隧道洞渣在鐵路新型預(yù)制聚氨酯固化道床中的應(yīng)用

王 紅，郄錄朝，徐 旸，許永賢

(中國(guó)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)

1 隧道洞渣的處理與利用

近年來新建鐵路設(shè)計(jì)的橋隧比逐年提高，在復(fù)雜地質(zhì)條件山區(qū)修建隧道會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄洞渣或渣土，需要建設(shè)大面積的棄渣場(chǎng)[1]。棄渣場(chǎng)破壞路域的自然生態(tài)環(huán)境，影響生物多樣性，干擾野生動(dòng)物的棲息，污染水源，造成水土流失，誘發(fā)滑坡、泥石流，而且生態(tài)災(zāi)害不可消除，環(huán)境破壞不可恢復(fù)，影響沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[2]。

隨著我國(guó)對(duì)環(huán)境保護(hù)的重視，天然河沙和采石場(chǎng)的開采越來越受到限制，導(dǎo)致沙石類建筑骨料價(jià)格不斷上漲，使隧道洞渣的再利用研究得到重視。隧道洞渣可加工成機(jī)制砂石，主要用于橋梁、支護(hù)和隧道結(jié)構(gòu)施工骨料；還可作為筑路填料，主要用于路基和路面施工材料[3]。

鐵路隧道建設(shè)常穿越崇山峻嶺，自然環(huán)境敏感，洞渣應(yīng)多加利用，以減少棄渣。鐵路線路的有砟軌道結(jié)構(gòu)中道床使用的道砟用量比較大，新線約 2 500～3 000 m3/km/單線，如果能應(yīng)用洞渣加工成道砟，不僅可節(jié)約道砟采購(gòu)的大筆資金，還能降低棄渣場(chǎng)投資，保護(hù)環(huán)境。但是，由于道床在軌道結(jié)構(gòu)中承擔(dān)傳遞荷載、保持線路運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的作用，道床的穩(wěn)定性直接關(guān)系到行車安全。道砟一般采用天然材料，從采石場(chǎng)選材到道砟材質(zhì)基本參數(shù)都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而且明確規(guī)定利用隧道洞渣生產(chǎn)的道砟不能在客運(yùn)專線正線上使用，也就是200 km/h以上線路不能使用洞渣道砟，為鐵路線路大量應(yīng)用隧道洞渣帶來困難。

近年來研發(fā)的新型彈性固化道床技術(shù)為鐵路軌道結(jié)構(gòu)采用隧道洞渣生產(chǎn)的道砟提供了可能。以聚氨酯固化道床為例，其是在密實(shí)道砟單元塊中澆注聚氨酯固化材料，固化材料發(fā)泡后填充砟間空隙，并黏結(jié)道砟，形成彈性道床塊。裝配成的道床結(jié)構(gòu)累積變形小，能長(zhǎng)期保持彈性，道床內(nèi)部由僅道砟承力并產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，變成道砟和固化材料共同受力，產(chǎn)生可恢復(fù)變形[4]。我國(guó)聚氨酯固化道床線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間最長(zhǎng)已達(dá)9年，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，至今未發(fā)生與道床有關(guān)的維修作業(yè)。固化道床有現(xiàn)場(chǎng)澆注施工和工廠預(yù)制2種，預(yù)制固化道床質(zhì)量容易控制，成本更合理，維修方便[5]。其主要承力的彈性道床塊在預(yù)制時(shí)可采用優(yōu)質(zhì)的洞渣，現(xiàn)場(chǎng)鋪設(shè)時(shí)道床塊之間及其肩部也可選用低等級(jí)的洞渣進(jìn)行填充，提供必要的道床縱、橫向阻力。在彈性道床結(jié)構(gòu)中采用洞渣，對(duì)于鐵路隧道建設(shè)中的環(huán)境保護(hù)有重要意義。

2 新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)

2.1 預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)見圖1。隨著研究的深入，固化道床結(jié)構(gòu)對(duì)于工程應(yīng)用的適應(yīng)性，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減低成本后會(huì)有多種結(jié)構(gòu)和斷面形式。圖2為預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)，圖3為工廠預(yù)制好的固化道床單元塊。

圖1 預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖2 預(yù)制聚氨酯固化床軌道結(jié)構(gòu)圖3 預(yù)制固化道床單元塊

2.2 預(yù)制固化道床軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為評(píng)估新型預(yù)制固化道床軌道結(jié)構(gòu)性能和安全性，在國(guó)家環(huán)形鐵道試驗(yàn)中心的小環(huán)復(fù)線鋪設(shè)了試驗(yàn)段，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試。

