高速鐵路聚氨酯固化道床施工工藝及費用分析

范向東

（中國鐵路總公司工程管理中心 高級工程師，北京 100038）

0 引言

近年來，我國鐵路發(fā)展迅速，特別是高速鐵路建設(shè)取得了舉世矚目的成就。鐵路的快速發(fā)展對軌道結(jié)構(gòu)也提出了更高的要求。目前，我國常用的軌道結(jié)構(gòu)主要有有砟軌道和無砟軌道兩種。有砟軌道具有彈性好、造價低等優(yōu)點，在普速鐵路、重載鐵路和時速200～250 km高速鐵路、客貨共線鐵路等建設(shè)工程中采用較多，但有砟軌道存在穩(wěn)定性差，道砟易粉化，道床易板結(jié)、翻漿，維修工作量大等缺點[1]。無砟軌道具有穩(wěn)定性好，整體性強，軌道幾何形位易于保持等優(yōu)點，是時速300 km及以上高速鐵路采用的主要軌道結(jié)構(gòu)。無砟軌道對線下基礎(chǔ)要求高，軌下基礎(chǔ)彈性差，一旦出現(xiàn)變形，維修困難。

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，并在道砟間完成發(fā)泡、膨脹和凝固，使泡沫狀聚氨酯彈性材料擠滿道砟間的空隙，并牢固粘結(jié)道砟顆粒，形成彈性整體道床結(jié)構(gòu)。聚氨酯固化道床是兼具有砟軌道和無砟軌道優(yōu)點的一種新型軌道結(jié)構(gòu)，優(yōu)點：具有良好的彈性、整體性和穩(wěn)定性；能避免道砟間的錯動移位[2]，可持久保持道床彈性；道床的累積變形緩慢，養(yǎng)護維修工作量少；具有良好的協(xié)調(diào)變形能力；具有良好的減振、降噪功能；可維修性好等。

現(xiàn)行鐵路定額體系中已有有砟軌道和無砟軌道定額，聚氨酯固化道床沒有現(xiàn)行定額可采用。本文參照有砟軌道和無砟軌道定額，聚氨酯固化道床的施工工藝和工料機分析，對聚氨酯固化道床造價進行研究分析。

1 聚氨酯固化道床

1.1 技術(shù)原理

鐵路有砟道床的固化，是在碎石道床滿足相關(guān)設(shè)計施工標(biāo)準(zhǔn)后灌注或噴灑固化材料，將散粒體道床固結(jié)成整體結(jié)構(gòu)的過程。固化主要采用瀝青、環(huán)氧樹脂和聚氨酯材料，目前我國主要采用聚氨酯材料固化道床[3]。

聚氨酯固化道床基本原理主要是將聚氨酯材料充填到散粒體道床空隙中，通過高分子的化學(xué)反應(yīng)將散粒體道砟粘結(jié)成一個整體，形成一種新型彈性道床結(jié)構(gòu)[3]（見圖1）。聚氨酯固化道床具有長期的穩(wěn)定性、良好的彈性及彈性保持能力，使軌道長期處于良好的工作狀態(tài)，能夠節(jié)省與道床有關(guān)的大量養(yǎng)護維修作業(yè)，有效提高線路通過能力，改善工人勞動環(huán)境和減低勞動強度。聚氨酯固化道床后不影響道床剛度，仍保持原有砟軌道的彈性。另外，聚氨酯整體透水性差，需進行專門的排水設(shè)計。

圖1聚氨酯固化道床示意圖

聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)在設(shè)計時，既要充分考慮其功能性，還要兼顧其經(jīng)濟性。結(jié)構(gòu)斷面滿足道床強度、穩(wěn)定性、耐久性等基本性能要求，有利于道床自身的排水、施工及養(yǎng)護維修，減少聚氨酯固化材料用量，從而降低工程造價。我國鐵路一般區(qū)段雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

圖2雙梯形聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)

1.2 應(yīng)用情況簡介

目前，聚氨酯固化道床僅在我國和德國開展了試驗和應(yīng)用。2012年以來我國鋪設(shè)的聚氨酯固化道床試驗段如表1所示。

表1國內(nèi)聚氨酯泡沫固化道床應(yīng)用

從表1可知，聚氨酯固化道床均成段鋪設(shè)，長度均大于500 m。同時由于聚氨酯固化道床不影響原道床剛度，因此，聚氨酯固化道床與無砟軌道間仍需設(shè)置有砟無砟過渡段，進行剛度過渡。

