聚氨酯固化道床技術(shù)研究與應(yīng)用

韓自力，郄錄朝，王紅，許永賢

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2. 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

聚氨酯固化道床技術(shù)研究與應(yīng)用

韓自力1，2，郄錄朝1，2，王紅1，2，許永賢1，2

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081；2. 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

聚氨酯固化道床是一種彈性整體道床結(jié)構(gòu)，既有有砟道床良好的彈性，又有無(wú)砟軌道整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好和少維修的特點(diǎn)。介紹道床固化技術(shù)的發(fā)展歷程及我國(guó)聚氨酯固化道床技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)，闡述聚氨酯固化道床的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明聚氨酯固化道床技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于環(huán)境保護(hù)、資源節(jié)約和工務(wù)維修具有重要意義。聚氨酯固化道床技術(shù)在我國(guó)雖已具備推廣應(yīng)用的條件，但在明確應(yīng)用范圍的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)行工藝和施工裝備的深化研究，進(jìn)一步降低小段落鋪設(shè)聚氨酯固化道床的施工成本，提高工效。

聚氨酯固化；固化道床；道床固化技術(shù)；軌道結(jié)構(gòu)；工務(wù)維修

0 引言

截至2016年底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)12.4萬(wàn)km，其中高速鐵路2.2萬(wàn)km以上[1]，根據(jù)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)新調(diào)整的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到15萬(wàn)km，其中高速鐵路3萬(wàn)km；到2025年，鐵路網(wǎng)規(guī)模達(dá)到17.5萬(wàn)km，其中高速鐵路3.8萬(wàn)km[2]。在黨中央、國(guó)務(wù)院的高度重視和大力推動(dòng)下，我國(guó)高速鐵路實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，建成了日益完善的高速鐵路運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)，科技創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)重大突破。與此同時(shí)，新開通運(yùn)營(yíng)線路出現(xiàn)了一些新的問題，如高鐵臥鋪動(dòng)車組開行、貨車軸重和速度提高等客貨運(yùn)輸新形勢(shì)給工務(wù)維修帶來(lái)深層次的影響，進(jìn)一步加大對(duì)工務(wù)安全的壓力[3]。近年來(lái)，針對(duì)特殊地段需求，研發(fā)的聚氨酯固化道床，是在已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的道床內(nèi)，澆注由異氰酸酯與多元醇等組成的混合料，在道砟間完成發(fā)泡、膨脹和凝固，擠滿道砟間的空隙，同時(shí)牢固粘結(jié)道砟顆粒，形成彈性的整體道床結(jié)構(gòu)。聚氨酯固化道床是兼?zhèn)淞擞许能壍篮蜔o(wú)砟軌道優(yōu)點(diǎn)的一種新型軌道結(jié)構(gòu)，其廣泛應(yīng)用對(duì)工務(wù)設(shè)備維修，具有重要意義。

1 技術(shù)發(fā)展

鐵路道床固化技術(shù)是在碎石道床穩(wěn)定后澆注或噴灑固化材料，將散粒體道床固化成整體結(jié)構(gòu)的過(guò)程，固化材料歷經(jīng)瀝青、環(huán)氧樹脂和聚氨酯材料等。瀝青固化道床因可維修性差，服役壽命短，應(yīng)用很少；環(huán)氧樹脂材料的應(yīng)用主要是防止道砟飛濺，日本在東海道新干線開通運(yùn)營(yíng)后進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用，我國(guó)在秦沈客運(yùn)專線進(jìn)行了試驗(yàn)，但由于環(huán)氧樹脂韌性和耐沖擊損傷能力差，易發(fā)生脆性破壞，實(shí)際應(yīng)用很少。

聚氨酯固化技術(shù)分為剛性粘結(jié)和彈性粘結(jié)。剛性粘結(jié)技術(shù)（聚氨酯道砟膠）起始于道床的表面粘結(jié)，目的是防止道砟飛濺，隨后逐步發(fā)展成提高道床穩(wěn)定性和剛度均勻過(guò)渡的結(jié)構(gòu)粘結(jié)。聚氨酯道砟膠應(yīng)用最多的是線路上的特殊區(qū)段，包括改善剛度均勻性的路橋、路隧、道岔前后的過(guò)渡段，提高道床穩(wěn)定性的道岔區(qū)，防止橫向位移的小半徑曲線上，改善其穩(wěn)定性和耐久性的膠結(jié)絕緣接頭處。聚氨酯道砟膠在特殊地段的應(yīng)用見圖1。

