張 勇
(新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司,新疆 烏魯木齊 830011)
隨著我國(guó)高速鐵路發(fā)展,無(wú)砟軌道的應(yīng)用已經(jīng)普及,無(wú)砟軌道維修和養(yǎng)護(hù)問(wèn)題也在實(shí)際工程中逐漸凸顯。在無(wú)砟軌道養(yǎng)護(hù)和維修中問(wèn)題較為突出和較難解決的是路基整體沉降引起的無(wú)砟軌道整體沉降問(wèn)題。近年來(lái)當(dāng)無(wú)砟軌道沉降量超出扣件調(diào)整范圍時(shí),通常采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔至支承層與路基基床表層之間,灌注高強(qiáng)發(fā)泡樹(shù)脂,抬升無(wú)砟軌道的辦法解決。但上述辦法施工工期長(zhǎng),并破壞無(wú)砟軌道的結(jié)構(gòu)及耐久性。由此,提出一種新型軌道板,來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的無(wú)砟軌道板。
我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)砟軌道分為板式和枕式兩種,本文涉及的為板式無(wú)砟道床,國(guó)內(nèi)主要有3種類(lèi)型,分別為CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道、CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道和CRTS Ⅲ型板式無(wú)砟軌道。CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道(日本板),預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層,鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)澆注的具有凸型擋臺(tái)的鋼筋混凝土底座上,并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的單元軌道板無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式;CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道(德國(guó)博格板),預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層,鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場(chǎng)澆注的鋼筋混凝土底座(橋梁)上,并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的連續(xù)軌道板結(jié)構(gòu)無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式如圖1所示。
圖1 CRTSⅡ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)Fig.1 CRTSⅡtype slab ballastless track structure
CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道(國(guó)產(chǎn)化研發(fā)),預(yù)制軌道板通過(guò)水泥瀝青砂漿調(diào)整層,鋪設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)攤鋪的混凝土支承層或現(xiàn)場(chǎng)澆注的鋼筋混凝土底座(橋梁)上,并適應(yīng)ZPW-2000軌道電路的連續(xù)軌道板結(jié)構(gòu),且對(duì)每塊板限位的無(wú)碴軌道結(jié)構(gòu)型式。
圖2 CRTSⅢ型板式無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)Fig.2 CRTSⅢ type slab ballastless track structure
以上3種類(lèi)型的無(wú)砟軌道其基本結(jié)構(gòu);上部為鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土軌道板,下部為鋼筋混凝土底座或干硬性支承層,兩者之間填充CA瀝青砂漿或自密實(shí)混凝土,三層體系坐落于鐵路路基頂面,承擔(dān)鋼軌向下傳遞的列車(chē)荷載。