1)道床阻力

預(yù)制聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN/枕，縱向阻力的平均值為16.2 kN/枕，滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中道床橫向阻力不小于12 kN/枕，且道床縱向阻力不小于14 kN/枕的要求。說明預(yù)制聚氨酯固化道床具有足夠穩(wěn)定性，能夠保證無縫線路的安全。

2)軌道安全性

軌道安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力。當(dāng)列車運(yùn)行速度在60～110 km/h范圍內(nèi)變化時(shí)，預(yù)制聚氨酯固化道床的脫軌系數(shù)峰值為0.22，滿足小于0.8的線路行車安全性要求；輪重減載率峰值為0.16，滿足小于0.8的線路行車安全性要求；輪軸橫向力峰值為9.3 kN，滿足56.67 kN的線路行車安全性要求。說明預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

3)減振特性

列車運(yùn)行速度在50～100 km/h范圍內(nèi)變化時(shí)，預(yù)制聚氨酯固化道床在50，65，75，100 km/h 4種運(yùn)營(yíng)速度下，線路外側(cè)路基加速度峰值的均值為0.019 m/s2。與無砟軌道結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的減振性能較好。說明預(yù)制聚氨酯固化道床在保證穩(wěn)定安全的情況下具有減振的功能。

3 預(yù)制聚氨酯固化道床采用洞渣道砟的可行性研究

研究預(yù)制聚氨酯固化道床采用洞渣道砟的可行性，必須研究固化道床中道砟的受力特性和力學(xué)行為。

3.1 枕下道床內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律

TB 10621—2014對(duì)高速鐵路有砟軌道斷面作出了如下規(guī)定：正線有砟軌道采用2.6 m長(zhǎng)混凝土軌枕，路基地段單線道床頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，道床邊坡1∶1.75，砟肩堆高0.15 m。其斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中高速鐵路有砟軌道斷面結(jié)構(gòu)(單位：mm)

工程實(shí)際中軌枕下道床的應(yīng)力并非均勻分布，參考既有文獻(xiàn)[7]采用離散元-有限元耦合算法建立數(shù)值模型(見圖5)，所得到的軌枕下方散體道床內(nèi)部的接觸力分布如圖6所示。

圖5 道床離散元-有限元耦合數(shù)值模型

圖6 軌枕下方散體道床內(nèi)部接觸力分布

由圖6可以看出，列車荷載由承軌槽傳遞至路基表層時(shí)，其傳力路徑在軌枕下方的散體道床內(nèi)主要呈“雙梯臺(tái)形分布”。

不同列車荷載作用下散體道床表層橫向動(dòng)應(yīng)力分布見圖7。

圖7 散體道床表層橫向動(dòng)應(yīng)力分布

由圖7可以看出：不論何種線路條件，道床動(dòng)應(yīng)力沿道床橫斷面大致呈W形分布，并在承軌槽即列車荷載作用點(diǎn)處達(dá)到最大值。動(dòng)應(yīng)力幅值會(huì)隨著受力點(diǎn)與承軌槽距離的增大而出現(xiàn)明顯的衰減。距承軌槽外側(cè)0.8 m以外時(shí)，道床內(nèi)部應(yīng)力基本衰減至20 kPa以下。道床內(nèi)主要承力區(qū)域均在預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的固化范圍之內(nèi)，因此從結(jié)構(gòu)受力角度來說，采用洞渣制備固化道床可行。

3.2 聚氨酯材料與洞渣相互作用機(jī)理

為研究洞渣材質(zhì)對(duì)散體道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立離散元數(shù)值模型，并通過改變道砟顆粒接觸剛度的方式對(duì)不同材質(zhì)的道砟進(jìn)行模擬。由于山體巖石的耐磨硬度系數(shù)一般在17.1～19.2，對(duì)應(yīng)道砟顆粒法向接觸剛度為8.90×108～1.23×109N/m。參考文獻(xiàn)[8]分別建立不同剛度聚氨酯固化道床離散元數(shù)值模型，見圖8。

