預(yù)制裝配式聚氨酯道床結(jié)構(gòu)研究

徐 旸，楊國濤，王 紅，郄錄朝

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.中國國家鐵路集團有限公司 科技和信息化部 北京 100038)

聚氨酯固化道床是在已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的碎石道床內(nèi)澆注聚氨酯材料，在道砟間完成發(fā)泡、膨脹和凝固，使聚氨酯材料擠滿道砟間的空隙，同時牢固粘結(jié)道砟顆粒，形成的彈性固結(jié)整體道床結(jié)構(gòu)。我國自2010年起開始了對其的全面研究，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、材料制備、施工裝備及工藝、養(yǎng)護維修等成套技術(shù)，并制定了《聚氨酯泡沫固化道床暫行技術(shù)條件》。聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)先后在我國京廣線、滬蓉線、龍漳線、瓦日線、大西客專累計鋪設(shè)了5200 m試驗段，線路條件涵蓋了客貨混運、重載、時速250和350 km高速鐵路[1]。

前期試驗表明，聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，道床彈性可得到持續(xù)保證，道床累計變形小，養(yǎng)護維修工作量少，能夠滿足重載和高速鐵路安全運營的要求[2]。2016年在滬昆客專北盤江特大橋?qū)嵤┩瓿闪说?個聚氨酯固化道床工程化項目。聚氨酯道床是介于有砟軌道和無砟軌道的一種新型軌道結(jié)構(gòu)型式，兼?zhèn)淞擞许能壍篮蜔o砟軌道的優(yōu)點，在我國鐵路建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

雖然現(xiàn)階段我國已在聚氨酯固化道床技術(shù)應(yīng)用方面積累了一定的經(jīng)驗，但聚氨酯固化道床依然存在著造價偏高，澆筑條件及工藝要求較為嚴格等問題，制約了聚氨酯固化道床的進一步推廣及應(yīng)用。其局限性具體表現(xiàn)在以下3個方面：(1)聚氨酯固化時對于道砟清潔度、含水率等狀態(tài)指標(biāo)要求較高。因此，現(xiàn)場澆注型聚氨酯固化道床不僅對道砟的裝卸、儲存、運輸、搗固等各環(huán)節(jié)都有嚴格要求，同時要求澆注前使用專用設(shè)備進行道砟烘干作業(yè)，造成了大量的額外施工成本，導(dǎo)致了聚氨酯固化道床整體造價偏高的現(xiàn)狀。(2)聚氨酯固化對于道砟及結(jié)構(gòu)斷面的要求沿用了原有的高速鐵路有砟軌道的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。而聚氨酯固化劑發(fā)泡成型后，會顯著地增強原有散體道床的力學(xué)性能，仍沿用原有的高速有砟軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，勢必造成結(jié)構(gòu)設(shè)計偏于保守、安全冗余量過多，也是導(dǎo)致聚氨酯固化道床成本較高的主要原因。(3)采用現(xiàn)場澆筑方式施工成型后的聚氨酯固化道床在面對基礎(chǔ)沉降等問題時具有較好的可維修性，但對于基礎(chǔ)上拱等問題依然存在著維修相對困難的問題。

鑒于上述原因，如將聚氨聚氨酯固化道床進行工廠化預(yù)制，并在現(xiàn)場采用裝配式施工，則可以起到降低綜合成本(相比于現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床降低成本30%以上)、提高施工質(zhì)量、增強結(jié)構(gòu)的可維修性(實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的單元裝配式維修)等目的。不僅可為不良下部基礎(chǔ)條件下軌道結(jié)構(gòu)的選型提供解決方案，同時也可為我國鐵路軌道結(jié)構(gòu)技術(shù)多元化發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐，因而具有較高的工程價值及廣闊的應(yīng)用前景?；诖?，本文針對預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)研究。

1 預(yù)制裝配式聚氨酯道床軌道結(jié)構(gòu)

