板式無砟軌道路基翻漿及整修對軌道不平順的影響研究

楊飛，王濤，楊建鋒，尹峰

(1．中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081; 3．上海鐵路局工務(wù)處，上海200071)

板式無砟軌道路基翻漿及整修對軌道不平順的影響研究

楊飛1，王濤2，楊建鋒3，尹峰1

(1．中國鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京100081;2．中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081; 3．上海鐵路局工務(wù)處，上海200071)

針對滬寧城際無砟軌道出現(xiàn)的路基翻漿冒泥病害，首先分析了其產(chǎn)生的原因，闡述了常用的注膠整治方法;然后對軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)及其與各項參數(shù)的相關(guān)性、車體加速度幅值和功率譜變化進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明:TQI數(shù)值較高區(qū)段都存在路基翻漿冒泥病害;注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期有一定的反彈;路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順，這是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊;維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，維修整治主要改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。

高速鐵路;翻漿冒泥;注膠整治;軌道質(zhì)量指數(shù);軌道不平順

路基翻漿是近年高速鐵路無砟軌道路基出現(xiàn)的特殊病害形式。路基翻漿會引起縱向上基礎(chǔ)剛度不均勻，造成無砟軌道差異沉降，影響軌道的平順性，從而降低列車運行的安全性和舒適性。如果不及時整修，還會加劇路基的破壞。國內(nèi)有許多學(xué)者都對路基翻漿產(chǎn)生的原因和危害進(jìn)行了研究。如潘振華［1］分析了無砟軌道路基翻漿的原因和整治措施，發(fā)現(xiàn)翻漿的主要原因為底座板-基床表層離縫并擴展、基床表層排水不良等;張文超等［2］對滬寧城際路基振動特性進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)路基翻漿段無砟軌道底座板振動加速度明顯高于完好區(qū)段;劉亭等［3］研究發(fā)現(xiàn)，路基注膠加固后軌道板和底座板的振動位移、振動加速度值大幅減少;李杰［4］針對無砟軌道路基翻漿病害采用注膠法整治，效果明顯。但目前未見到路基翻漿和整修前后對軌道不平順影響的研究。

綜合檢測列車執(zhí)行全路高鐵的周期性軌道幾何狀態(tài)檢測，在滬寧城際開通運行后逐漸發(fā)現(xiàn)了路基翻漿病害，并且已影響到了軌面不平順。有些區(qū)段如K235的軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)已超過規(guī)定的維修標(biāo)準(zhǔn)。本文針對滬寧城際翻漿區(qū)段，先分析路基翻漿的成因和注膠整治方法，然后對路基翻漿和整修后對軌道不平順的影響進(jìn)行研究。

1　病害現(xiàn)象及成因

滬寧城際路基翻漿冒泥主要出現(xiàn)在K111+910—K283+900段，總長度共計76.2 km，范圍較廣，大多數(shù)發(fā)生在混凝土底座伸縮縫兩端5 m范圍內(nèi)，鋪設(shè)框架軌道板地段較為嚴(yán)重。路肩上流淌或堆積著由水與碎石墊層細(xì)顆?；旌隙傻哪酀{，路肩及兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現(xiàn)象，嚴(yán)重處滲出物厚達(dá)10～50 mm，個別處所泥狀物被抽吸至軌道板表面。見圖1。

圖1　現(xiàn)場翻漿病害

滬寧城際處于南方多雨環(huán)境，加上一些混凝土底座間伸縮縫寬度不符合標(biāo)準(zhǔn)或未進(jìn)行有效封閉，在冬季混凝土底座因收縮產(chǎn)生縫隙，使雨水滲入級配碎石層中，導(dǎo)致基床表層含水較多，同時基床兩側(cè)表面混凝土封閉層高于級配碎石層，導(dǎo)致雨水排泄不暢。級配碎石層中自由水在高速列車重復(fù)動荷載作用下，具有較高動水壓力，混凝土底座對基床表層的反復(fù)抽吸引起級配碎石與底座板間泥漿溢出，出現(xiàn)翻漿現(xiàn)象。長期作用會造成基床表層細(xì)顆粒流失，結(jié)構(gòu)松散，直至混凝土底座離縫或空吊，嚴(yán)重降低路基長期性能和列車運營品質(zhì)，因此必須加以整治。