在鐵路線后期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,由于前期施工預(yù)壓不足,所經(jīng)軟土地段沉降加劇,以及地下水位變化等因素影響,極易引起路基的沉降,從而造成鋼軌軌面不平順,靜、動(dòng)態(tài)指標(biāo)超限,出現(xiàn)三角坑病害,增加列車(chē)運(yùn)行的安全風(fēng)險(xiǎn)。
(1)通過(guò)鋼軌扣件進(jìn)行調(diào)整。但較常用的WJ-8型扣件,鋼軌高低的調(diào)整量為-4 mm~+24 mm,沉降量稍大就難以滿(mǎn)足;
(2)拆除軌道結(jié)構(gòu),對(duì)路基本體進(jìn)行碾壓,消除殘余應(yīng)變。該方法需要封閉線路施工,對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響極大;
(3)在上部軌道板及下部支承層之間,注漿抬升。同樣需要封閉線路,對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響大;同時(shí)需要專(zhuān)用的起吊設(shè)備,對(duì)人員、設(shè)備的要求高,調(diào)整高度有限,沉降量稍大就難以滿(mǎn)足;
(4)對(duì)路基底部的天然地基注漿加固,提升地基承載能力。該方法無(wú)法控制加固程度,且存在擾動(dòng)地基后,加速沉降的風(fēng)險(xiǎn);
(5)近年來(lái),一些無(wú)砟軌道地段,采用在軌道板上機(jī)械鉆孔,同時(shí)鉆通軌道板、填充層、支承層結(jié)構(gòu),利用形成的貫通孔道,向支承層底部與路基土體之間,注漿抬升。該方法不用長(zhǎng)期封閉線路,無(wú)需大型起吊設(shè)備;但在實(shí)施中,必須要利用列車(chē) “天窗”,在軌道板鉆孔作業(yè),每一個(gè)預(yù)計(jì)段落抬升完畢,都需要再次申請(qǐng)“天窗”,進(jìn)行下一個(gè)抬升段落的,軌道板鉆孔施工,反復(fù)循環(huán),直至所有段落完成抬升。
軌道板上鉆孔的工序,隨著抬升范圍的延伸,需要多次申請(qǐng)“天窗”,施工進(jìn)度受列車(chē)運(yùn)營(yíng)的控制,多次“天窗”計(jì)劃對(duì)列車(chē)的運(yùn)輸組織存在很大的影響。同時(shí),鉆孔作業(yè)需要大量人員、空壓設(shè)備配合,在高填方、深路塹以及隧道等作業(yè)空間狹窄的地段,實(shí)施難度大。
目前的無(wú)砟軌道板,均為鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),后期的鉆孔作業(yè),稍有不慎,將對(duì)軌道板內(nèi)鋼筋或預(yù)應(yīng)力鋼筋造成損傷,對(duì)軌道板的強(qiáng)度及剛度形成破壞。同時(shí),鉆孔作業(yè)削弱了原有軌道板的有效截面,孔洞處容易發(fā)生應(yīng)力集中,在列車(chē)動(dòng)力作用下,會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫,影響軌道板的承載能力及耐久性。
為了解決上述問(wèn)題。本文提出一種新型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),該軌道結(jié)構(gòu)在發(fā)生沉降后,可以通過(guò)自帶的注漿通道進(jìn)行注漿抬升,省略了繁瑣的施工工序,避免了對(duì)既有軌道板的破壞,減小了對(duì)列車(chē)運(yùn)輸組織的干擾,同時(shí)提出利用該新型無(wú)砟軌道進(jìn)行抬升的方法,將施工“天窗”的申請(qǐng)次數(shù)大大壓縮,極大地降低對(duì)列車(chē)運(yùn)輸組織的干擾,同時(shí)對(duì)軌道結(jié)構(gòu)中的主要結(jié)構(gòu)軌道板不產(chǎn)生任何破壞。
一種自帶注漿通道的無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),其包括預(yù)制軌道板、板下填充調(diào)整層、底座、注漿管、注漿管保護(hù)柱,如圖3、圖4、圖5所示。本新型軌道板結(jié)構(gòu)預(yù)留注漿通道,向支承層底部與路基基床表層之間注漿抬升無(wú)砟軌道,完成因沉降引起的無(wú)砟軌道修復(fù)工作。