近年來(lái)，德國(guó)、中國(guó)相繼對(duì)聚氨酯彈性粘結(jié)技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用，其主要目的是提高道床的穩(wěn)定性和軌道性能的長(zhǎng)期保持能力，減少養(yǎng)護(hù)維修工作量。聚氨酯彈性粘結(jié)技術(shù)見圖2，聚氨酯固化道床示意見圖3。

圖1 聚氨酯道砟膠在特殊地段的應(yīng)用

圖2 聚氨酯彈性粘結(jié)技術(shù)

圖3 聚氨酯固化道床示意圖

2 發(fā)展意義

聚氨酯固化道床是一種彈性整體道床結(jié)構(gòu)，既有有砟道床良好的彈性，又有無(wú)砟軌道整體性強(qiáng)、穩(wěn)定性好和少維修的特點(diǎn)，且對(duì)線下基礎(chǔ)的適應(yīng)能力較強(qiáng)，聚氨酯固化道床技術(shù)具有良好的發(fā)展前景。

首先，符合國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展政策。在國(guó)家“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”5大發(fā)展理念中，聚氨酯固化道床技術(shù)體現(xiàn)了“創(chuàng)新”“綠色”2大方面。一是“創(chuàng)新”，聚氨酯固化道床作為新型軌道結(jié)構(gòu)，不僅具有無(wú)砟軌道和有砟軌道的優(yōu)點(diǎn)，而且還對(duì)2種軌道結(jié)構(gòu)型式的不足進(jìn)行改進(jìn)，其應(yīng)用將對(duì)工務(wù)設(shè)備維修帶來(lái)深刻變革。二是“綠色”，聚氨酯固化道床的應(yīng)用，相比有砟軌道，可大量減少日常維修道砟用量，減少石材資源的利用，減少礦山開采對(duì)環(huán)境的破壞。聚氨酯固化道床技術(shù)符合國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，有極強(qiáng)的生命力。

其次，符合“生態(tài)文明建設(shè)”要求。

國(guó)家將“生態(tài)文明建設(shè)”放在與經(jīng)濟(jì)建設(shè)同等重要的位置，并提出“生態(tài)文明建設(shè)”就是突出短板。鐵路相對(duì)于其他運(yùn)輸方式，本就在節(jié)約能源、土地、材料、人力、時(shí)間等5個(gè)方面較有優(yōu)勢(shì)，隨著聚氨酯固化道床的應(yīng)用，將大大緩解有砟軌道線路固有的粉塵污染（清篩、搗固）、噪聲污染（尤其是在市區(qū)和村鎮(zhèn)的夜間天窗內(nèi)的機(jī)械化作業(yè)，對(duì)居民生活質(zhì)量影響很大）以及無(wú)砟軌道線路在環(huán)境敏感地區(qū)的振動(dòng)污染，克服無(wú)砟軌道修復(fù)難、變形要求高等問題，使鐵路運(yùn)輸更環(huán)保、更綠色，符合鐵路“生態(tài)文明建設(shè)”的發(fā)展方向。

第三，順應(yīng)軌道結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化的大趨勢(shì)，符合鐵路技術(shù)政策。在不宜鋪設(shè)無(wú)砟軌道的地段鋪設(shè)聚氨酯固化道床，能夠滿足“高可靠、高穩(wěn)定、高平順”的基本要求，最大限度地減少維修工作量，解放生產(chǎn)力，改善工務(wù)職工的生產(chǎn)條件，有助于實(shí)現(xiàn)“扔掉洋鎬”目標(biāo)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

