有砟道床表層膠結(jié)封閉技術(shù)

靳昊 羅慧剛 董延?xùn)| 易忠來 李化建

（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.高速鐵路軌道技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；3.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100）

重載運煤專線有砟道床煤粉侵入問題較為突出，特別是隧道進(jìn)出口處，當(dāng)列車經(jīng)過隧道時會形成強大風(fēng)力，大量煤粉被吹落至線路上，在列車引起的軌道振動下滲入道床內(nèi)部。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道外側(cè)50 m至隧道內(nèi)側(cè)1 000 m范圍內(nèi)煤粉侵入道床問題最為嚴(yán)重，且隧道全長范圍內(nèi)有砟道床均受煤粉侵入影響，隧道地段道床板結(jié)速率大于一般地段，大幅增加了運煤線路隧道內(nèi)有砟道床的維修工作量。運營維護(hù)部門需定期（1次/年）對隧道內(nèi)有砟道床進(jìn)行清篩工作，大機清篩的成本高（約1 700元/延米），隧道內(nèi)環(huán)境惡劣，人工作業(yè)的勞動強度大，對身體健康危害大。

朔黃鐵路曾嘗試采用橡膠預(yù)制板覆蓋封閉道床，阻止煤粉侵入，但是橡膠預(yù)制板鋪設(shè)較為困難，拼接和固定難度大，需現(xiàn)場裁剪拼裝，施工效率低，而且橡膠預(yù)制板長期服役時易出現(xiàn)局部破裂、固定失效、拼接處離縫等問題，導(dǎo)致封閉失效，甚至存在整體“揭起”的風(fēng)險。同時，封閉后的道床排水功能受限，大量雨水無法迅速排出。養(yǎng)護(hù)維修時需將橡膠預(yù)制板拆除后進(jìn)行，道床搗固維修不便捷，易破壞封閉的整體性。

近年來道床固化技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)有研究多以提高有砟道床穩(wěn)定性、剛度、橫縱向阻力等性能為主。道床固化形式也以對軌枕下部道床及整體道床黏結(jié)為主［1-3］。目前，鮮有防止雜質(zhì)侵入道床內(nèi)部的道床表層膠結(jié)封閉技術(shù)的相關(guān)研究報道。因此，本文對此進(jìn)行研究。

1 有砟道床表層膠結(jié)封閉結(jié)構(gòu)

為防止煤粉等細(xì)顆粒物侵入，須對有砟道床表層進(jìn)行封閉處理。由于道砟間空隙較大，噴涂至道砟上的黏結(jié)材料僅占道砟空隙的22%～30%，難于對煤粉等細(xì)小顆粒進(jìn)行有效阻擋，故須對表層道砟進(jìn)行級配優(yōu)化。在有砟道床表面鋪設(shè)小顆粒石子，減小道砟間的孔隙尺寸，提高膠結(jié)材料封堵率，減少煤粉侵入道床的數(shù)量和速度。同時，小顆粒石子通過膠結(jié)材料牢固黏結(jié)在有砟道床表層，可防止其進(jìn)入道床內(nèi)部，對道床性能造成影響。有砟道床表層膠結(jié)封閉結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 有砟道床表面膠結(jié)封閉結(jié)構(gòu)

2 試驗

2.1 小顆粒石子匹配性試驗

為有效減少道砟間空隙尺寸，選用粒徑5～10 mm和10～20 mm小顆粒石子，采用不同方式鋪設(shè)測試道床封閉效果。膠結(jié)材料用量1 kg/m2，小顆粒石子用量5 kg/m2。試驗結(jié)果見表1。

表1 小顆粒石子匹配性試驗結(jié)果

由表1可見：鋪設(shè)粒徑5～10 mm小顆粒石子的道床封閉效果最佳，在不影響正常排水的情況下可實現(xiàn)道床封閉功能的長效性。

2.2 膠結(jié)深度試驗

合理控制道床表層膠結(jié)深度是確保膠結(jié)封閉有效性的關(guān)鍵。通過分析膠結(jié)深度與防煤粉侵入效果的相關(guān)性，確定最佳的膠結(jié)深度。有砟道床表層鋪設(shè)粒徑5～10 mm小顆粒石子，小顆粒石子用量5 kg/m2。試驗結(jié)果見表2。

表2 膠結(jié)深度試驗結(jié)果

由表2可見：鋪設(shè)粒徑5～10 mm小顆粒石子后，道床膠結(jié)深度不低于4.5 cm時，道床封閉功能的長效性良好，18個月時道床內(nèi)部也未見煤粉侵入跡象。從容余度與經(jīng)濟性綜合考量，道床表層膠結(jié)封閉深度宜為5～8 cm。