圖3 新型無(wú)砟軌道板整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Whole structure of new ballastless track slab
圖4 預(yù)制軌道板結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of prefabricated track slab
圖5 注漿鋼管設(shè)計(jì)圖Fig.5 Design drawing of grouting steel pipe
(1)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),其底座沿線路方向?yàn)閱卧謮K式結(jié)構(gòu),相鄰軌道板之間設(shè)有橫向縫隙,且無(wú)任何連接;(2)底座,在每對(duì)應(yīng)1塊軌道板長(zhǎng)度范圍內(nèi),底座中線位置處,設(shè)置3至6根注漿鋼管,優(yōu)先選用4根。注漿鋼管垂直于底座平面設(shè)置,其頂面與軌道板頂面平齊,其底面與底座底面平齊,注漿鋼管全長(zhǎng)等于軌道板厚度、調(diào)整層厚度、底座厚度之合。注漿鋼管內(nèi)徑為30~50 mm,優(yōu)選采用35 mm;(3)注漿鋼管宜布置在軌枕間隙內(nèi),間距為1~2 m,優(yōu)先選用1.25 m;(4)注漿鋼管頂面內(nèi)側(cè),設(shè)有螺紋內(nèi)絲,采用帶螺紋絲扣的管帽擰壓遮擋,防止自然環(huán)境及人為因素對(duì)注漿鋼管內(nèi)的污染;(5)注漿管外壁包裹混凝土保護(hù)柱,以獲得較大的截面剛度,防止注漿管在軌道板作用下彎曲變形,影響后期的注漿作業(yè)。保護(hù)柱內(nèi)鋼筋同底座鋼筋綁扎固定,同底座一并澆注混凝土,形成整體。保護(hù)柱截面為圓形,在實(shí)施例中,優(yōu)選直徑采用35 cm?;炷帘Wo(hù)柱可與CRTSⅠ型板式無(wú)砟軌道的凸型擋臺(tái)合設(shè);(6)預(yù)制軌道板平面為矩形,其沿線路方向的兩個(gè)端部無(wú)半圓形構(gòu)造。軌道板沿線路方向長(zhǎng)度,優(yōu)選采用5 m,所述軌道板在對(duì)應(yīng)注漿鋼管位置處,構(gòu)造上形成圓形的貫通孔,其圓心同注漿管圓心重合,其內(nèi)徑大于注漿管保護(hù)柱的直徑,在實(shí)施工程中,優(yōu)選內(nèi)徑采用45 cm。貫通孔與注漿管保護(hù)柱之間的空隙,用于灌注填充層的瀝青砂漿或自密實(shí)混凝土,待填充層高度已達(dá)軌道板底面后,該縫隙以高強(qiáng)度樹(shù)脂材料填充;(7)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),預(yù)制軌道板坐落于底座結(jié)構(gòu)之上,兩者之間為填充調(diào)整層,軌道板之上為軌枕、扣件及鋼軌等線路設(shè)備,底座之下為路基面。
(1)測(cè)量沉降范圍的沉降量,確定分塊抬升段落;(2)沿線路方向,在底座同路基面兩側(cè)的接觸邊線上,進(jìn)行封邊處理,封邊長(zhǎng)度應(yīng)等于抬升長(zhǎng)度,該措施可降低注漿抬升過(guò)程中的跑漿、露漿現(xiàn)象,封邊材料,優(yōu)先選用速凝水泥;(3)在軌道板與底座兩側(cè)接觸邊線,同軌枕軸線的交叉點(diǎn)上,向底座內(nèi),斜向鉆設(shè)側(cè)孔道,側(cè)孔道底面應(yīng)盡量接近鋼軌下方,且側(cè)孔道應(yīng)以剛好鉆通底座底面為準(zhǔn),同時(shí)記錄鉆設(shè)深度。側(cè)孔道鉆孔布置于線路兩側(cè),按線路沉降量由大到小,布置的孔數(shù)由密至疏;(4)在“天窗”計(jì)劃內(nèi),放松鋼軌扣件,去除軌下非原設(shè)計(jì)的調(diào)高墊板,擰開(kāi)軌道板中線處的注漿鋼管管帽,準(zhǔn)備進(jìn)行抬升作業(yè);(5)首先,依據(jù)線路沉降量的大小,按從大到小的順序,依次向線路兩側(cè)孔道內(nèi)注漿。由沉降發(fā)生最大的位置處的注漿鋼管開(kāi)始,向其最臨近的4個(gè)側(cè)孔道內(nèi)進(jìn)行注漿作業(yè)。所選注漿漿液,應(yīng)為雙組分高強(qiáng)發(fā)泡材料,具備低粘度、易流動(dòng)、同土以及混凝土結(jié)合良好、雙組分液體接觸后快速硬化、并產(chǎn)生膨脹力的特點(diǎn);(6)對(duì)側(cè)孔道注入漿液,抬升軌道結(jié)構(gòu)。漿液的易流動(dòng)性,使得其在土體中方便擴(kuò)散,以獲得同底板較大的接觸面,在膨脹力的作用下,容易實(shí)現(xiàn)抬升。