高速鐵路無砟軌道線形糾偏技術(shù)進(jìn)展研究

譚社會(huì)

(上海鐵路局 工務(wù)處，上海 200071)

無砟軌道是我國高速鐵路的主要結(jié)構(gòu)形式和發(fā)展趨勢[1]。因?qū)鹘y(tǒng)有砟軌道散體道砟的軌下基礎(chǔ)改為混凝土結(jié)構(gòu)的整體道床軌下基礎(chǔ)，扣件系統(tǒng)成為無砟軌道調(diào)整的主要部件，扣件調(diào)整量的有限性決定了無砟軌道線路狀態(tài)調(diào)整的局限性。因此，當(dāng)線路幾何狀態(tài)的修正量超過扣件調(diào)整量時(shí)，為恢復(fù)線路線形進(jìn)行的養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)難度和養(yǎng)修成本將大大增加[2-3]。軌道線形是指線路中心線的空間位置，由線路平面和縱斷面上的直線及曲線組成[4]。因此線形偏移是指軌道平面和高程與設(shè)計(jì)線形間的偏差。無砟軌道線形偏移主要來自于外部施工干擾、堆載、河流開挖等外部因素。無砟軌道線形發(fā)生偏移后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)使線形恢復(fù)平順性，滿足列車運(yùn)營需求。本文對我國現(xiàn)有的無砟軌道線形糾偏技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行綜合論述，在總結(jié)各糾偏技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍的基礎(chǔ)上，提出無砟軌道線形偏移的預(yù)防性措施和糾偏整治建議，以期為我國高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修提供借鑒。

1 無砟軌道線形糾偏的措施

1.1 扣件調(diào)整與線形擬合技術(shù)

扣件系統(tǒng)是軌道結(jié)構(gòu)的重要部件，具有2個(gè)基本作用：一是將鋼軌固定在軌道板(道床板)上，防止鋼軌縱橫向移動(dòng)，以保持軌道幾何狀態(tài)；二是具有一定的高低、左右調(diào)整能力，當(dāng)線路發(fā)生小范圍偏移時(shí)，可通過扣件調(diào)整實(shí)現(xiàn)線路線形的修正。無砟軌道主要采用WJ-7型、WJ-8型和W300-1型扣件形式，3種扣件的高低和左右位置調(diào)整量[5]見表1。

表1 無砟軌道主要類型扣件調(diào)整量Table 1 Adjustment amount of main type rail fastening system on ballastless track

當(dāng)線路偏移超過扣件調(diào)整量時(shí)，可采用線形擬合技術(shù)結(jié)合特殊扣件調(diào)整實(shí)現(xiàn)線路線形的部分修正[6-8]。高速鐵路無砟軌道特殊調(diào)整扣件分為線路特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)和道岔特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)2類。線路特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)是指在WJ-7型、WJ-8型扣件基礎(chǔ)上采取技術(shù)措施，在標(biāo)準(zhǔn)扣件調(diào)整范圍之外，增加鋼軌位置調(diào)整量的特殊扣件；道岔特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)是指改變原道岔標(biāo)準(zhǔn)圖或設(shè)計(jì)圖墊板上鐵座的位置、鐵墊板的墊板厚度和特殊調(diào)整扣件系統(tǒng)。

WJ-7型特殊調(diào)整扣件的高低、左右調(diào)整量分別為-10~+70 mm和±15 mm；WJ-8型特殊調(diào)整扣件的高低、左右調(diào)整量分別為-10~+60 mm和±8 mm。特殊調(diào)整扣件僅用于運(yùn)營線線路維修中，不宜在新線建設(shè)中采用；鋪設(shè)后一般情況下使用時(shí)間為3 a，超過3 a后應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估；鋼軌高低位置調(diào)整量超過40 mm時(shí)應(yīng)限速200 km/h及以下運(yùn)營；另外從安全運(yùn)營角度考慮，高程特殊調(diào)整扣件與平面特殊調(diào)整扣件不能共用；特殊調(diào)整扣件一般與線形擬合調(diào)整糾偏技術(shù)結(jié)合起來應(yīng)用。

