CRTSⅠ梁體模型，軌道板、底座板、砂漿用實(shí)體單元模擬，鋼軌、扣件、軌道板等軌道結(jié)構(gòu)部件間通過彈性元件連接，鋼軌等效為無限長支點(diǎn)梁、扣件等效成彈性元件，利用ANSYS有限元分析軟件建立3塊軌道板長度的CRTSⅠ型板式無砟軌道實(shí)體模型, 如圖3所示。分析疊灌快修砂漿2 h硬化后，列車荷載和溫度梯度對疊灌砂漿層的影響?？紤]軌道板、快硬CA砂漿層與原CA砂漿層之間的滑移和摩擦，摩擦系數(shù)取0.3，疊灌快硬CA砂漿彈性模量取200 MPa，原CA砂漿彈性模量取300 MPa；計(jì)算時(shí)列車的垂向荷載取常用輪載150 kN，按單軸雙輪逐次加載，加載位置位于扣件上方。

圖3　CRTSⅠ型板式軌道實(shí)體模型

4.1　列車垂向荷載的單獨(dú)作用

在列車垂向荷載的單獨(dú)作用下，10 mm厚疊灌快硬CA砂漿層的最大垂向壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力以及縱向和橫向位移如圖4—圖7所示。

圖4　砂漿層最大垂向壓應(yīng)力

圖5　砂漿層最大剪切應(yīng)力

圖6　砂漿層最大縱向和橫向位移

圖7　砂漿層最大縱向和橫向拉應(yīng)力

由圖4和圖5可知，荷載傳遞到快硬砂漿層和原有砂漿層時(shí)，兩層的受力均勻，快硬砂漿層受到的最大垂向壓應(yīng)力為130.22～130.82 kPa，原砂漿層受到的最大垂向壓應(yīng)力為123.54～124.26 kPa，快硬砂漿層和原砂漿層的最大剪切應(yīng)力僅為5～15 kPa，均較低。由圖6可知，在列車垂向荷載作用下，砂漿層的最大縱向和橫向位移僅為4.3～7.4 μm。由圖7可知，在列車垂向荷載作用下，砂漿層的縱向和橫向最大拉應(yīng)力為0.8～2.6 kPa，板中砂漿層下表面受彎產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，但遠(yuǎn)低于快硬砂漿2 h強(qiáng)度0.2 MPa，疊灌快硬砂漿層不會開裂破損。

4.2　砂漿層厚度對軌道的受力影響

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的調(diào)查結(jié)果顯示，道床沉降超過26 mm的較多，也有超過50 mm的情況?？紤]極端沉降，分別取疊灌快硬砂漿厚度為30，50，80和100 mm，在列車垂向荷載作用下，疊灌快硬砂漿層厚度對其受力影響如圖8所示，計(jì)算時(shí)垂向荷載采用靜輪載的設(shè)計(jì)荷載值300 kN。

由圖8可見，當(dāng)快硬砂漿層厚度由30 mm增加到100 mm時(shí)，隨快硬砂漿層厚度的增加，快硬砂漿自身所受的垂向壓應(yīng)力隨荷載位置的改變而發(fā)生較大幅度的變化，最大的壓應(yīng)力最大值為344 kPa，最小的壓應(yīng)力最大值為287 kPa，變化幅度為19.86%，且最大、最小值的位置也隨之變化。由此可見，隨快硬砂漿厚度的增加，軌道板和快硬砂漿層各處受力的差異增大，這不利于其受力的均勻分配，在疲勞荷載的作用下易于發(fā)生局部破壞。靜力計(jì)算表明，快硬砂漿層厚度越小，對軌道受力越有利。

圖8　快硬砂漿層不同厚度時(shí)其最大垂向壓應(yīng)力

4.3　正溫度梯度和列車垂向荷載作用

假設(shè)中間軌道板進(jìn)行了快硬砂漿疊灌修復(fù)，相鄰2軌道板未進(jìn)行疊灌修復(fù)，分別取疊灌快修砂漿彈性模量為150和200 MPa，原砂漿彈性模量為300 MPa，施加溫度荷載為45 ℃·m-1的正溫度梯度和150 kN的常用輪載。正溫度梯度與列車荷載共同作用下，10 mm厚疊灌快硬CA砂漿層的最大垂向壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力如圖9和圖10所示。

圖9　溫度及列車荷載作用下砂漿層的最大垂向壓應(yīng)力

由圖9可知，砂漿層的垂向壓應(yīng)力隨砂漿層彈性模量的增大而增大，在列車垂向荷載和正溫度梯度共同作用下快硬砂漿層的垂向壓應(yīng)力最大為133 kPa，原CA砂漿層的垂向壓應(yīng)力最大為168 kPa，因而，溫度梯度對砂漿層垂向壓應(yīng)力的影響較大，且砂漿層的最大垂向壓應(yīng)力出現(xiàn)在板角處。

由圖10可知，在溫度梯度、列車垂向荷載的作用下，快硬砂漿層的最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)小于其粘結(jié)強(qiáng)度。

圖10　溫度及列車荷載作用下砂漿層最大剪切應(yīng)力

另外，在列車荷載橫向力的作用下，荷載傳遞到快硬砂漿層和原砂漿層時(shí)，絕大部分已經(jīng)被軌道板和凸臺抵消，砂漿層受力很小，2層砂漿受力均勻，列車的荷載橫向力對砂漿層的剪切應(yīng)力作用也十分有限。在制動(dòng)力的作用下，當(dāng)列車荷載作用于板端時(shí)，凸臺周圍軌道板的局部拉、壓應(yīng)力大于軌

道板的其余部分，計(jì)算結(jié)果表明，制動(dòng)力對軌道穩(wěn)定性的影響可忽略不計(jì)。

5　結(jié)　論

(1) 快硬CA砂漿的配比以及彈性模量、抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能與原有砂漿一致和匹配，2 h的抗壓強(qiáng)度達(dá)0.2 MPa，泵送前后性能無明顯變化，質(zhì)量穩(wěn)定，相比有機(jī)樹脂維修材料，可大幅降低原材料成本。

(2) 厚度10 mm的薄層板腔，僅依靠砂漿自重流入不能疊灌飽滿，而采用泵送直接疊灌方式可在1 min內(nèi)快速充填飽滿。揭板檢查砂漿表面無起皮，斷面均勻，質(zhì)量良好，泵送疊灌方式可大幅節(jié)省抬板維修時(shí)間。

(3) 溫度梯度影響砂漿層的垂向壓應(yīng)力，而疊灌快硬砂漿使整個(gè)砂漿層的彈性模量降低，其受到的垂向壓應(yīng)力減小，有利于砂漿層承受較高的溫度梯度，減輕由溫度梯度造成的砂漿傷損。

(4) 直接在原砂漿層上疊灌的快硬CA砂漿時(shí)，軌道結(jié)構(gòu)的受力和位移均能夠達(dá)到正常投入使用的標(biāo)準(zhǔn)，快硬砂漿層的受力遠(yuǎn)小于其極限強(qiáng)度，抬板疊灌快硬CA砂漿方法可用于板式軌道路基沉降的整治修復(fù)。

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