為推動(dòng)聚氨酯固化道床技術(shù)的發(fā)展和國(guó)產(chǎn)化，我國(guó)自2010年立項(xiàng)研究相應(yīng)技術(shù)：《聚氨酯固化道床及軌道結(jié)構(gòu)減振技術(shù)的試驗(yàn)研究》《高速（重載）鐵路整體道床固化材料研究及關(guān)鍵裝備研制》《聚氨酯固化道床關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究》《聚氨酯固化道床關(guān)鍵技術(shù)深化研究》《聚氨酯固化道床施工軌道變形控制技術(shù)及養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)研究》，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備、施工工藝和裝備等成套技術(shù)，提出了養(yǎng)護(hù)維修方法，編制了TJ/G W115—2013《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》。2016年2月25日，聚氨酯固化道床成套技術(shù)通過(guò)了中國(guó)鐵路總公司的技術(shù)評(píng)審，標(biāo)志著聚氨酯固化道床技術(shù)日趨成熟。

3.1 軌道結(jié)構(gòu)斷面

結(jié)合我國(guó)運(yùn)營(yíng)條件和線路特點(diǎn)，根據(jù)輪軌動(dòng)力響應(yīng)和荷載傳遞特征設(shè)計(jì)的雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)，滿足道床強(qiáng)度、穩(wěn)定性、耐久性要求，聚氨酯材料將道砟顆粒粘結(jié)在一起，在道砟承受荷載時(shí)不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)、移位、破碎和粉化，極大地提高了軌道品質(zhì)和使用壽命。我國(guó)鐵路一般區(qū)段雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)斷面見圖4。

圖4 雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)斷面

3.2 固化材料

經(jīng)過(guò)組分調(diào)控和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡工藝，分別研發(fā)了適用于高速鐵路和重載鐵路的聚氨酯道床固化新材料，滿足道床承載、填充、定位、減振等功能，極大地提高道床穩(wěn)定性，減少道床累積變形。高速鐵路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求見表1，重載鐵路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求見表2[4]。

3.3 施工裝備

聚氨酯固化道床施工設(shè)備由儲(chǔ)料系統(tǒng)、預(yù)混系統(tǒng)、澆注小車和烘干冷卻小車、發(fā)電機(jī)組等組成，晴好天氣時(shí)，施工綜合作業(yè)能力不低于200 m/8 h。采用PLC控制、無(wú)線遙控、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和圖像監(jiān)測(cè)等手段進(jìn)行作業(yè)控制。聚氨酯固化道床施工設(shè)備有效解決了道床烘干、聚氨酯澆注、軌道保壓等關(guān)鍵施工難題，適用于我國(guó)鐵路的普速線路、重載線路、高速線路及城際、地鐵等有砟線路聚氨酯固化道床的施工作業(yè)。聚氨酯固化道床施工裝備示意見圖5。

表1 高速鐵路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求

表2 重載鐵路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求

圖5 聚氨酯固化道床施工裝備示意圖

3.4 施工工藝

聚氨酯固化道床施工分澆注前有砟軌道施工和澆注施工2大部分，穩(wěn)定、清潔的碎石道床對(duì)澆注聚氨酯后的固化道床性能至關(guān)重要。與普通有砟軌道施工區(qū)別：為防止過(guò)多搗固引起道砟搗碎污染道床，同時(shí)保證道床的密實(shí)度，分層上砟整道作業(yè)宜采用“少搗多穩(wěn)”的作業(yè)程序。在有砟道床精整完成、線路精度達(dá)到驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)后，即可進(jìn)行聚氨酯固化道床澆注施工。澆注施工時(shí)，首先要通過(guò)烘干冷卻設(shè)備使用熱風(fēng)對(duì)道砟進(jìn)行烘干除濕，烘干后再吹風(fēng)冷卻道床，最后在道床濕度、溫度滿足要求的前提下，采用澆注設(shè)備澆注聚氨酯材料，同時(shí)采用保壓小車和施工車輛對(duì)軌道保壓，形成聚氨酯固化道床。聚氨酯固化道床施工流程見圖6。

3.5 養(yǎng)護(hù)維修

聚氨酯固化道床線路的維護(hù)，可通過(guò)扣件和抬升軌枕進(jìn)行調(diào)整。在不超過(guò)調(diào)高扣件調(diào)整范圍時(shí)（大調(diào)高彈條V型扣件最大調(diào)整量為50 mm），可采取軌下墊片恢復(fù)軌面標(biāo)高；超過(guò)扣件調(diào)高范圍時(shí)，可將軌枕與固化道床分離，軌道抬升至所需標(biāo)高后，進(jìn)行墊砟和澆注聚氨酯彈性體進(jìn)行維修，維修作業(yè)可在天窗點(diǎn)內(nèi)完成，不影響正常通車。聚氨酯固化道床如需拆除，可先分離軌枕，然后將固化道床挖出，運(yùn)至回收站，在專用設(shè)備內(nèi)進(jìn)行破碎、焚化處理，燃燒排放的氣體進(jìn)行清潔化處理。