線形擬合糾偏思路是以平順性指標(biāo)作為必要條件，以扣件調(diào)整量作為限制條件對線路進(jìn)行平面擬合和垂向擬合，以滿足高鐵運(yùn)營平順性要求。由于新建高速鐵路作業(yè)時(shí)間相對寬裕，因此，從儲(chǔ)備軌道線形平順性角度考慮，軌道線形擬合方案中采用絕對控制指標(biāo)，各項(xiàng)控制參數(shù)較為嚴(yán)格；而運(yùn)營高速鐵路由于作業(yè)環(huán)境差、天窗時(shí)間有限，在滿足高速鐵路無砟軌道維修作業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的前提下，軌道線形擬合方案更強(qiáng)調(diào)相對控制指標(biāo)，各項(xiàng)控制參數(shù)指標(biāo)相對寬松。

線形擬合配合特殊調(diào)整扣件糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 技術(shù)簡單，應(yīng)用普遍，可應(yīng)用于路基、橋梁和隧道地段；

2) 除特殊調(diào)整扣件外，不需要其他特殊施工設(shè)備；

3) 該技術(shù)只是利用了設(shè)備冗余調(diào)整量，并未從根源上整治病害，是一項(xiàng)治標(biāo)不治本的維修措施，只能作為應(yīng)急處理，不宜長時(shí)間或大范圍使用。

1.2 路基地段糾偏

當(dāng)路基地段線路發(fā)生沉降、超過扣件調(diào)整量時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的糾偏措施對線路線形進(jìn)行修正。目前路基地段糾偏技術(shù)分為2類：機(jī)械糾偏技術(shù)[9]和注漿糾偏技術(shù)[10-11]。

1.2.1 機(jī)械糾偏技術(shù)

機(jī)械糾偏技術(shù)是指在無砟軌道底座板上植筋安裝錨固件并連接吊桿，在軌道上方相應(yīng)位置布置分配梁，在軌道外側(cè)分配梁兩端布設(shè)千斤頂，將吊桿與分配梁連接固定，通過千斤頂頂升分配梁來實(shí)現(xiàn)軌道的抬升；或者是在無砟軌道底座板上植筋安裝板式構(gòu)件，在軌道外側(cè)板式構(gòu)件下布設(shè)千斤頂，通過千斤頂頂升板式構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)軌道的抬升。軌道抬升后，再通過水平千斤頂進(jìn)行軌道板的橫移。最后在抬升后底座板與基床表層級(jí)配碎石間的空隙內(nèi)灌注無收縮自密實(shí)快硬聚合物灌漿材料來恢復(fù)基床結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度，技術(shù)原理如圖1所示。

目前，路基地段機(jī)械糾偏技術(shù)已應(yīng)用于 CRTSⅠ型、CRTSⅡ型及CRTSⅢ型板式無砟軌道，其中在CRTS I型、CRTS III型板式無砟軌道上應(yīng)用于高程和平面糾偏，鑒于 CRTSⅡ型為縱連體系，目前在CRTSⅡ型無砟軌道上主要應(yīng)用于平面糾偏。

圖1 路基地段機(jī)械糾偏技術(shù)原理圖Fig. 1 Construction process flow diagram of mechanical lifting and inclination correction technique in roadbed section

路基地段機(jī)械糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 因需要植筋及架設(shè)分配梁等工序，施工準(zhǔn)備工序多、工期長，且工裝設(shè)備復(fù)雜、笨重，現(xiàn)場存放困難，因此，主要適用于建設(shè)階段線路的線形糾偏；

2) 通過千斤頂及同步頂升系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)高程和平面的精確頂推，因此，相比于其他糾偏技術(shù)，糾偏精度可控性強(qiáng)；

3) 在底座板或支承層與基床表層級(jí)配碎石間注入注漿材料，一方面實(shí)現(xiàn)了間隙的填充，另一方面也加強(qiáng)了基床結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此，該技術(shù)對路基沉降病害有一定的整治效果；

4) 施工過程中植筋安裝錨固件可能破壞軌道結(jié)構(gòu)，對軌道結(jié)構(gòu)有一定傷損性。1.2.2 注漿糾偏技術(shù)

注漿糾偏技術(shù)是指通過合理布置注漿抬升孔和注漿孔，在抬升孔中注入臨時(shí)解黏劑后，臨時(shí)解除支承層與級(jí)配碎石間的約束，通過橫向加力頂推，將平面糾偏到位后，再采用高壓注漿設(shè)備將具有良好充盈性、快速凝結(jié)性及膨脹性特點(diǎn)的高聚物注漿材料注入到支承層下的級(jí)配碎石中，利用注漿壓力及漿體的膨脹力，對上部軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速、可控的抬升，并采用高聚物注漿材料和輕質(zhì)聚合物生態(tài)砂漿對抬升后產(chǎn)生的空隙進(jìn)行完全填充，技術(shù)原理如圖2所示，施工工藝流程如圖3所示。