列車荷載主要經(jīng)由軌枕傳遞道床中，就散體道床與軌枕的接觸狀態(tài)而言，軌下斷面內(nèi)的道床搗固密度要高于枕中和枕端的道床，為保證枕下道床具有足夠的承載力以及荷載傳遞的均勻性，荷載作用區(qū)邊界距鋼軌軌底外側(cè)距離按照不小于350 mm進行設(shè)置，我國75和60 kg·m-1鋼軌軌底寬度均為150 mm，考慮軌底兩側(cè)縱梁結(jié)構(gòu)的對稱性，固化道床頂面最小寬度理論不小于850 mm。為便于制備，設(shè)計單側(cè)承軌槽枕下聚氨酯固化道床單元沿線路橫斷面寬度為1 m；規(guī)范中[3]規(guī)定軌枕單元每千米按1 667根鋪設(shè)，理論軌枕間距約為0.6 m，為便于裝配式施工及后期實現(xiàn)單元化養(yǎng)護維修，設(shè)計承軌槽枕下聚氨酯固化道床單元沿線路縱斷面寬度為500 mm。采用2.6 m長Ⅲc型有擋肩混凝土軌枕，并通過工廠內(nèi)預(yù)制工藝對軌枕及下部道床單元進行一體化制備，通過模注法實現(xiàn)聚氨酯材料的澆注。所采用的聚氨酯原材料包括異氰酸酯、聚醚多元醇組合料、催化劑，按《聚氨酯固化道床暫行技術(shù)條件》[4]的規(guī)定選取。制備成型的預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌枕復(fù)合單元如圖1所示。

圖1 預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌枕復(fù)合單元

預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)試驗段扣件采用彈條Ⅴ型扣件，枕下預(yù)制塊厚度300 mm。道床頂面寬度3.4 m，道床頂面應(yīng)與軌枕中部頂面平齊。砟肩頂面與軌枕端頭頂部平齊、不設(shè)砟肩堆高，道床邊坡坡度為1∶1.75。預(yù)制塊底部采用級配碎石調(diào)整層對軌道結(jié)構(gòu)高度進行調(diào)整，級配碎石調(diào)整層設(shè)計厚度為50 mm，材質(zhì)應(yīng)符合《鐵路碎石道砟》[5]中一級道砟的規(guī)定，粒徑級配見表1。

表1 級配碎石調(diào)整層級配

枕間空隙采用碎石道砟進行填充，填充材料應(yīng)符合《鐵路碎石道砟》中一級道砟的規(guī)定。預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)試驗線斷面如圖2所示，軌道結(jié)構(gòu)俯視圖如圖3所示。

圖2 預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)斷面(單位： mm)

圖3 預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)俯視圖

2 預(yù)制裝配式聚氨酯道床的施工

預(yù)制裝配式聚氨酯道床的整體施工流程如圖4所示。其主要施工步驟包括：

(1)排水墊層鋪設(shè)。為防止固化后道床內(nèi)部積水，在下部路基基礎(chǔ)施工完成后，需要在路基表層鋪設(shè)三維復(fù)合排水網(wǎng)，排水墊層按照行《聚氨酯固化道床暫行技術(shù)條件》中的要求執(zhí)行。

(2)級配碎石調(diào)整層鋪設(shè)。在排水墊層上方需要鋪設(shè)級配碎石調(diào)整層，以實現(xiàn)預(yù)制道床及軌枕單元的施工時調(diào)整，并作為后期軌道幾何超出扣件調(diào)整范圍時的軌道調(diào)整結(jié)構(gòu)。

(3)聚氨酯固化道床軌枕復(fù)合單元進場。待下部碎石調(diào)整層碾壓密實后開展預(yù)制塊的鋪設(shè)工作，預(yù)制塊進場后可進行堆放，但堆砌高度不得超過3層，且層間應(yīng)設(shè)置木墊片等柔性墊板。