4 優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用現(xiàn)狀

圖6 聚氨酯固化道床施工流程

聚氨酯固化道床是介于有砟軌道、無(wú)砟軌道之間的第3種軌道結(jié)構(gòu)，兼具有砟軌道和無(wú)砟軌道的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可持久保持道床良好的彈性、整體性和穩(wěn)定性；

（2）養(yǎng)護(hù)維修工作量少；

（3）具有良好的減振、降噪功能；

（4）具有良好的防外部污染功能；

（5）可維修性好。其中，最重要的是穩(wěn)定性和少維修，在高速鐵路和普速鐵路應(yīng)用都有比較優(yōu)勢(shì)，尤其在一些如高速鐵路特殊、特大跨度橋梁等線路區(qū)段，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)則更為明顯。

在高速鐵路應(yīng)用方面，時(shí)速300 km的高鐵均為無(wú)砟軌道，但在一些特殊地段（長(zhǎng)大鋼橋、地質(zhì)斷裂帶等），因無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)不能很好地適應(yīng)線下基礎(chǔ)的復(fù)雜變形，不得已采用有砟軌道，造成維修工作量大和維修困難。

在普速鐵路應(yīng)用方面，散裝貨物運(yùn)輸使有砟軌道的粉塵污染十分嚴(yán)重，而大軸重和頻繁的道床作業(yè)加劇了道砟粉化、道床板結(jié)、翻漿和道床厚度不足等問題，致使大型養(yǎng)路機(jī)械搗固作業(yè)困難。在隧道內(nèi)受限界和構(gòu)筑物影響，大型養(yǎng)路機(jī)械清篩難以實(shí)施，線路質(zhì)量不易保持，維修工作量和維修難度大，使工務(wù)維修工作陷入污染—整治—再污染—再整治的惡性循環(huán)，設(shè)備、施工、人身安全風(fēng)險(xiǎn)高。

自2009年，我國(guó)先后在京廣高速鐵路武漢天興洲特大橋、滬蓉客貨共線鐵路武漢江岸特大橋、龍漳客貨共線鐵路漳州程溪特大橋、瓦日重載鐵路試驗(yàn)段、大西高速鐵路試驗(yàn)段和滬昆高速鐵路北盤江特大橋等線路區(qū)段鋪設(shè)聚氨酯固化道床共計(jì)近7 km（見圖7）。線路涵蓋客貨混運(yùn)、重載、時(shí)速250 km和350 km高速鐵路等。

截至目前，我國(guó)聚氨酯固化道床運(yùn)營(yíng)時(shí)間最長(zhǎng)已達(dá)7年。從跟蹤觀測(cè)結(jié)果看，聚氨酯固化道床能夠滿足高速鐵路和重載鐵路運(yùn)營(yíng)安全性要求，能夠較好地應(yīng)對(duì)普速、高速和重載鐵路有砟道床存在的問題。聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可靠，對(duì)提高線路設(shè)備質(zhì)量、保證鐵路運(yùn)輸安全意義重大。

從動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，聚氨酯固化道床在最高試驗(yàn)速度通過(guò)時(shí)（動(dòng)車組為330 km/h，300 kN軸重貨車為120 km/h），脫軌系數(shù)、減載率、輪軸橫向力、平穩(wěn)性指標(biāo)等均符合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，且在安全和平穩(wěn)性等方面均有一定的冗余量[5]。

從養(yǎng)護(hù)維修情況看，鋪設(shè)聚氨酯固化道床地段的軌道平順性良好，試鋪至今只進(jìn)行過(guò)少量的扣件調(diào)高作業(yè)，而有砟軌道對(duì)比段每年都要進(jìn)行一次線路搗固作業(yè)。在天窗時(shí)間短的情況下，聚氨酯固化道床線路較有砟軌道線路維修具有人員少、維修時(shí)間短和維修作業(yè)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。這種新型道床結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，可有效降低線路維修成本，符合當(dāng)前鐵路“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)，提質(zhì)增效”工作主題。