目前，路基地段注漿糾偏技術(shù)已應(yīng)用于 CRTSⅠ型、CRTSⅡ型、CRTSⅢ型板式無砟軌道、CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道和道岔區(qū)長枕埋入式無砟軌道。

圖2 路基地段注漿糾偏技術(shù)原理圖Fig. 2 Technology Schematic of slip casting lifting and inclination correction technique in roadbed section

路基地段注漿糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 注漿糾偏技術(shù)主要應(yīng)用于運(yùn)營線路，一般1個(gè)天窗內(nèi)僅1次抬升10 mm，抬升量較大時(shí)需分次抬升，因此施工工期與線路糾偏量大小有關(guān)；

2) 注漿糾偏技術(shù)利用注漿壓力及注漿材料的短時(shí)膨脹力實(shí)現(xiàn)軌道結(jié)構(gòu)抬升，因此該技術(shù)宜用于路基地段，注漿孔鉆入底座板或支承層下方的路基表層使注漿材料與基床碎石充分結(jié)合，既能實(shí)現(xiàn)糾偏同時(shí)又對沉降路基進(jìn)行了加固處理，是一項(xiàng)治標(biāo)又治本的維修措施；

3) 注漿糾偏的工裝設(shè)備相對輕便，但環(huán)境溫度直接影響注漿材料的發(fā)泡膨脹特性，因此冬天施工時(shí)還需配備注漿材料預(yù)熱設(shè)備；

4) 應(yīng)充分掌握注漿材料的發(fā)泡膨脹特性，注漿糾偏精度可控性相對較差；

5) 施工過程中注漿孔鉆孔可能破壞軌道結(jié)構(gòu)和切斷軌道板內(nèi)置鋼筋，對軌道結(jié)構(gòu)有一定傷損性。

1.3 橋梁地段糾偏

當(dāng)橋梁地段橋墩發(fā)生傾斜、不均勻沉降時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的糾偏措施對線路線形進(jìn)行修正。目前橋梁地段糾偏技術(shù)分為3類：機(jī)械糾偏技術(shù)、移梁糾偏技術(shù)和高壓旋噴樁糾偏技術(shù)[12-15]。

圖3 路基地段注漿糾偏施工工藝流程圖Fig. 3 Construction process flow diagram of slip casting lifting and inclination correction technique in roadbed section

1.3.1 機(jī)械糾偏技術(shù)

不同于路基地段的機(jī)械糾偏技術(shù)是對底座板及其以上結(jié)構(gòu)的整體抬升和平移，橋梁地段的機(jī)械糾偏技術(shù)是對軌道板及其以上結(jié)構(gòu)，即軌道板、鋼軌、扣件系統(tǒng)的整體抬升和平移，是在軌道板與CA砂漿層之間填充預(yù)制樹脂砂漿實(shí)現(xiàn)軌道板的抬升，主要工藝流程如圖4所示。

目前，該技術(shù)已應(yīng)用于CRTS I型板式無砟軌道結(jié)構(gòu)。

橋梁地段機(jī)械糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 因抬升的是軌道板及其上部結(jié)構(gòu)，因此該技術(shù)不需要植筋及安裝分配梁等工序、施工工期短，同時(shí)千斤頂頂推力小、裝備輕便，便于在運(yùn)營線有限的天窗時(shí)間內(nèi)施工；

2) 該技術(shù)也可用于路基地段，橋梁地段機(jī)械糾偏技術(shù)與路基地段機(jī)械糾偏技術(shù)不同的是，在軌道板及砂漿層之間注漿并沒有從根本上治理線形偏差病害，因此是一項(xiàng)治標(biāo)不治本的維修措施；

3) 施工風(fēng)險(xiǎn)性小、糾偏精度可控性強(qiáng)。

1.3.2 移梁抬升糾偏技術(shù)

移梁糾偏技術(shù)是指在梁縫內(nèi)填塞硬木結(jié)合千斤頂加載作為箱梁縱向限位措施；利用箱梁一側(cè)與多向支座、橫向支座對應(yīng)的防落梁鋼擋塊作為橫向限位措施；采用橋墩作為頂升和平移施工的反力系統(tǒng)，通過對箱梁施加豎向頂升力和水平推力，調(diào)整梁體位置，實(shí)現(xiàn)線形糾偏。施工工藝流程如圖5所示。