同時(shí),4個(gè)側(cè)孔道注漿抬升,使得抬升平面受力均勻,避免底座結(jié)構(gòu)的破壞。第一個(gè)注漿鋼管臨近的4個(gè)側(cè)孔道注漿完畢,應(yīng)轉(zhuǎn)向相鄰注漿鋼管臨近的4個(gè)側(cè)孔道進(jìn)行注漿,沿線路方向,按沉降量由大到小,依次進(jìn)行;(7)無(wú)砟軌道抬升量應(yīng)分次實(shí)現(xiàn),第一遍側(cè)孔道注漿完成后,尚未達(dá)到抬升高度的下沉段落,進(jìn)行第二遍注漿作業(yè)。首先采用鉆孔設(shè)備,將第一遍注漿已硬化的材料鉆通,以前次記錄的鉆設(shè)深度為輔助,加深側(cè)孔道,直至路基土,再進(jìn)行注漿抬升。如此循環(huán)作業(yè),控制每次注漿量,逐漸接近設(shè)計(jì)值,實(shí)現(xiàn)精度控制。如此,按沉降量變化,依次、分次進(jìn)行抬升,能夠避免底座結(jié)構(gòu)發(fā)生較大的變形量,引起破壞;(8)在所述雙組分漿液膨脹力作用下,將底座抬升至預(yù)定高度 ,再向軌道板中部的所述注漿鋼管內(nèi),進(jìn)行注漿作業(yè),所選注漿漿液可為水泥基注漿材料、樹(shù)脂材料或?yàn)r青砂漿等;(9)由于底座抬升后,其底面與路基面間的壓力減小且存在一定的縫隙,所述注漿鋼管的注入漿液,可在注漿壓力及自流性的作用下,順暢均勻地填充到底座下方,同時(shí)該漿液不具備膨脹力,不會(huì)導(dǎo)致抬升過(guò)度的問(wèn)題,只需等待固化后即完成施工作業(yè);(10)抬升完畢,擰緊注漿鋼管管帽,避免污染,如后期沉降加劇出現(xiàn),仍可利用該通道,將固化的水泥及注漿材料鉆通至路基面,再次實(shí)施注漿抬升;(11)側(cè)孔道注入雙組分高強(qiáng)發(fā)泡材料的作用在于材料固化后,膨脹力可達(dá)0.48 MPa,在底座板下方,形成多個(gè)均勻抬升的受力點(diǎn),分次將軌道結(jié)構(gòu)抬升到預(yù)定高度;(12)注漿鋼管注入水泥基注漿材料的作用在于:在已抬升就位的底座下方,形成均勻的填充層,實(shí)現(xiàn)無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的修復(fù)。
(1)避免了在軌道板上機(jī)械鉆孔的作業(yè)環(huán)節(jié),省略了實(shí)施該工序必需的“天窗”計(jì)劃,極大地降低了對(duì)列車(chē)運(yùn)營(yíng)的干擾,壓縮了施工周期;(2)避免了實(shí)施機(jī)械鉆孔后,對(duì)軌道板所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)性及耐久性的破壞;(3)軌道板中部貫通孔與注漿鋼管保護(hù)柱之間的縫隙圓周,大于傳統(tǒng)的注漿孔,從而觀察范圍、灌注范圍擴(kuò)大,便于填充層的灌注、觀察、排氣以及提高灌注的均勻性;(4)軌道板中部的注漿鋼管及混凝土保護(hù)柱結(jié)構(gòu),其使用年限與無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)本體相同,隨路基的變形累計(jì),沉降的逐年發(fā)展,可以反復(fù)利用該構(gòu)件通道,實(shí)施修復(fù);(5)軌道板中部的混凝土保護(hù)柱結(jié)構(gòu),可用于承受列車(chē)縱、橫向水平力,限制軌道板位移的發(fā)生,替代傳統(tǒng)的軌道板端部凸型擋臺(tái)。且在地震力作用下,較多的多余約束,使無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)擁有更好的整體性;(6)高速鐵路面臨管線、道路穿越時(shí),由于線路控制沉降的要求很高,施工中難以解決,大多采用繞行既有橋孔內(nèi)通過(guò)。造成投資增加,使用不便,制約發(fā)展等問(wèn)題,新型無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu),便于穿越工程在高速鐵路實(shí)施時(shí),路基沉降的控制。
新型無(wú)砟軌道板快速實(shí)施,能夠彌補(bǔ)路基產(chǎn)生的沉降量,恢復(fù)扣件系統(tǒng)的調(diào)整能力,保證線路的平順性??删_控制軌道結(jié)構(gòu)的抬升量,避免產(chǎn)生膨脹力的漿液注入過(guò)多,造成抬升過(guò)度的情況出現(xiàn)。底座下得多點(diǎn)、分次抬升的方法,使底座均勻受力,變形小而緩和,避免機(jī)械剛性抬升對(duì)底座的破壞。