圖8 道砟離散元數(shù)值模型

對(duì)不同剛度的散體道床及聚氨酯固化道床分別施加500次幅值為16 kN，頻率為4 Hz的動(dòng)荷載，所得到的累積變形規(guī)律見圖9。

圖9 不同材質(zhì)道砟對(duì)道床累積變形的影響規(guī)律

由圖 9可以看出，聚氨酯固化道床由于在道砟顆粒之間附著了彈性材料，在循環(huán)荷載作用下其累積變形量遠(yuǎn)小于普通碎石道床，在相同荷載作用下其平均累積變形量?jī)H為普通碎石道床平均累積變形量的24%，且聚氨酯固化道床還存在明顯的卸載后緩慢回彈現(xiàn)象。就骨料硬度而言，當(dāng)?shù)理念w粒法向接觸剛度由1.23×109N/m減小至8.9×108N/m時(shí)，由于聚氨酯材料的黏結(jié)作用，對(duì)累積變形的影響在0.1 mm以內(nèi)，不足總累積變形量的6%，幾乎可以忽略；但相同情況下散體道床對(duì)累積沉降量的影響則為0.47 mm，影響較為顯著。因此可以認(rèn)為采用與道砟材質(zhì)等級(jí)相當(dāng)或略低于道砟的洞渣制備聚氨酯固化道床技術(shù)上可行。

4 聚氨酯固化道床采用洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)分析

道砟的材質(zhì)必須是天然石材，碎石道砟應(yīng)選用開山塊石破碎、篩選加工生產(chǎn)，且顆粒表面全部為破碎面。采用洞渣加工道砟，雖然屬于天然石材，但是開采的巖石材質(zhì)變化較大，開采出的洞渣伴有大量泥沙，因此應(yīng)研究洞渣道砟的選擇標(biāo)準(zhǔn)，使用合格的道砟，保證預(yù)制聚氨酯固化道床的質(zhì)量和耐久性。

4.1 固化道床用洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)

4.1.1 洞渣道砟材質(zhì)性能標(biāo)準(zhǔn)的分析

道砟必須符合TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》[9]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。開采道砟，應(yīng)按照規(guī)定提交檢驗(yàn)合格文件，取得生產(chǎn)許可證后方可生產(chǎn)。洞渣材質(zhì)隨著掘進(jìn)而變化，不能像采石場(chǎng)那樣進(jìn)行材質(zhì)篩選后再確定開采計(jì)劃。因此，需要加強(qiáng)洞渣材質(zhì)檢測(cè)和材質(zhì)變化的監(jiān)測(cè)，材質(zhì)合格才能進(jìn)行道砟生產(chǎn)。

鐵路道砟材質(zhì)的基本參數(shù)包括物理力學(xué)參數(shù)、堅(jiān)固性、滲透性、導(dǎo)電性和工程性能參數(shù)。TB/T 2140—2008中規(guī)定的道砟材質(zhì)性能見表1。

道砟的硬度能反映道砟抵抗磨損的能力，韌度是反映道砟抵抗破碎的能力，這兩項(xiàng)是道砟材質(zhì)選擇的重要指標(biāo)。TB/T 2140.2—2018 《鐵路碎石道砟 第2部分：試驗(yàn)方法》[10]中采用洛杉磯磨耗率、標(biāo)準(zhǔn)集料沖擊韌度(石料耐磨硬度系數(shù))、標(biāo)準(zhǔn)集料壓碎率和道砟集料壓碎率4項(xiàng)試驗(yàn)來判定道砟的等級(jí)。

在固化道床軌道結(jié)構(gòu)中道床單元體整體受力，道砟顆粒已不再單獨(dú)承受沖擊荷載作用；而且因固化道床道砟顆粒間充滿了聚氨酯泡沫體，避免了道砟棱和角的直接接觸，有砟道床的變形和粉化都不是固化道床的主要病害形式了。因此，洞渣道砟材質(zhì)選擇中硬度和韌度要求可以適當(dāng)降低，采用一級(jí)道砟低限值，或進(jìn)一步進(jìn)行深化研究，根據(jù)固化道床受力傳遞規(guī)律優(yōu)化道砟材質(zhì)性能參數(shù)。

表1 TB/T 2140—2008中規(guī)定的道砟材質(zhì)性能

注：①應(yīng)為“堆密度”。

滲水性能是指道床的滲水和排水性能?？勾髿飧g性能是防止道砟在雨水沖刷下崩解或溶解。道床固化后單元塊內(nèi)部不考慮排水功能，而且固化道床中道砟基本不裸露在大氣中，基本不用考慮滲透性和抗大氣腐蝕性能[11]。

道砟材質(zhì)的穩(wěn)定性能通過道砟顆粒的密度和重度控制，可以作為材質(zhì)選擇的參考。固化道床采用的洞渣道砟穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可以參考TB/T 2140.2—2018中相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)洞渣道砟的特點(diǎn)，應(yīng)該增加巖石的成分分析，配合材質(zhì)檢驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)材質(zhì)的變化。

