高速鐵路道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治技術(shù)及效果評價

溫 浩,劉學(xué)文，楊懷志，易忠來，李化建，谷永磊

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100844)

高速道岔作為重要的鐵路線路設(shè)備，具有構(gòu)造復(fù)雜、精度要求高、養(yǎng)護(hù)工作量大及修復(fù)難度高的特點，其服役狀態(tài)的好壞不僅影響列車通過時的平穩(wěn)性和安全性，還決定了高速鐵路的運營速度。通過近幾年的運營線路調(diào)研發(fā)現(xiàn)，道岔區(qū)已成為高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)和養(yǎng)護(hù)維修的重點區(qū)。

道岔區(qū)無砟軌道混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是指在預(yù)期的作用和使用、維護(hù)條件下[1]，混凝土結(jié)構(gòu)及構(gòu)件在設(shè)計使用年限內(nèi)保持其適用性和安全性的能力。這意味著在耐久性設(shè)計之初，就應(yīng)充分考慮并提出道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)的維護(hù)和整治技術(shù)。但由于缺少道岔區(qū)無砟軌道維護(hù)與修復(fù)技術(shù)儲備，在耐久性設(shè)計之初對無砟道岔整治技術(shù)考慮不足；同時，由于道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)的特殊性以及道岔區(qū)結(jié)構(gòu)受力的特殊性，使其成為無砟軌道線路的薄弱區(qū)段[2]。

道岔區(qū)無砟軌道應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性、道岔區(qū)結(jié)構(gòu)及受力的特殊性、高速鐵路維修天窗時間短等特征決定了道岔區(qū)無砟軌道傷損劣化的特殊性及其修復(fù)技術(shù)的困難性，正線無砟軌道所用整治技術(shù)亦不能或不完全能適用于道岔區(qū)無砟軌道的修復(fù)。因此，必須盡早開展道岔區(qū)無砟軌道修復(fù)技術(shù)研究，建立和完善基于不同軌道結(jié)構(gòu)形式的道岔區(qū)無砟軌道整治技術(shù)及裝備體系，確保道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)安全服役。

1 道岔區(qū)無砟軌道傷損現(xiàn)狀

以道岔板和岔枕為代表的預(yù)制道岔結(jié)構(gòu)具有加工精度高、生產(chǎn)可控性強、成品缺陷率低等特征，在實際工程中出現(xiàn)問題相對較少。而充填層(自密實混凝土層、水泥乳化瀝青砂漿層)以及岔區(qū)長枕埋入式道床等現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)傷損相對頻繁。路基段道岔區(qū)板式無砟軌道的主要病害表現(xiàn)自密實混凝土層破損、道岔板離縫、冒漿等；橋梁段道岔區(qū)板式無砟軌道主要病害表現(xiàn)為水泥乳化瀝青砂漿層離縫、破損等；長枕埋入式無砟道床主要病害表現(xiàn)為軌枕與道床板間離縫、冒漿等。道岔區(qū)無砟軌道傷損雖然位置和形式不同，但總體呈現(xiàn)出形式多樣、形態(tài)各異、傷損發(fā)生早、傷損動態(tài)變化等特點。

2 道岔區(qū)無砟軌道冒漿病害原因分析

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研、設(shè)計及施工資料匯總分析及室內(nèi)模擬試驗，總結(jié)出高速鐵路道岔區(qū)無砟軌道傷損主要由以下幾方面原因?qū)е拢航ㄔO(shè)環(huán)節(jié)未能嚴(yán)格按照設(shè)計、規(guī)范施工，路基沉降或凍脹上拱，環(huán)境荷載和列車荷載的耦合作用等。而道岔區(qū)層間冒漿則多由于出現(xiàn)線間或路肩封閉層嵌縫材料防水失效、板間接縫離縫、砂漿層或自密實混凝土層離縫等傷損，導(dǎo)致水進(jìn)入道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部，列車通過時對自密實混凝土層或砂漿層產(chǎn)生的拍打作用使得層間積水?dāng)y帶析出物被拍出[4]，產(chǎn)生流漿，析出物在離縫外側(cè)堆積，最終導(dǎo)致部分離縫發(fā)展為層間冒漿。圖1為道岔區(qū)無砟軌道冒漿。通過對析出物取樣進(jìn)行X射線衍射(X-ray Diffraction，XRD)分析后(見圖2)，驗證了析出物主要物相有SiO2、CaCO3、鈣礬石(AFt)等，屬于典型的水泥水化產(chǎn)物。

圖1 道岔區(qū)無砟軌道冒漿

圖2 析出物XRD分析

3 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治技術(shù)