(4)聚氨酯固化道床軌枕復(fù)合單元粗調(diào)。采用鏟車等小型機具實現(xiàn)預(yù)制單元由存放場地至線路的移動，并按照0.6 m的間距將預(yù)制塊散鋪于碎石調(diào)整層上方，通過小型吊裝機具將預(yù)制聚氨酯軌枕單元起吊，調(diào)整預(yù)制塊幾何位置，完成預(yù)制塊的粗調(diào)。

(5)聚氨酯固化道床軌枕復(fù)合單元精調(diào)。預(yù)制塊粗調(diào)后安裝扣件及鋼軌并進行軌道精調(diào)，軌道精調(diào)工作主要通過扣件完成，扣件采用彈條V型，精調(diào)時需要預(yù)留一定的扣件后期調(diào)整量。

(6)碎石道砟填充層填筑。在聚氨酯單元的間隙之間填充級配碎石，并采用小型碾壓及振搗設(shè)備使結(jié)構(gòu)密實，以確保道床的縱向阻力。

(7)穩(wěn)定壓道。采用重車進行壓道，以消除聚氨酯道床單元與下部碎石墊層的初期殘余變形，并在重車碾壓后測量軌道的幾何狀態(tài)，視軌道檢測結(jié)果確定軌道是否需要二次精調(diào)。

(8)補充道砟并對過渡段進行固化。視線路情況進行道砟補充，如涉及整體道床的過渡，則采用固化材料對道床預(yù)制塊之間填筑的道砟進行固化，以實現(xiàn)不同軌道結(jié)構(gòu)之間的剛度過渡。

圖4 施工工藝流程圖

根據(jù)所提出施工方案，依托國家鐵道試驗中心環(huán)形試驗線，鋪設(shè)了世界首條預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床試驗線，其施工過程如圖5所示。

圖5 預(yù)制裝配式聚氨酯道床施工工藝

3 預(yù)制裝配式聚氨酯道床靜態(tài)穩(wěn)定性

試驗線施工完成后，對線路的縱、橫向阻力進行測試，以此評估線路的靜態(tài)穩(wěn)定性。測試方法按照《鐵路碎石道床狀態(tài)參數(shù)測試方法》[6]進行。

在進行預(yù)制裝配式聚氨酯道床的縱、橫向阻力現(xiàn)場測試時，通過油壓設(shè)備進行緩慢加載，同步采集測試軌枕位移及荷載，采集間隔不宜超過0.5 mm，且在位移2 mm附近適當(dāng)加密采集。讀取位移2 mm相對應(yīng)的荷載即為該測試枕的阻力，現(xiàn)場測試裝置如圖6所示。

在進行道床的縱、橫向阻力測試時，為避免相鄰軌枕的影響，每根測試枕間隔3根軌枕，共對6組軌枕進行測試，結(jié)果見表2。

表2 預(yù)制式聚氨酯固化道床阻力測試結(jié)果

由表2可以看出：預(yù)制式聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN·枕-1，縱向阻力的平均值為16.2 kN·枕-1，滿足《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中道床橫向阻力不小于12 kN·枕-1，且道床縱向阻力不小于14 kN·枕-1的要求，說明預(yù)制型聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有足夠道床穩(wěn)定性。此外，現(xiàn)場所測得的道床阻力是在未采用動力穩(wěn)定作業(yè)條件下所測得的，其結(jié)果偏低，相鄰區(qū)段同樣也未采用大型養(yǎng)路機械進行道床穩(wěn)定作業(yè)的普通有砟軌道結(jié)構(gòu)區(qū)段，道床縱、橫向阻力測試結(jié)果不足預(yù)制型聚氨酯固化道床測試結(jié)果的50%，也說明預(yù)制式聚氨酯固化道床具有較強的軌道結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定性。

4 預(yù)制裝配式聚氨酯道床動力特性

4.1 行車安全性指標(biāo)