1.3 施工工藝

聚氨酯固化道床施工包括道床施工和澆注施工兩部分，而且施工是現(xiàn)場澆筑，聚氨酯材料受環(huán)境氣候影響比較大。聚氨酯固化道床關(guān)鍵工序是烘干和澆注，如果固化材料膨脹性能難以保證，還需要采用保壓措施，因此，施工工藝比較復(fù)雜，施工質(zhì)量較難控制。具體施工工藝如圖3。

圖3聚氨酯固化道床完整施工流程

根據(jù)以上施工工藝流程可以看出，聚氨酯固化道床是在傳統(tǒng)的有砟軌道軌道施工完成之后，在道床固化之前進行階段性驗收，驗收合格之后進行聚氨酯固化道床的澆筑，因此聚氨酯固化道床的核心在于澆筑過程，即圖4部分。根據(jù)聚氨酯固化道床與有砟軌道的施工工藝比較分析，在有砟軌道的施工工藝的基礎(chǔ)上，聚氨酯固化道床主要增加了道砟清洗、上道砟前橋面清洗、鋪設(shè)排水墊層、道床的烘干和冷卻、澆筑聚氨酯等工藝。

圖4聚氨酯固化道床澆注關(guān)鍵施工流程

1.4 新增施工工藝關(guān)鍵技術(shù)分析

根據(jù)聚氨酯固化道床與有砟軌道的施工工藝比較分析，對于聚氨酯固化道床的投資分析，主要就道砟清洗、上道砟前橋面清洗、鋪設(shè)排水墊層、道床的烘干和冷卻、澆筑聚氨酯等增加的工藝進行關(guān)鍵技術(shù)分析。根據(jù)施工工藝，本次關(guān)鍵技術(shù)分析增加的工序主要有三個，即道砟清洗、鋪設(shè)排水墊層、道床固化[4]。

1）道砟清洗。聚氨酯固化道床對道砟要求較高，需要對一級道砟或特級道砟水洗，顆粒表面清潔度滿足《鐵路碎石道砟》規(guī)定。 采取對原拌合站的料倉進行加固和圍護后注水的方法進行浸泡，預(yù)鋪底層道砟清洗前應(yīng)浸泡不小于2天，確定清洗流程為三次，再增加高壓抽、沖洗水泵及安裝7根沖洗水管以滿足沖洗需要，確保上道時道砟表面清潔度控制在0.17%以下。道砟三遍沖洗后進行取樣，將清洗后樣品送鐵科院進行檢測，經(jīng)檢測其清洗結(jié)果滿足要求。

2）鋪設(shè)排水墊層。組織有砟軌道材料進場，按要求在道砟運輸?shù)綐蛎嬷皩蛎孢M行清理和沖洗，保證作業(yè)面清潔度滿足鋪設(shè)排水墊的要求。在上底層道砟前需進行排水墊鋪設(shè)，為了減少施工對排水墊損傷，按50 m的間距人工分段鋪設(shè)排水墊，搭接長度為10 cm，鋪完一段就進行此段的底層道砟鋪設(shè)，排水墊采用三維復(fù)合排水網(wǎng)。

3）道床澆注。聚氨酯固化道床在澆注之前需對道砟烘干和冷卻，因為道床適合聚氨酯反應(yīng)的溫度以15℃～30℃為宜，相對濕度要低于30%。達(dá)到上述條件后再進行澆注，在澆注過程中應(yīng)對材料的溫度進行控制，測試起發(fā)時間、表干時間，測試自由泡密度。為確保表面聚氨酯固化材料與道砟粘結(jié)為一體，澆注后及時覆蓋道砟，覆蓋后道砟離鋼軌底面約 8～10 cm。澆注過程中用水準(zhǔn)儀監(jiān)測軌面高程，確保澆注施工中線路高程未發(fā)生變化，回填道砟，澆注完成后，按《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》進行驗收。

