聚氨酯碎石道床在既有線路基病害整治中的應(yīng)用

李鵬飛孫萬軍張志國楊高艦呂鵬

1.中建交通建設(shè)集團有限公司，北京 100071；2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，石家莊050043

既有鐵路路基受填料土體特性、下臥土層性質(zhì)以及含水率等因素影響，路基不均勻沉降病害非常普遍。當(dāng)基床受地面水或地下水侵蝕時就會出現(xiàn)軟化，再經(jīng)過列車動載的反復(fù)作用，使得泥漿容易沿道床道砟的空隙向上層涌出，造成線路出現(xiàn)不均勻沉降，嚴(yán)重影響行車的平順性與安全性［1-2］。

聚氨酯材料因優(yōu)異的物理力學(xué)性能、良好的環(huán)境適應(yīng)性和耐久性，已在結(jié)構(gòu)防水層方面得到了廣泛應(yīng)用。近年來，研究發(fā)現(xiàn)聚氨酯級配碎石結(jié)構(gòu)層還具有良好的防水能力和較高的抗壓能力，這種技術(shù)被引入到既有線路基病害處理，這種技術(shù)有望成為處理有砟道床翻漿冒泥的一種主要方法，具有廣闊的發(fā)展前景［3-4］。謝康等［5］通過室內(nèi)模型試驗，對水環(huán)境動載耦合作用下聚氨酯級配碎石層的變形規(guī)律進行了研究，得出聚氨酯摻量達8%、碎石孔隙率達2%時，聚氨酯級配碎石層變形較小，有良好的力學(xué)特性和防水效果。王希云［6-7］依托包神重載鐵路翻漿冒泥整治，通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗確定聚氨酯膠凝級配碎石的材料配比，對其力學(xué)性能和防水性能進行了研究，并通過現(xiàn)場測試驗證了整治效果。關(guān)于聚氨酯碎石處理既有線路基翻漿冒泥的文獻還很有限，而且主要集中在其相關(guān)性能研究方面，在實際路基整治工程中也僅處于個別試點應(yīng)用階段。

本文結(jié)合山東省大萊龍鐵路擴能改造工程，探索將聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層用于翻漿冒泥整治。因目前尚無相關(guān)規(guī)范和成熟的技術(shù)控制指標(biāo)直接套用，且未見文獻對采用此類方法整治翻漿冒泥的相關(guān)施工工藝進行詳細介紹，所以本文重點對該法的施工工藝和質(zhì)量控制進行介紹，可為推廣該法應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

大萊龍鐵路于2005年建成通車，以貨運為主，為進一步促進山東省北部沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和黃河三角洲的開發(fā)，于2018年12月開始進行擴能升級改造，擬將年運貨能力由1 900萬t提升至3 000萬t。

既有大萊龍鐵路路基基床底部存在地下水浸泡軟化區(qū)段，在列車荷載反復(fù)振動下有基床已出現(xiàn)翻漿冒泥。經(jīng)現(xiàn)場檢測統(tǒng)計，一標(biāo)段存在以上問題的共計31段，合計460 m，約6 089 m2，均需要進行加固處理，以避免出現(xiàn)不均勻沉降和引起脫軌事故。為減少對既有道床的擾動，控制要點施工時間，減少對既有線營運停運的干擾，本工程提出采用5 cm砂墊層、雙層防水土工布、8 cm厚聚氨酯混合料對翻漿冒泥局部地段進行防水抗?jié)B處理，并一定程度地提高其承載能力，以保證行車的平穩(wěn)和安全。

2 路基病害機理與新型加固整治技術(shù)

2.1 病害機理

①大萊龍鐵路位于山東省境內(nèi)德州—龍口—煙臺鐵路中段，地質(zhì)、砂石填料材質(zhì)嚴(yán)重影響到路基基床的質(zhì)量，且土體中夾雜有一些吸水能力強、透水性差的組分。②該段鐵路離海較近，路基易受降雨和地下水的影響，一旦吸入的水量過多，路基土體就會變得疏松，形成泥漿。③在列車荷載反復(fù)動力作用下，路基土體將持續(xù)產(chǎn)生變形而造成擠壓破壞，由于水量過多隨之出現(xiàn)翻漿冒泥。

2.2 新型加固整治技術(shù)

2.2.1 加固原理

聚氨酯碎石是以滿足性能要求的聚氨酯合成材料為膠黏劑，以級配碎石為填充骨料，按適當(dāng)比例充分混合，經(jīng)自然拌和、快速固化而形成的一種高分子復(fù)合材料。經(jīng)研究證明，適當(dāng)?shù)呐浜媳瓤梢员ＷC該材料具有較高的黏結(jié)強度、較強的抗酸堿性、抗紫外線以及抗老化能力，而上下包裹的防滲土工布則加強了結(jié)構(gòu)的防水性能。