為評估聚氨酯固化道床的行車動力特性及安全性，參照《輪軌水平力、垂直力地面測試方法》[7]對預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場測試。垂直力和水平力應(yīng)變片分別貼在鋼軌中和軸、軌底上表面，與鋼軌縱向成±45°角。采用反力標(biāo)定架對鋼軌的垂直力及水平力進行現(xiàn)場標(biāo)定。并根據(jù)鋼軌垂直力和水平力測試數(shù)據(jù)計算動車組內(nèi)外輪脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪對橫向力等列車運行安全性參數(shù)。

為便于對比，采用同樣的測試方法對現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床、無砟軌道結(jié)構(gòu)進行測點布設(shè)，3種不同軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌垂向位移測點布置如圖7所示。

圖7 輪軌力及測試中的鋼軌動位移

列車通過預(yù)制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)時，不同速度級條件下列車的脫軌系數(shù)，輪軸橫向力及輪重減載率最大值實測結(jié)果分別如圖8、圖9和圖10所示。

圖8 脫軌系數(shù)最大值

由圖8可以看出：當(dāng)列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預(yù)制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的脫軌系數(shù)峰值分別為0.22，0.20和0.17，均滿足《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》[8]中0.8的限值要求。

圖9 輪重減載率最大值

由圖9可以看出：當(dāng)列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預(yù)制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的輪重減載率峰值分別為0.16，0.25，0.14，均滿足規(guī)范中的限值要求。

圖10 輪軸橫向力最大值

由圖10可以看出：當(dāng)列車運行速度在60～110 km·h-1范圍內(nèi)變化時，預(yù)制裝配式聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)的輪軸橫向力峰值分別為9.3，8.2和10.8 kN，均滿足規(guī)范[8]要求。

4.2 軌道結(jié)構(gòu)彈性性能

軌道結(jié)構(gòu)的整體剛度主要由扣件墊板及道床剛度2部分組成，為分析不同軌道結(jié)構(gòu)的彈性力學(xué)特性，對列車以100 km·h-1的速度通過時，3種軌道結(jié)構(gòu)扣件墊板的動位移及軌道結(jié)構(gòu)的整體垂向位移進行分析，結(jié)果見表3。

表3 不同軌道結(jié)構(gòu)動位移

由表3可知：3種軌道結(jié)構(gòu)中預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床由于采用了單元化結(jié)構(gòu)，其動位移接近1 mm，是3種軌道結(jié)構(gòu)中彈性最強的。現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床具有一定的整體性，其動位移介于無砟軌道與預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床之間，無砟軌道結(jié)構(gòu)彈性較低，且無砟軌道所采用的扣件墊板剛度為30 kN·mm-1，而聚氨酯固化道床所采用的扣件墊板剛度為85 kN·mm-1。列車經(jīng)過時，軌下道床動位移主要由扣件位移及道床位移兩部分組成，表3給出了扣件位移與道床位移所占的比例。由扣件位移占比分析可知，無砟軌道結(jié)構(gòu)的動位移主要來自于扣件墊板，而聚氨酯道床的動位移則由扣件與道床共同承擔(dān)。既有研究[9]表明較高的軌道結(jié)構(gòu)動位移可有效減輕車輛及軌道部件的傷損，且指出扣件和道床動位移合理分配比例應(yīng)為1∶1，即當(dāng)兩者均為0.5 mm時較為合理，3種軌道結(jié)構(gòu)中預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床最接近這一比例，說明該結(jié)構(gòu)的剛度匹配最為合理。

5 預(yù)制裝配式聚氨酯道床減振力學(xué)特性

為評估預(yù)制裝配式聚氨酯道床的減振力學(xué)性能，針對預(yù)制聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、板式無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)，在距離線路中心外5 m的路基處布設(shè)加速度傳感器，對列車以100 km·h-1的速度通過時，傳遞至路基處的加速度進行測量。在測試結(jié)果分析時，振動加速度級VAL由下式(1)計算。