3 膠結(jié)材料性能要求

有砟道床膠結(jié)材料主要包括瀝青、環(huán)氧樹脂、醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯等。瀝青固化道床的排水能力差，可維修性低，材料的耐老化性能嚴(yán)重不足，服役壽命較短。環(huán)氧樹脂材料和醋酸乙烯酯乳液主要用于有砟道床表面膠結(jié)，防止道砟飛濺。日本東海道新干線和我國秦沈客運專線分別采用環(huán)氧樹脂和醋酸乙烯酯乳液進(jìn)行了有砟道床防飛濺試驗［4-5］。結(jié)果顯示：2種材料的耐老化性能較差，長期暴露在戶外易失效，故實際應(yīng)用較少。

聚氨酯具有橡膠的彈性、韌性及塑料的高強度，是合成材料工業(yè)中比橡膠和塑料性能更為獨特的一種新型材料，已被廣泛應(yīng)用于道床固化［6-9］。聚氨酯膠結(jié)材料包括發(fā)泡聚氨酯和聚氨酯道砟膠［10］。其中發(fā)泡聚氨酯的性能與道床表面膠結(jié)封閉需求存在較大差異。而現(xiàn)有的聚氨酯道砟膠可維修性差，維修時只能采用溶劑將材料逐層溶脹后，再進(jìn)行搗固，維修效率低、成本高，且溶劑對環(huán)境和人員身體也存在較大危害。此外，聚氨酯道砟膠早期力學(xué)強度和黏結(jié)強度不足，無法滿足天窗期養(yǎng)護(hù)維修要求。同時，其對道砟清潔度和濕度要求較高，環(huán)境適用性差。

基于此，應(yīng)在聚氨酯道砟膠基礎(chǔ)上，從可工作時間與早期強度的匹配性、強度與柔順性的匹配性、耐老化性能等方面，結(jié)合TJ/GW 116—2013《聚氨酯道砟膠暫行技術(shù)條件》［11］，對聚氨酯膠結(jié)材料提出技術(shù)要求，見表3和表4。

表3 工作性能要求

表4 物理性能要求

4 施工工藝

道床表層封閉施工應(yīng)在煤粉侵入前或大機清篩后，且道床幾何狀態(tài)穩(wěn)定后進(jìn)行。道床表層膠結(jié)封閉工藝為：有砟道床表層清理→軌枕與鋼軌防護(hù)→聚氨酯膠結(jié)材料噴涂→現(xiàn)場清理。

1）有砟道床表層清理

如有砟道床較清潔，可采用鼓風(fēng)機將有砟道床表面雜質(zhì)吹掃干凈；如道砟較臟污，則采用清潔道砟對表層道砟進(jìn)行替換，并搗固密實。

2）軌枕與鋼軌防護(hù)

采用塑料膜包住鋼軌，并用塑料繩將其捆綁牢固，然后采用特制鋼模將軌枕罩住，防止聚氨酯膠結(jié)材料污染軌枕和鋼軌，見圖2。

圖2 軌枕和鋼軌防護(hù)

3）聚氨酯膠結(jié)材料噴涂

采用覆蓋面積大、均勻性好、厚度易控制的“傘”狀噴涂方式。噴涂分2次進(jìn)行，每次膠結(jié)材料用量約0.5～1.5 kg/m2，見圖3。

圖3 聚氨酯膠結(jié)材料噴涂

4）現(xiàn)場清理

拆除防護(hù)，將材料、設(shè)備、雜物等搬離，清掃現(xiàn)場。

5 應(yīng)用效果

道床表層膠結(jié)封閉技術(shù)在朔黃鐵路石河口隧道出口處長40 m（雙線）試驗段進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用。施工2年后，膠結(jié)封閉區(qū)段有砟道床內(nèi)部仍較潔凈，未有明顯的煤粉侵入跡象，有砟道床未出現(xiàn)板結(jié)病害，見圖4。

圖4 施工2年后膠結(jié)封閉區(qū)段有砟道床內(nèi)部情況

6 結(jié)論

1）有砟道床表層膠結(jié)封閉效果好，防煤粉侵入有效。小顆粒石子粒徑宜5～10 mm，膠結(jié)深度宜5～8 cm。

2）聚氨酯膠結(jié)材料黏度低、固化快、早期強度高、斷裂伸長率適中，滿足膠結(jié)封閉道床天窗期施工和后期養(yǎng)護(hù)維修的要求。

3）道床膠結(jié)封閉工藝操作簡便，適用于運營線規(guī)?；┕?，也可用于膠結(jié)封閉道床養(yǎng)護(hù)維修后的二次封閉。

4）膠結(jié)封閉道床防煤粉侵入長效性好，可將清篩周期大幅延長。若定期配合吸塵車等養(yǎng)護(hù)，可實現(xiàn)免清篩，經(jīng)濟效益顯著。