4.1.2 洞渣道砟加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

道砟加工指標(biāo)有道砟粒徑級(jí)配、顆粒形狀和清潔度。

我國(guó)鐵路根據(jù)使用要求，將道砟粒徑級(jí)配分為特級(jí)、新線一級(jí)等分級(jí)使用，主要是為了保證線路道床密實(shí)，且保持彈性狀態(tài)時(shí)間長(zhǎng)。聚氨酯固化道床考慮工廠化預(yù)制。在保證道砟承載要求的同時(shí)，考慮到預(yù)制生產(chǎn)中道床單元體密實(shí)度、剛度和斷面尺寸容易控制，參考TB/T 2140—2008中相關(guān)規(guī)定制定合理的粒徑級(jí)配分級(jí)，而且應(yīng)結(jié)合開采隧道的圍巖情況進(jìn)行洞渣道砟生產(chǎn)設(shè)計(jì)。

道砟清潔度對(duì)于預(yù)制聚氨酯固化道床尤為重要，固化道床中聚氨酯液體的滲透能力受道砟清潔度的影響比較大，并影響固化范圍和成型，最終影響固化道床質(zhì)量，因此對(duì)于道砟清潔度應(yīng)進(jìn)行深入研究，提出合理的清潔度指標(biāo)。

4.2 固化道床單元塊間及砟肩填砟標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)中固化道床單元塊間及砟肩用道砟填滿，起排水和限位作用，基本不承受荷載，因此填砟的選用參考TB/T 2140—2008中滲水性能標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于道砟材質(zhì)和級(jí)配應(yīng)進(jìn)行深入研究。

單元塊間及砟肩填砟用量大，道砟生產(chǎn)除了級(jí)配有要求外，其他性能要求不高，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用棄渣。隨著隧道掘進(jìn)，開采巖石的巖性會(huì)變化，因此洞渣道砟質(zhì)量不易控制。研究洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)及便捷可行的檢驗(yàn)方法，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量變化，保證洞渣道砟質(zhì)量，確保預(yù)制聚氨酯固化道床的耐久性。

5 結(jié)語

1)新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)，由于改變了傳統(tǒng)道床中道砟的受力方式，能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件隧道和運(yùn)營(yíng)環(huán)境敏感的線路，維修工作量少，易于維修。采用洞渣生產(chǎn)的道砟能夠保證軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。應(yīng)深入研究固化道床用洞渣道砟的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、清潔度和級(jí)配要求。同時(shí)，由于固化道床本身穩(wěn)定性較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)中單元塊間填砟的主要功能是排水，不承受豎向荷載，材質(zhì)可降低要求，進(jìn)一步降低洞渣道砟生產(chǎn)的成本，增加洞渣用量。

2)洞渣材質(zhì)是隨著隧道掘進(jìn)而變化的，因此，要提高隧道前期勘探的精度，對(duì)洞渣巖性和儲(chǔ)量進(jìn)行預(yù)估，結(jié)合出渣和棄渣工藝，進(jìn)行洞渣道砟篩選和生產(chǎn)。預(yù)制聚氨酯固化道床單元塊的制造車間和洞渣道砟生產(chǎn)場(chǎng)選擇合適的位置，減少棄渣運(yùn)距，節(jié)省運(yùn)費(fèi)。

3)預(yù)制聚氨酯固化道床采用的洞渣道砟分為兩部分，一部分用于固化道床，用量大概是600～700 m3/km/單線;一部分用于固化道床單元塊間的填筑，用量大概是 2 000～2300 m3/km/單線。洞渣道砟的應(yīng)用涉及的內(nèi)容比較多，包括隧道巖性、開采工藝、出渣運(yùn)輸、棄渣場(chǎng)選址、道砟加工廠選址等多項(xiàng)因素，而且時(shí)間貫穿設(shè)計(jì)、隧道施工和鋪軌施工。如果要計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益需要綜合考慮，包括隧道長(zhǎng)度、圍巖巖性、自然環(huán)境、道砟價(jià)格和運(yùn)距等，最好根據(jù)具體隧道進(jìn)行方案比選。

4)川藏鐵路建設(shè)是目前我國(guó)開展的又一項(xiàng)重大工程，川藏鐵路隧道占比80%以上，建議結(jié)合新型聚氨酯固化道床技術(shù)對(duì)洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究，洞渣道砟如能結(jié)合新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)在川藏鐵路中應(yīng)用，對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，減少環(huán)境敏感地區(qū)的生態(tài)破壞、環(huán)境污染和災(zāi)害，以及建設(shè)綠色鐵路具有重大的實(shí)踐意義。