在列車荷載作用下聚氨酯級配碎石層具有整體振動耗能能力，通過產(chǎn)生彈性變形而降低級配碎石動應(yīng)力和動荷載變形幅值，具有良好的耗能和應(yīng)力吸收作用。此外，摻加合適比例的聚氨酯材料可以保證聚氨酯級配碎石層足夠致密不滲水，從而獲得良好的防水能力，可以有效防止水分侵入級配碎石層，起到隔離滲水侵蝕路基的綜合作用。

2.2.2 加固方法

針對有砟軌道路基基床翻漿冒泥病害，傳統(tǒng)的整治方法主要采用增設(shè)排水砂墊層加防水土工布等換隔措施，雖在一定程度上能起到防排水作用，但不能有效改善線路路基基床的剛度和承載能力，且整體性不強，耗能作用有限，基本不能減少列車荷載在路基土體中所產(chǎn)生的動應(yīng)力和沉降幅值?；诖祟愓畏椒ǎ竟こ滩捎靡环N能夠在天窗點完成施工的聚氨酯膠凝碎石復(fù)合層，該結(jié)構(gòu)層由厚度0.05~0.08 m的聚氨酯膠凝碎石和上下包裹的防滲土工布組成，如圖1所示，既能改善整體基床強度和剛度，也能較均勻地擴散基床土體內(nèi)的應(yīng)力，減小列車荷載在路基中產(chǎn)生的動應(yīng)力，又具有協(xié)調(diào)層間變形和防滲功能。

圖1 聚氨酯碎石混合料防水層結(jié)構(gòu)

3 聚氨酯碎石復(fù)合層施工技術(shù)

3.1 施工工藝流程及進度

大萊龍鐵路擴能改造工程主要分布在5個區(qū)間，為準(zhǔn)確復(fù)核地質(zhì)資料，檢驗設(shè)備、工藝等是否適宜，保證路床翻漿冒泥治理的質(zhì)量，取運營里程K376+516—K376+524作為試驗段先行施工。為確保能在有限的6 h封鎖天窗點內(nèi)完成施工，一個施工段（6 m）的整治工作進度如圖2所示，施工整治流程如圖3所示。

圖2 一個施工段（6 m）施工進度組織

圖3 施工整治流程

3.2 關(guān)鍵施工技術(shù)

3.2.1 測量軌頂標(biāo)高及安裝千斤頂

封閉線路且路基整治施工開始后，去除施工段線路兩側(cè)道砟，并及時測量兩側(cè)軌頂標(biāo)高。一般每間隔5~7根軌枕在兩側(cè)軌枕下加設(shè)一對小型液壓千斤頂，保證破底清篩后軌道系統(tǒng)保持在原有標(biāo)高和幾何位置不變，同時為破底清篩騰出空間。千斤頂安裝時應(yīng)確保此處道砟已清理至設(shè)計開挖深度，防止千斤頂受開挖影響。

3.2.2 破底清篩

在千斤頂?shù)闹蜗?，軌道體系維持在原有位置和幾何狀態(tài)下，開始破底清篩軌枕下方翻漿冒泥，直到設(shè)計標(biāo)高，開挖并清篩道枕下方全部碎石。開挖面務(wù)必要平整，不得有凸起道砟，以免刺破后續(xù)鋪設(shè)的土工布，出現(xiàn)滲漏薄弱點。挖至設(shè)計標(biāo)高后，嚴(yán)格按設(shè)計要求做好橫向排水坡，一般坡度以3%~5%為宜。對于開挖出來已被污染的道砟，現(xiàn)場裝袋后臨時存放于線路兩側(cè)，并使用平板小車運離。用尺子檢查破底開挖深度是否滿足規(guī)定要求。

3.2.3 聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層施工

在破底路基上鋪筑5~8 cm厚砂墊層，砂墊層應(yīng)搗鼓平整，不能有大塊石子，防止其棱角刺破上鋪的土工布而出現(xiàn)局部滲漏水。施工中若刺破土工布務(wù)必立即進行修補或者更換。鋪設(shè)的第一層土工布，其寬度宜較路基面寬0.4 m，以利于向上反折。

根據(jù)單次攪拌量將聚氨酯、碎石進行配組。聚氨酯A組分和B組分按比例進行配制，施工前按單次攪拌所需用量將配比好的聚氨酯分裝為3份存放在攪拌機旁待用。碎石要求干燥、潔凈、粉塵含量低，施工前同樣按單次攪拌所需量將配比好的碎石裝袋，分3份堆放在攪拌機旁待用。其中，一次封鎖每個攪拌機需要攪拌3桶，每次投料1份。聚氨酯用量應(yīng)嚴(yán)格按試驗所得其占碎石比例進行控制，一般為5%~9%，具體與聚氨酯材料性能和碎石級配有關(guān)，通過準(zhǔn)確稱量控制各組分比重，將聚氨酯AB組分倒入碎石攪拌機中攪拌均勻。