2 聚氨酯固化道床造價分析

根據(jù)聚氨酯固化道床與有砟軌道的施工工藝比較分析，本次造價分析增加的工序主要有三個，即道砟清洗、鋪設(shè)排水墊層、道床固化。造價分析主要采用國鐵科法〔2017〕30號文《鐵路基本建設(shè)工程設(shè)計概（預(yù)）算編制辦法》[5]、國鐵科法〔2017〕31 號文《鐵路基本建設(shè)工程設(shè)計概（預(yù)）算費用定額》[6]。因為道砟清洗和鋪設(shè)排水墊層兩道工序在國鐵科法〔2017〕31號文中有相應(yīng)定額[6]，僅對道床澆注進行造價分析。

2.1 人工消耗分析

聚氨酯固化道床澆注工藝中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在科學(xué)合理的施工組織設(shè)計下，每個工作日需配測量、扒砟、填砟及后勤人員。人工按27人計列，軌道人工按II類工考慮，施工期每天平均施工進度按30 m考慮，單位消耗人工為27/30=0.9工日/m。

2.2 材料消耗分析

聚氨酯固化道床的固化材料的主要生產(chǎn)工藝如圖5所示。

圖5聚氨酯固化材料生產(chǎn)工藝

從圖5可知，聚氨酯材料分為工廠生產(chǎn)和現(xiàn)場生產(chǎn)，本文概算設(shè)計過程中將聚氨酯材料作為廠發(fā)料，材料消耗為固化道床每根軌枕下聚氨酯用量約52 kg， 每單線公里用量約52×1 667÷1 000=86.684 t，則每米的聚氨酯材料消耗為86.684 kg/m （含損耗）。由于料費方案沒有對應(yīng)的聚氨酯固化道床的固化成品，通過詢價以補充材料形式列入概算，價格為22元/kg。

2.3 機械臺班消耗分析

聚氨酯固化道床的烘干、冷卻和澆注過程中的主要機械系統(tǒng)（見圖6）及臺班的消耗如表2所示。

圖6聚氨酯固化材料施工設(shè)備組成

表2聚氨酯固化道床機械使用情況表

由于機費方案中對于內(nèi)燃機車、軌道車、特種軌道平車已經(jīng)有對應(yīng)的機械消耗，但沒有對應(yīng)的氨酯固化道床澆注及烘干設(shè)備，本文通過詢價以補充機械形式列入概算，氨酯固化道床澆注及烘干設(shè)備價格為43 802.5元/臺班。

2.4 造價分析

根據(jù)以上關(guān)鍵技術(shù)施工工藝分析和造價分析，現(xiàn)在按每鋪軌公里來分析，每鋪軌公里所需的道砟按2 608 m3計算，每鋪軌公里的分項工程數(shù)量和費用如表3所示。

由表3可以看出，聚氨酯固化道床每鋪軌公里的造價指標(biāo)為585萬元。造成聚氨酯固化道床造價較高的主要原因是固化道床聚氨酯材料和聚氨酯固化道床烘干冷卻及澆注設(shè)備。目前聚氨酯固化道床在國內(nèi)的應(yīng)用較少，即使使用，每個工點的鋪軌公里數(shù)也較小，固化道床聚氨酯材料和聚氨酯固化道床烘干冷卻及澆注設(shè)備不能批量生產(chǎn)，因此這兩種因素的價格較高，對聚氨酯固化道床每鋪軌公里的造價指標(biāo)比較敏感，從而導(dǎo)致聚氨酯固化道床較兩種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的造價會高。

表3聚氨酯固化道床單項概算表

3 結(jié)束語

作為一種新型的、兼具有砟軌道和無砟軌道兩種傳統(tǒng)軌道結(jié)構(gòu)優(yōu)點的軌道結(jié)構(gòu)方式，聚氨酯固化道床技術(shù)在高速、重載和城市軌道交通等中應(yīng)用會越來越多。本文通過與傳統(tǒng)有砟軌道的施工工藝的比較，提煉出聚氨酯固化道床的特殊工藝，結(jié)合工程實際情況，從合理施工組織計劃的工、料、機等方面剖析聚氨酯固化道床特殊工藝的造價，結(jié)果表明，聚氨酯固化道床技術(shù)較傳統(tǒng)的有砟軌道和無砟軌道的工程建設(shè)費用增幅較大。但聚氨酯固化道床避免了有砟軌道和無砟軌道的維修量大、維修難和對線下基礎(chǔ)要求高的缺點，為后期的運營過程中提供了維修量小、安全系數(shù)高、運營成本低等方面的保證，應(yīng)用前景可觀。