為確保道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)耐久性，實現(xiàn)在設(shè)計服役周期內(nèi)安全服役，對道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治技術(shù)開展系統(tǒng)研究。通過對選取的試驗觀測點進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研和跟蹤觀測后發(fā)現(xiàn)，道岔區(qū)無砟軌道冒漿傷損常伴隨以下傷損中的一種或幾種同時出現(xiàn)：道岔板與充填層離縫、充填層與底座板離縫、轉(zhuǎn)轍機位置砂漿破損、自密實混凝土層或砂漿層冒漿、線間封閉層與道岔板間接縫嵌縫材料失效、板接縫嵌縫材料失效、轉(zhuǎn)轍機部位積水等。

3.1 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治思路

針對上述道岔區(qū)無砟軌道冒漿病害，通過理論分析、實驗室試驗、線下試驗段工藝性試驗和線上試驗，采用離縫注漿+防水封閉+排水疏堵的整治思路進(jìn)行修復(fù)。具體整治思路為：先采用側(cè)面注漿為主，頂面注漿為輔的方式進(jìn)行道岔板板底離縫注漿；對支承層與基床表層間離縫注漿；然后對線間封閉層與道岔板間接縫、路肩封閉層與底座板或支承層間接縫以及道岔板間接縫進(jìn)行防水封閉；對支承層混凝土排水坡進(jìn)行打磨，排水疏堵；最后進(jìn)行軌道精調(diào)。

3.2 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治工藝

1)道岔板板底離縫注漿

采用以側(cè)面注漿為主，頂面注漿為輔的方式進(jìn)行道岔板板底離縫注漿。①側(cè)面注漿孔設(shè)置間距以50～100 cm為宜，鉆頭與道岔板板底保持水平，確保注漿孔與道岔板板底離縫形成注漿通道，注漿管宜采用透明耐壓軟管。②頂面注漿孔設(shè)置：對于預(yù)制板式道岔，建議頂面注漿孔設(shè)置在道岔板灌注孔處，每塊道岔板有2～3 個灌注孔；對于長枕埋入式道岔，建議在道床板避開鋼筋位置鉆孔，鉆孔深度以鉆透道岔板即可。離縫注漿過程中采用全站儀或電子水準(zhǔn)儀對道岔板高程及平面進(jìn)行實時監(jiān)測。

2)支承層與基床表層間離縫注漿

支承層和基床表層間離縫注漿采用從支承層外露部分頂面豎向注漿的方式進(jìn)行。鉆孔深度以鉆透支承層為準(zhǔn)，鉆孔間距設(shè)置不宜大于100 cm。注漿材料不宜為可發(fā)泡材料，防止將支承層頂起。

基于極值估測的哈密電網(wǎng)直流偏磁風(fēng)險評估方法研究………………………………………… 楊文勝，馬鵬，王亮（3-52）

3)接縫處防水封閉

對所有可能形成通道使水進(jìn)入道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)內(nèi)部的接縫進(jìn)行防水封閉，主要包括線間封閉層與道岔板接縫、路肩封閉層與自密實混凝土底座板或支承層間接縫、道岔板與道岔板間橫向接縫。將接縫內(nèi)原嵌縫材料清理干凈，達(dá)到接縫兩側(cè)混凝土干燥且無灰塵狀態(tài)，根據(jù)需要設(shè)置嵌縫板，并在頂面嵌填有機硅嵌縫材料。

4)支承層混凝土排水坡打磨

對于寬出道岔板外側(cè)部分的支承層混凝土排水坡，若無法保證積水向外排出，則需進(jìn)行打磨，確保支承層橫向排水坡滿足接縫處不積水的要求，防止雨雪水倒灌進(jìn)入離縫內(nèi)部，實現(xiàn)道岔冒漿區(qū)域的排水疏堵。

5)軌道精調(diào)

精調(diào)鋼軌，使其滿足平順度要求。

3.3 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治材料的選用

道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治中主要涉及3種材料：道岔板離縫注漿材料、離縫封邊材料和硅酮嵌縫材料。

由于道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)的特殊性，不宜采用正線無砟軌道離縫注漿材料對道岔區(qū)冒漿病害進(jìn)行整治。道岔板離縫注漿材料宜選用雙組份低黏度樹脂材料。該材料黏度及表面張力較低，黏度小于 50 mPa·s，可以滲透到細(xì)小的離縫中；具有快速固化和振動條件下固化的特性，凝膠時間小于10 min，2 h抗壓強度大于10 MPa，可在較短的天窗時間內(nèi)完成修補，并達(dá)到通車要求；具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，在較低溫度(-10 ℃)下仍能較快固化以及在潮濕環(huán)境中固化；具有較高的黏結(jié)強度、抗拉強度和抗壓強度，7 d黏結(jié)強度大于5 MPa，7 d抗壓強度大于70 MPa，且具有較好的彈韌性，可以對結(jié)構(gòu)起到較好的填充補強作用。