最后將攪拌好的聚氨酯碎石料均勻攤鋪到土工布上方，經(jīng)實驗室強度試驗驗證，攤鋪厚度8 cm即可滿足強度要求。攤鋪平整并等待40 min，待聚氨酯碎石混合料初凝后再進行第二層土工布的攤鋪，寬度應(yīng)保持與路基面同寬，且兩次鋪設(shè)土工布搭接長度至少應(yīng)為0.1 m。

4 聚氨酯碎石復(fù)合層質(zhì)量控制

4.1 材料質(zhì)量控制

1）碎石材料

粗粒料采用5.0~9.5 mm粒徑，細粒料采用中粗砂，所用碎石材料粒徑應(yīng)符合表1中級配碎石要求。

表1 級配碎石要求

2）聚氨酯材料

聚氨酯材料因其組分性能和制成工藝不同，其性能指標(biāo)也差異較大。根據(jù)聚氨酯級配碎石黏結(jié)性、防水性、承載能力等方面的要求，應(yīng)注重產(chǎn)品的黏度、抗拉強度與斷裂伸長率等性能指標(biāo)，本工程建議的材料指標(biāo)要求見表2。

表2 聚氨酯膠凝劑指標(biāo)要求

3）聚氨酯膠凝碎石

鐵路規(guī)范中尚無對聚氨酯膠凝碎石抗壓強度的質(zhì)量控制要求，為此，根據(jù)現(xiàn)場碎石進行了力學(xué)性能比較試驗。依據(jù)現(xiàn)有研究和本工程試驗結(jié)果，提出對聚氨酯膠凝碎石以100∶5.3（碎石重量∶聚氨酯重量）的比例混合均勻，靜置4 h后抗壓強度不小于3 MPa作為驗收合格要求，同時進行透水系數(shù)檢測試驗，要求透水系數(shù)不超過0.5 mm/s。

施工過程中，按要求制作3塊立方體聚氨酯膠凝碎石試件進行抗壓強度測試，試件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，在壓力試驗機上依據(jù)規(guī)范程序加載并壓至破壞，3個試件測得的破壞荷載分別為46.90、45.10、45.30 kN，經(jīng)計算抗壓強度分別為4.5、4.3、4.3 MPa，均滿足要求。

制作3塊透水系數(shù)檢測試件，試件為直徑100 mm、高50 mm圓柱形。經(jīng)檢測3個試件常溫下透水系數(shù)均為0，不透水，滿足要求。

4.2 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

聚氨酯膠凝碎石層厚度、設(shè)置范圍、頂面高程、中線至邊緣距離、寬度、橫坡允許偏差及檢驗方法應(yīng)符合TB 10414—2008（表3）的規(guī)定［5，8］。

表3 聚氨酯凝膠碎石層允許偏差及檢驗方法

本工程嚴(yán)格按要求進行了檢測，全部滿足工程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語

針對鐵路既有線路基翻漿冒泥病害整治工作進行實例研究，主要結(jié)合大萊龍鐵路工程探討了利用聚氨酯凝膠碎石層進行翻漿冒泥整治的可行性，對其配比及性能指標(biāo)進行了試驗驗證，提出了該工程的質(zhì)量驗收控制指標(biāo)要求。對聚氨酯膠凝碎石道床體系構(gòu)成、施工工藝流程、關(guān)鍵施工技術(shù)及質(zhì)量控制要求等進行了詳細說明。經(jīng)試驗以及實踐檢驗證明，聚氨酯碎石結(jié)構(gòu)層只要配比合適，就能保證其具有優(yōu)良的整體性、足夠的密實性而阻止雨水滲漏、足夠的黏結(jié)性能而不會在動力作用下散開，既可以提高道床的整體剛度，也能提高整體承載能力，增加耗能能力，從而有效降低傳遞的動應(yīng)力和不均勻沉降幅值，提高路基基床抗變形能力，優(yōu)勢明顯。而且其施工性好，不需要拆除軌枕，也不需要專門的設(shè)備設(shè)施和振搗養(yǎng)護，通過人工輔助攤鋪成型方式，可以在限定時間內(nèi)膠結(jié)，即可獲得優(yōu)良的質(zhì)量品質(zhì)。為此，該方法非常適合在天窗點作業(yè)的運營線路基的翻漿冒泥病害整治，通過試點應(yīng)用證明此項技術(shù)可以為今后類似工程提供參考，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。