圖4 橋梁地段機(jī)械糾偏施工工藝流程圖Fig. 4 Construction process flow diagram of mechanical lifting and inclination correction technique in bridge section

該技術(shù)目前已應(yīng)用于CRTSⅠ型、CRTSⅡ型板式無砟軌道橋梁區(qū)段, 另外該技術(shù)同時(shí)可應(yīng)用于CRTSⅢ型板、雙塊式無砟軌道橋梁區(qū)段。

橋梁地段移梁糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 由于是通過移動(dòng)箱梁實(shí)現(xiàn)軌道線形的糾正，因此該技術(shù)僅應(yīng)用于橋梁區(qū)段的平面及高程糾偏且沒有從根本上解決病害，是一項(xiàng)治標(biāo)不治本的維修措施；

2) 受限于結(jié)構(gòu)物尺寸，移梁糾偏技術(shù)的平面糾偏量有限，一般不能超過150 mm；

3) 通過千斤頂對箱梁施加豎向頂升力和水平推力，調(diào)整梁體位置從而修正線路偏移，一次頂推到位，施工工期較短，糾偏精度可控性相對較好；

4) 移梁抬升糾偏有可能導(dǎo)致橋墩偏載并對軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其傷損無法定量評(píng)估，存在一定風(fēng)險(xiǎn)性。

1.3.3 高壓旋噴樁糾偏技術(shù)

高壓旋噴樁糾偏技術(shù)是指采用擠壓糾偏法糾正橋墩的橫向偏移，主要手段為：橋墩單側(cè)噴射高壓水泥漿，深層沖孔擠土。采用高壓旋噴中的高壓射流切削一定范圍內(nèi)的土體，根據(jù)糾偏量大小的需要，在橋墩下淺層和深層切削土體，并在水平方向調(diào)整應(yīng)力的分布以達(dá)到消除橋墩的橫向偏移，一般與應(yīng)力釋放孔、掏土孔和變形槽等措施綜合應(yīng)用，對發(fā)生偏移的橋梁墩臺(tái)進(jìn)行糾偏整治。施工工藝流程如圖6所示。

該技術(shù)目前已應(yīng)用于CRTS I型板式無砟軌道、CRTSⅡ型板式無砟軌道橋梁區(qū)段，另外該技術(shù)同時(shí)可應(yīng)用于CRTSⅢ型板、雙塊式無砟軌道橋梁區(qū)段。

橋梁地段高壓旋噴樁糾偏技術(shù)特點(diǎn)：

1) 高壓旋噴樁糾偏技術(shù)采用高壓旋噴樁既可以對地基進(jìn)行加固和病害整治，又可實(shí)現(xiàn)橋墩樁基糾偏，是一項(xiàng)施工工藝不受軌道結(jié)構(gòu)影響治根治本的維修措施；

2) 在偏移一側(cè)橋墩處通過高壓旋噴樁擠壓土體實(shí)現(xiàn)線形糾正的技術(shù)原理決定了該技術(shù)只能應(yīng)用于橋梁區(qū)段橫向糾偏，不能實(shí)現(xiàn)高程糾偏；

3) 施工過程中的技術(shù)參數(shù)和施工準(zhǔn)備等應(yīng)考慮軌道線形、施工時(shí)間、地層條件等綜合因素；

4) 高壓旋噴樁糾偏有可能造成地基失穩(wěn)，對樁基礎(chǔ)和軌道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，其傷損無法定量評(píng)估，存在一定風(fēng)險(xiǎn)性和安全隱患。

圖5 橋梁地段移梁糾偏技術(shù)施工工藝流程圖Fig. 5 Construction process flow diagram of box girder offset correction technique in bridge section

圖6 橋梁地段高壓旋噴樁糾偏技術(shù)施工工藝流程圖Fig. 6 Construction process flow diagram of pile offset correction technique in bridge section

2 無砟軌道線形糾偏技術(shù)總結(jié)

高速鐵路是由不同部件組成的復(fù)雜土工結(jié)構(gòu)物，無砟軌道線形發(fā)生偏移后，調(diào)整不同部件，例如鋼軌、軌道板、底座板、箱梁和橋墩等部件的空間位置均可實(shí)現(xiàn)線形糾正。根據(jù)抬升或平移部位、抬升或橫移動(dòng)力及整治效果，現(xiàn)有無砟軌道線形糾偏技術(shù)總結(jié)見表2所示。