離縫封邊材料宜選用高分子樹脂砂漿類或速凝砂漿類材料，能夠適應(yīng)在立面或直角面施工，不流掛；固化速度快，并可在低溫條件下快速固化，固化時間30 min；黏結(jié)強度高；性能符合TG/GW 115—2012《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則(試行)》[5]的要求。

硅酮嵌縫材料應(yīng)具有一定觸變性[6]，既能夠在水平接縫中使用，也能夠在立面或曲線段接縫中使用；環(huán)境溫度敏感性低，可以在-5～30 ℃環(huán)境下施工；接縫跟隨性好，具有極高的斷裂伸長率和彈性復(fù)原率，斷裂伸長率大于800%，彈性復(fù)原率大于90%，能夠滿足不同溫度下接縫的變形行為，可以隨接縫寬度的減小而壓縮，隨接縫寬度的增加而延長；能夠滲透到水泥基材料內(nèi)部毛細(xì)孔中，與無砟軌道水泥基材料基體具有很高的黏結(jié)強度，能夠達(dá)到防水、防腐蝕介質(zhì)侵入的目的。硅酮嵌縫材料、嵌縫板和界面劑應(yīng)滿足Q/CR 601—2017《鐵路無砟軌道嵌縫材料》[7]的要求。

3.4 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治設(shè)備的選擇

道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)與正線無砟軌道結(jié)構(gòu)相比，具有如下特點：①道岔區(qū)無砟軌道是一切最不利因素的集中載體，必須保證具有足夠的力學(xué)性能和穩(wěn)定性；②道岔區(qū)無砟軌道鋪設(shè)精度要求更高；③道岔板/道床板寬度更大。因此，適用于正線無砟軌道傷損整治的設(shè)備無法滿足道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治的需要。

注漿設(shè)備是道岔區(qū)無砟軌道冒漿病害整治過程中最為重要的裝備之一，建議采用專用注漿設(shè)備進(jìn)行道岔區(qū)冒漿病害整治。道岔區(qū)冒漿病害整治宜采用雙組份低壓注漿設(shè)備，并應(yīng)具有壓力及流量可控和輕便化的特點。

4 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治效果評價技術(shù)

鐵路工務(wù)部門組織開展道岔區(qū)無砟軌道冒漿傷損整治時，由于道岔板底部離縫區(qū)域的注漿飽滿度無法通過肉眼觀察，屬于隱蔽工程，常通過施工過程控制、外觀檢查、道岔板鉆芯取樣抽樣檢測等手段進(jìn)行驗收。這類方法不具有代表性，而且還會對道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)造成二次傷損。針對這一問題，對比選用一種適用于道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治效果評價的技術(shù)。該技術(shù)通過無損檢測手段，可在對結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生任何損傷的基礎(chǔ)上實現(xiàn)道岔區(qū)無砟軌道離縫注漿效果評價，給工務(wù)部門進(jìn)行工程驗收提供一定的依據(jù)。

4.1 常規(guī)無損檢測技術(shù)的局限性

傷損整治效果無損檢測主要是對修復(fù)后的道岔板離縫脫空情況進(jìn)行檢測。常規(guī)的無損檢測手段有遠(yuǎn)紅外線成像無損檢測技術(shù)，電磁波(雷達(dá))檢測技術(shù)，振動、超聲波、彈性波等機械波檢測技術(shù)等[8]。

遠(yuǎn)紅外線成像無損檢測技術(shù)基于不同檢測材料的導(dǎo)熱性能具有不連續(xù)性[9]，根據(jù)結(jié)構(gòu)表面的溫度成像來推斷是否脫空。該方法可檢測的脫空深度一般在10 cm之內(nèi)，無法適用于厚度為20 cm的道岔板檢測。

電磁波(雷達(dá))檢測技術(shù)基于不同檢測材料的導(dǎo)電性能具有不連續(xù)性，根據(jù)發(fā)射的電磁波在不同介質(zhì)面上的反射來推斷是否脫空[10]。該方法受金屬介質(zhì)和水的影響很大，而且對空氣相對不太敏感，因此，不適用于預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土道岔板板底脫空情況的檢測。

機械波檢測技術(shù)基于不同檢測材料的力學(xué)特性具有不連續(xù)性，根據(jù)誘導(dǎo)振動、超聲波、彈性波等在不同介質(zhì)面上的反射來推斷是否脫空。其中誘導(dǎo)振動法測試時需要誘導(dǎo)道岔板自由振動，不具可操作性。超聲波法測試時需將探頭與被測面耦合，測試效率低；此外，激發(fā)信號能量低，能量衰減快，受混凝土中骨料、鋼筋影響較大，檢測深度也較淺[11]。而彈性波法檢測時激發(fā)的能量大，波長較長，測試范圍較深，可達(dá)1 m以上。因此利用彈性波檢測道岔區(qū)無砟軌道整治效果是較為理想的方法。但利用彈性波法進(jìn)行檢測時應(yīng)選用合適的激振錐，以平衡檢測深度和分辨率。