(1)

式中：a為加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度，取a0=10-6m·s-2。

采用插入損失L1評價減振效果，其定義為有無隔振裝置情況下的加速度級之差，即

(2)

式中：a2R為沒有隔振裝置時的響應(yīng)；a2為有隔振裝置時的響應(yīng)。

當(dāng)L1>0時，隔振系統(tǒng)起隔振作用；當(dāng)L1≤0時，隔振系統(tǒng)沒有衰減作用。

對式(2)進行變換，引入基準(zhǔn)加速度a0=10-6m·s-2，得

(3)

則L1可分別由沒有隔振裝置時的振動加速度級VAL0和有隔振裝置時的振動加速度級VAL2表示，即

L1=VAL0-VAL2

(4)

對實測數(shù)據(jù)依據(jù)ISO 2631/1—1985進行計權(quán)，則Z計權(quán)振級表示為VZL，其計算式為

VZL=10lg[10(V1+d1)/10+10(V2+d2)/10+…+

10(Vi+di)/10]

(5)

式中：Vi為1/3倍頻程第i個頻帶中心頻率的振級差；di為ISO 2631/1—1985標(biāo)準(zhǔn)中第i個頻帶的計權(quán)因子。

則Z計權(quán)插入損失LZ可表示為

LZ=VZL0-VZL2

(6)

式中：VZL0和VZL2分別為沒有隔振裝置和有隔振裝置時的Z計權(quán)振動加速度級。

列車以100 km·h-1通過無砟軌道區(qū)段、現(xiàn)澆聚氨酯區(qū)段、預(yù)制聚氨酯區(qū)段時路基加速度級頻譜分析結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 3種軌道結(jié)構(gòu)路基加速度不計權(quán)譜

圖12 3種軌道結(jié)構(gòu)路基加速度Z計權(quán)譜

在路基下部基礎(chǔ)條件下，無砟軌道結(jié)構(gòu)、現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預(yù)制式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的Z計權(quán)振動加速度總振級分別為80.6，80.0和58.6 dB。

以無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，則3種聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的Z計權(quán)插入損失如圖13所示。

圖13 列車通過各區(qū)段時的插入損失

以普通無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預(yù)制式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的插入損失分別為0.6和22.0 dB。3種軌道結(jié)構(gòu)中，預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有最好的減振效果，其工作頻率為3.4～200 Hz，分頻最大減振效果為29.6 dB，對應(yīng)中心頻率為50 Hz。

6 結(jié) 論

(1)在未采用大型養(yǎng)路機械動力穩(wěn)定的前提下，預(yù)制式聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN·枕-1，縱向阻力的平均值為16.2 kN·枕-1，滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》中道床阻力要求，說明采用裝配式施工工藝的預(yù)制型聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)具有足夠道床穩(wěn)定性。

(2)預(yù)制裝配式聚氨酯道床、現(xiàn)澆聚氨酯道床、無砟軌道3種軌道結(jié)構(gòu)中，預(yù)制裝配式聚氨酯道床的動位移最接近1 mm，且扣件和道床的動位移比例均勻分配，當(dāng)兩者均約為50%，軌道結(jié)構(gòu)的剛度匹配性最為合理。

(3)就減振性能而言，以普通無砟軌道結(jié)構(gòu)為參照，現(xiàn)澆式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)、預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的插入損失分別為0.6和22.0 dB。預(yù)制聚氨酯固化道床工作頻率為3.4～200 Hz，分頻最大減振效果為29.6 dB，對應(yīng)中心頻率50 Hz。

(4)預(yù)制裝配式聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)無需日常養(yǎng)護維修，具有較好的彈性，試驗段驗證結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及行車安全性均滿足要求，尤其是在下部基礎(chǔ)不良及難以進行日常養(yǎng)護維修的區(qū)段具有廣闊的應(yīng)用前景。