5 結(jié)論與建議

目前，推廣應(yīng)用聚氨酯固化道床已具備條件。技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)頒布，固化材料實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，在成本控制上具有主動(dòng)權(quán)，聚氨酯固化道床施工所需的烘干、澆注、保壓設(shè)備均實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，效率進(jìn)一步提升。通過(guò)對(duì)高速、重載和客貨共線聚氨酯固化道床幾個(gè)試驗(yàn)段的實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)跟蹤觀測(cè)以及綜合試驗(yàn)，表明聚氨酯固化道床作為一種新的軌道結(jié)構(gòu)型式，在我國(guó)鐵路建設(shè)中具有較好的應(yīng)用前景，尤其是在以下工程中可優(yōu)先考慮采用：（1）長(zhǎng)大跨度橋梁等不適宜鋪設(shè)無(wú)砟軌道的地段，以解決不得已采用有砟軌道時(shí)產(chǎn)生的線路養(yǎng)護(hù)維修問題；（2）有砟軌道線路的隧道區(qū)段以及沙害、煤塵污染嚴(yán)重的干線或重載鐵路，采用聚氨酯固化道床可有效緩解道床板結(jié)、基床翻漿等病害，降低隧道內(nèi)線路養(yǎng)護(hù)維修工作量；（3）鋪設(shè)無(wú)砟軌道線路有減振降噪要求的地段。

為更好地推廣聚氨酯固化道床技術(shù)的應(yīng)用，建議繼續(xù)開展聚氨酯固化道床的深化研究，尤其是在對(duì)石砟級(jí)配、清潔度標(biāo)準(zhǔn)要求、實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型簡(jiǎn)易化、利于施工組織等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究，進(jìn)一步降低小段落鋪設(shè)聚氨酯固化道床的施工成本，提高工效。

[1]陸東福.強(qiáng)基達(dá)標(biāo)提質(zhì)增效奮力開創(chuàng)鐵路改革發(fā)展新局面[J].中國(guó)鐵路，2017(1)：1-7.

[2]國(guó)家發(fā)展改革委，交通運(yùn)輸部，中國(guó)鐵路總公司.關(guān)于印發(fā)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的通知[EB/OL].2016-07-13）[2017-03-21].http://www.gov. cn/xinwen/2016-07/20/content_5093165.htm.

[3]康高亮.強(qiáng)化安全基礎(chǔ)建設(shè)深化維修體制改革為鐵路運(yùn)輸經(jīng)營(yíng)和建設(shè)夯實(shí)基礎(chǔ)[J].中國(guó)鐵路，2015(1)：1-7.

[4]中國(guó)鐵路總公司.TJ/GW115—2013聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2014.

[5]中國(guó)鐵道科學(xué)研究院.聚氨酯固化道床成套技術(shù)及應(yīng)用研究總報(bào)告[R].北京，2016.

責(zé)任編輯李葳

Study and Application of Polyurethane Curing Technology for Railway Bed

HAN Zili1，2，QIE Luchao1，2，WANG Hong1，2，XU Yongxian1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

As an elastic monolithic structure, polyurethane cured railway bed provides the advantages of ballast bed–good elasticity–and that of ballastless bed–structural integration, stability and less frequent requirements for maintenance. The paper outlines the development of the curing technology and points out the key techniques for polyurethane curing. On this basis, it looks into the technical advantages of the polyurethane cured railway bed and verifies on site the significance of such technologies in regard to environmental protection, resource saving and track maintenance. The technique is now ripe for industrial application nationwide, however as the scope for such application has been clarifies, it is necessary to have further study on the technique and equipment applied, so as to cut the construction cost of bed lay-out by small section and improve working efficiency.

polyurethane curing；cured bed；curing technology for railway bed；track structure；track maintenance

U213.7

A

1001-683X（2017）05-0001-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.001

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2013G005）

韓自力（1965—），男，研究員。

E-mail：han206@rails.cn

2017-03-25