4.2 彈性波法無損檢測技術(shù)原理

彈性波檢測道岔區(qū)無砟軌道整治效果是利用彈性波探頭或激振錐激發(fā)入射信號，當(dāng)該入射信號遇到道岔板注漿不飽滿區(qū)域時即會產(chǎn)生反射，根據(jù)該反射信號的有無和位置即可推斷注漿飽滿程度。

由于道岔板尺寸不同，為了實現(xiàn)道岔板注漿區(qū)域測點全覆蓋，測點布置不宜過少，測點間距一般控制在30 cm為宜，既保證了測試精度，測試效率也可滿足天窗時間內(nèi)完成的需求。測點個數(shù)根據(jù)道岔板實際尺寸確定，測試結(jié)束后將所有測點采集數(shù)據(jù)進(jìn)行合成，形成等值線平面圖形，即可實現(xiàn)對道岔板注漿效果較為直接的呈現(xiàn)。

當(dāng)?shù)啦戆迮c底座板(支承層)間存在注漿不飽滿區(qū)域時，由于空氣和混凝土道岔板的阻抗存在較大差異，當(dāng)彈性波傳播到注漿不飽滿區(qū)域時會產(chǎn)生反射，通過高分辨率頻譜處理方法對測試信號進(jìn)行處理，提取出該處的反射信號；當(dāng)沒有注漿不飽滿區(qū)域時，絕大部分信號會透過道岔板，反射信號較少。根據(jù)反射信號的反射位置可以判定道岔板板底注漿飽滿情況，根據(jù)反射能量的強弱可以判斷飽滿程度。彈性波法檢測道岔區(qū)無砟軌道整治效果的原理如圖3所示。

圖3 彈性波法檢測道岔區(qū)無砟軌道整治效果原理示意

4.3 道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治效果無損檢測技術(shù)應(yīng)用

采用彈性波法對一線路2組道岔(4#，8#道岔)進(jìn)行冒漿整治效果的無損檢測。2組道岔分別采用不同技術(shù)進(jìn)行整治，其中8#道岔采用本技術(shù)進(jìn)行整治，4#道岔采用其他技術(shù)進(jìn)行整治，分別對2組道岔整治前后的離縫區(qū)域比例進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，采用其他技術(shù)整治的4#道岔，整治前道岔區(qū)平均離縫區(qū)域比例為43.01%，整治后平均離縫區(qū)域比例為11.81%，離縫區(qū)域降低率達(dá)到72.5%；采用本技術(shù)整治的8#道岔，整治前道岔區(qū)平均離縫區(qū)域比例為41.18%，整治后平均離縫區(qū)域比例為1.94%，離縫區(qū)域降低率達(dá)到95.3%?？芍捎帽炯夹g(shù)進(jìn)行道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治是有效的。該線路8#道岔整治前后的離縫情況見圖4，可知，整治前該道岔板離縫情況為明顯缺陷35.0%，疑似缺陷30.0%；整治后該道岔板離縫情況為沒有明顯缺陷，疑似缺陷10.0%。

表1 道岔區(qū)整治效果檢測結(jié)果

注：離縫區(qū)域降低率=(整治前平均離縫區(qū)域比例-整治后平均離縫區(qū)域比例)/整治前平均離縫區(qū)域比例。

圖4 整治前后道岔板離縫區(qū)域比例譜

5 結(jié)論與建議

1)高速鐵路道岔區(qū)無砟軌道冒漿傷損是現(xiàn)階段較為典型的傷損之一，為確保道岔區(qū)無砟軌道安全服役，提出了采用離縫注漿+防水封閉+排水疏堵的道岔區(qū)無砟軌道冒漿整治技術(shù)。

2)采用彈性波法無損檢測技術(shù)可在天窗時間內(nèi)實現(xiàn)道岔區(qū)無砟軌道冒漿傷損程度及整治效果的評價，檢測精度可滿足實際需求。

3)鑒于道岔區(qū)無砟軌道結(jié)構(gòu)與正線無砟軌道結(jié)構(gòu)相比，存在精度要求高、修復(fù)難度大等差異，正線無砟軌道傷損修復(fù)技術(shù)不適用于處理道岔區(qū)無砟軌道傷損，建議采用專用材料及專用設(shè)備處理道岔區(qū)無砟軌道傷損。