2　整治方法

路基翻漿冒泥的整治方法一般包括封堵地表水、疏排地表水以及注膠填充混凝土底座吊空處等［5-8］。其中，注膠填充整修流程為:①使用沖擊鉆在混凝土底座每間隔50 cm距離打直徑8 mm注膠孔至表層級配碎石;②在混凝土底座與封閉層連接位置打孔，用于排氣和排料，如已有離縫可不用打孔，見圖2;③插入直徑6 mm尼龍注膠管，注膠管外側(cè)和支承層上部涂抹密封膠;④待密封膠固化后，將注膠管與注膠機連接，開始注膠。膠液為固化快速的聚氨酯材料，直至相鄰注膠管或者封閉層排氣孔出料為止。轉(zhuǎn)至下一注膠孔注膠，依次注膠，直至所有注膠管注膠完畢。注膠時，在注膠管左右附近1 m范圍內(nèi)架設(shè)水準(zhǔn)儀，測量注膠時軌道結(jié)構(gòu)高程變化。如發(fā)現(xiàn)有抬起現(xiàn)象，立刻停止注膠。滬寧城際從2012年到2015年總共注膠4 709塊，平均每年約1 178塊。

圖2　注膠孔位置示意

3　軌道不平順分析

3.1軌道質(zhì)量指數(shù)分析

軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)是指200 m區(qū)段的左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑單項參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差之和，是反映線路區(qū)段平順性的指標(biāo)［9］。軌道質(zhì)量指數(shù)按下式計算。

式中:σi為左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑的單項參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，mm;N為200 m計算單元采樣點的個數(shù);x—i為計算單元中各項目連續(xù)采樣點峰值xij的算術(shù)平均值，mm。高低和軌向標(biāo)準(zhǔn)差采用中波(即波長1.5～42 m)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算［10-11］。

從2012年全線軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)分布圖(圖3)可知，K236和K166區(qū)段TQI值較高，表明軌道的平順性較差。根據(jù)地面復(fù)核可知，這2個區(qū)段都出現(xiàn)了路基翻漿冒泥病害。其中，K236區(qū)段的翻漿冒泥范圍為K234+900—K238+500。此范圍的平均TQI時程變化曲線見圖4。

圖3　2012年全線軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)分布

圖4　K234+900—K238+500區(qū)段平均TQI時程變化曲線

由圖4可知，K234+900—K238+500區(qū)段從2010年開通至2013年4月，平均TQI波動，且呈現(xiàn)逐漸增長的趨勢，最終超過規(guī)定的維修標(biāo)準(zhǔn)5 mm。在2013年4—7月和2014年3—8月，平均TQI有大幅度的降低，通過維修記錄可以得知，在這2個時間段都進(jìn)行了路基翻漿注膠整修。注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期會有一定的反彈，2013年7月至2014年4月、2014年8月至2015年6月TQI的反彈趨勢也基本一致，見圖5。

TQI是多項參數(shù)的總體表征，利用TQI與各項參數(shù)的相關(guān)性可以分析各項參數(shù)對TQI的貢獻(xiàn)情況。相關(guān)系數(shù)是相關(guān)性的量化，K234+900—K238+500區(qū)段TQI與各項參數(shù)的相關(guān)系數(shù)見表1。相關(guān)系數(shù)值的含義見表2。

圖5　整修后TQI的反彈趨勢

表1　TQI與各項參數(shù)相關(guān)系數(shù)

由表1、表2可以得知，K234+900—K238+500區(qū)段的平均TQI變化主要是由垂向不平順(包括高低、水平、三角坑不平順)變化引起的，說明路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順。這是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊。而注膠整修就是填充級配碎石層縫隙及混凝土底座板下的吊空處，以改善底座板與基床表層的接觸狀態(tài)，保持線路的軌道平順性良好。

垂向不平順中的高低不平順波形可以直觀反映注膠對軌道不平順的整治效果［12］。從圖6可知，注膠整治后，高低不平順幅值有明顯的降低。

3.2加速度響應(yīng)分析

軌道不平順是引起車輛振動的主要原因［13］，因此，可以通過車體加速度來間接反映軌道的平順性狀態(tài)。我國檢測車車體的垂向加速度頻率測量范圍一般為0～20 Hz，對應(yīng)線路的中長波不平順，而軌道質(zhì)量指數(shù)(TQI)主要是中波高低和軌向不平順的體現(xiàn)，并不能反映線路長波不平順的情況，因此還需要利用加速度分析來彌補。垂向加速度幅值的變化直觀體現(xiàn)了軌道平順性的變化，見圖7。對垂向加速度功率譜的分析可以反映軌道不平順波長的特征，見圖8。