抬升或平移部位不同，無砟軌道線形糾偏方法的施工難度及施工裝備也不同。一般而言，抬升或平移越下部的結(jié)構(gòu)，施工難度、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)越大，施工裝備也越復(fù)雜，例如扣件調(diào)整與線形擬合僅通過更換扣件墊板調(diào)整軌道線形，作業(yè)難度、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小且不需要特殊施工設(shè)備；而高壓旋噴樁糾偏技術(shù)則需要配備較多種類和較大型的施工機(jī)械，如旋噴樁機(jī)械設(shè)備、挖掘機(jī)、高壓泵設(shè)備等，同時(shí)施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高。但上部結(jié)構(gòu)抬升或平移時(shí)受到的約束較多，如抬升或平移軌道板或底座板及以上結(jié)構(gòu)時(shí)，受到線路限界的約束；通過扣件墊板調(diào)整軌道線形時(shí)又受到扣件調(diào)整量的約束。因此抬升或平移越下部的結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)的糾偏量也越大。另外通過千斤頂頂推力實(shí)現(xiàn)軌道部件抬升或平移的糾偏技術(shù)精度可控性較高，而通過注漿材料膨脹力和土體擠壓力進(jìn)行線形糾偏的注漿糾偏技術(shù)和高壓旋噴樁糾偏技術(shù)的作業(yè)精度可控性則相對較差。

高速鐵路無砟軌道不同工程結(jié)構(gòu)物線形糾偏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀如圖7所示。

表2 現(xiàn)有無砟軌道線形糾偏技術(shù)總結(jié)Table 2 Summary of existed lifting and inclination correction technique on ballastless track

圖7 高速鐵路無砟軌道不同工程結(jié)構(gòu)物線形糾偏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀Fig. 7 State of lifting and inclination correction technique’s application on different engineering structures of high-speed railway ballastless track

3 結(jié)論

無砟軌道整體道床的高穩(wěn)定性是其顯著優(yōu)勢，但反過來整體道床也導(dǎo)致了其養(yǎng)護(hù)維修的困難性。當(dāng)線路線形偏移超過有限的扣件調(diào)整量時(shí)，采取的糾偏措施的技術(shù)難度、施工風(fēng)險(xiǎn)及費(fèi)用都相對較高。為此，應(yīng)從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營各方面預(yù)防線形偏移的產(chǎn)生。設(shè)計(jì)階段，應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃路網(wǎng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，盡可能減少路網(wǎng)規(guī)劃及設(shè)計(jì)方案的變更；施工階段，應(yīng)統(tǒng)一測量坐標(biāo)體系和把控設(shè)備質(zhì)量，減少測量誤差及施工偏差；運(yùn)營階段，應(yīng)做好外部壞境巡查及防護(hù)，避免高速鐵路沿線施工、堆載等對線路狀態(tài)的影響。

采取無砟軌道線形糾偏整治技術(shù)是不得已之舉，也是無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修中必須要面對的一項(xiàng)課題。我國無砟軌道運(yùn)營時(shí)間較短，作為一種相對較新的養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)，無砟軌道線形糾偏技術(shù)也在運(yùn)營管理實(shí)踐探索中進(jìn)一步發(fā)展和完善。本文對我國現(xiàn)有的無砟軌道線形糾偏技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了綜合論述，結(jié)合各糾偏技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，筆者有以下幾點(diǎn)建議：

1) 高速鐵路無砟軌道建設(shè)期與運(yùn)營期應(yīng)采用不同的糾偏整治措施，建設(shè)期施工作業(yè)時(shí)間寬裕，應(yīng)盡量采用治標(biāo)又治本且不利用設(shè)備冗余調(diào)整量的糾偏技術(shù)；運(yùn)營期施工作業(yè)時(shí)間有限，應(yīng)盡量采用施工工期短、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小的糾偏技術(shù)。

2) 可根據(jù)工況特點(diǎn)，采用多種整治措施并存、治標(biāo)與治本相結(jié)合的糾偏方式，充分發(fā)揮各糾偏技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，取長補(bǔ)短，例如扣件調(diào)整與移梁糾偏相結(jié)合。

3) 為實(shí)現(xiàn)高速鐵路無砟軌道的高平順性，應(yīng)采用預(yù)防與防治相結(jié)合的運(yùn)營管理思路，強(qiáng)化無砟軌道設(shè)備質(zhì)量源頭控制，加強(qiáng)無砟軌道沿線外部壞境巡查及防護(hù)。

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