圖6　注膠整治前后高低不平順變化

圖7　維修整治前后車體垂向加速度幅值變化曲線

圖8　維修整治前后車體垂向加速度功率譜變化曲線

由圖7可知，維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，說明軌道的不平順性有所改善。由圖8可知，在40～50 m波段的垂向加速度功率譜峰值有所降低，說明維修整治改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。40～50 m波段的中長波軌道不平順與路基地段連續(xù)兩塊混凝土底座板的長度相對應(yīng)。

4　結(jié)論

1)板式無砟軌道路基翻漿的主要原因是雨水滲入級配碎石層后排泄不暢，在高速列車重復(fù)動荷載作用下混凝土底座對基床表層的反復(fù)抽吸造成級配碎石與底座板間泥漿溢出。

2)TQI數(shù)值較高區(qū)段都存在路基翻漿冒泥病害;注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期有一定的反彈。

3)路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順。其原因是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊。

4)維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，說明軌道的不平順性有所改善。維修整治主要改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。

［1］潘振華．滬寧城際鐵路路基翻漿原因分析及整治措施研究［J］．鐵道建筑，2014(3):74-77．

［2］張文超，蘇謙，劉亭，等．基床翻漿條件下無砟軌道路基振動特性研究［J］．巖土力學(xué)，2014，35(12):3557-3559．

［3］劉亭，蘇謙，趙文輝，等．板式無砟軌道路基翻漿整治效果研究［J］．鐵道學(xué)報，2015，37(12):89-91．

［4］李杰．注膠法整治某高速鐵路無砟軌道路基翻漿病害［J］．路基工程，2015(3):228-231．

［5］潘振華．滬寧城際客運專線攪拌樁復(fù)合地基沉降超限整治措施研究［J］．路基工程，2014(3):106-111．

［6］史衛(wèi)國，阮高，陳風(fēng)光，等．水泥在改良黏性土路基中的應(yīng)用研究［J］．鐵道建筑，2012(2):53-55．

［7］戴良緣，楊博進(jìn)，胡持，等．新型輕質(zhì)注漿材料-PE水泥漿液的應(yīng)用研究［J］．鐵道建筑，2013(11):138-140．

［8］中國鐵道科學(xué)研究院．基床級配碎石病害整治技術(shù)與裝備［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2015．

［9］羅林，張格明，吳旺青，等．輪軌系統(tǒng)軌道不平順狀態(tài)的控制［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［10］中國鐵道科學(xué)研究院．高速鐵路軌道不平順狀態(tài)試驗研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2011．

［11］中國鐵道科學(xué)研究院．客運專線軌道不平順波長范圍的研究［R］．北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2009．

［12］蔣騫．滬寧城際高速鐵路沉降規(guī)律分析與路基病害治理措施研究［D］．長沙:中南大學(xué)，2014．

［13］陳勛．滬寧城際高速鐵路軌道質(zhì)量指數(shù)分布規(guī)律研究［J］．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013，24(7):1-5．

(責(zé)任審編 葛全紅)

Research on Inf luence of M ud-Pum ping and Renovation of Slab Ballastless Track Subgrade on Track Irregularity

YANG Fei1，WANG Tao2，YANG Jianfeng3，YIN Feng1
(1．Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3．Permanent Way Division，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

According to the subgrade mud-pumping of ballastless track in Shanghai－Nanjing intercity railway，this paper analyzed the causes of mud-pum ping，put forward the comm on glue injection treatment method，and discussed the track quality index(TQI)and its correlation with various parameters，the acceleration am plitude of train and power spectrum variation．The results show that there are mud-pum ping diseases in area with high TQI value，the glue injection treatment method does improve the track irregularity but there will be some rebound at the late stage of renovation，subgrade mud-pum ping mainly influences the vertical irregularity of the rail surface，which is due to the hollow concrete base caused by mud flowing from expansion joint of concrete base and the gap between the concrete base and sealing layer，the vertical acceleration am plitude of train decreases after maintenance and renovation，which improve the medium-long wave track irregularity with the waveband from 40m to 50m．

High speed railway;Mud-pum ping;Glue injection treatment;Track quality index;Track irregularity

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．34

1003-1995(2016)11-0129-04

2016-07-10;

2016-09-05

中國鐵道科學(xué)研究院基金(2014YJ020);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2015G004-A)

楊飛(1985—)，男，助理研究員，碩士。