預制裝配式聚氨酯固化道床優(yōu)化設計方案

王永剛

(中國鐵路西安局集團有限公司,西安 710054)

聚氨酯固化道床是一種采用聚氨酯發(fā)泡材料，在有砟軌道的散體道床內(nèi)發(fā)泡、填充道砟顆粒之間空隙并包裹、固化道砟顆粒的道床結(jié)構(gòu)[1-3]，可有效避免道砟顆粒之間硬接觸及顆粒之間的錯動、滑移，有效減緩道砟粉化、劣化速率，大幅提高道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性[4-6]。

聚氨酯固化道床兼具有砟軌道便于調(diào)整和無砟軌道少維護且穩(wěn)定性好的優(yōu)點[7-10]，已成為繼有砟軌道和無砟軌道之后的第三種軌道結(jié)構(gòu)形式。目前，在國內(nèi)以鋪設無砟軌道為主的線路中，特殊大跨度橋上和活動斷層區(qū)域得到推廣應用[11-15]。但現(xiàn)澆聚氨酯固化道床的聚氨酯材料固化效果受溫度、濕度等作業(yè)環(huán)境影響大，導致現(xiàn)場施工機械設備繁多、工序復雜、代價高且施工質(zhì)量控制效果差[16-18]。因此，鐵科院提出了預制裝配式聚氨酯固化道床設計方案，可有效避免現(xiàn)澆聚氨酯固化道床存在的問題，且可實現(xiàn)道床結(jié)構(gòu)工廠化制造、裝配式施工及單元化維修[19-20]。預制裝配式聚氨酯固化道床首次在西銀高鐵乾縣至永壽西站之間鋪設了線上試驗段，為其設計、施工、服役狀態(tài)及運營維護評估優(yōu)化提供了基礎。

針對西銀高鐵裝配式聚氨酯固化道床在施工及運營維護中的問題及其成因分析，提出了裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計思路，為裝配式聚氨酯固化道床更好地推廣應用提出技術支撐與指導。

1 預制裝配式聚氨酯固化道床試驗段

1.1 試驗段概況

西銀高鐵自西安北站至吳忠站(吳忠至銀川屬于銀蘭高鐵)，是一條連接寧夏回族自治區(qū)吳忠市與陜西省西安市的高速鐵路，全長543 km，設14座客運車站，設計速度250 km/h，預留300 km/h的提速條件。

預制裝配式聚氨酯固化道床試驗段選址在乾縣至永壽西站之間，里程DK78+926～DK79+689，全長763 m，其中，路基段496 m、橋梁段207 m、隧道段60 m，預制聚氨酯軌枕塊按枕下固化道砟的厚度分為22 cm和26 cm兩種。試驗段具體情況如表1所示。

表1 裝配式聚氨酯固化道床試驗段概況

1.2 結(jié)構(gòu)設計

裝配式聚氨酯固化道床由鋼軌、扣件、預制聚氨酯固化軌枕、混凝土調(diào)整層等組成，軌道結(jié)構(gòu)高766 mm(與一般有砟軌道一致)。

(1)路基DK79+133～DK79+629地段，采用枕下固化道砟厚度22 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，軌枕鋪設標準為1 667根/km，如圖1所示。

圖1 路基地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

(2)橋梁DK78+926～DK79+133地段，采用枕下固化道砟厚度26 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，其中，DK78+926～DK78+976軌枕鋪設標準為1 540根/km，DK78+976～DK79+133軌枕鋪設標準為1 667根/km，如圖2所示。

圖2 橋梁地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

(3)隧道DK79+629～DK79+689地段，采用枕下固化道砟厚度22 cm軌枕，軌枕下采用混凝土調(diào)整，軌枕鋪設標準為1667根/km，如圖3所示。

圖3 隧道地段裝配式聚氨酯固化道床橫斷面(單位：mm)

調(diào)整層采用骨料顆粒最大粒徑不大于11 mm，抗壓強度等級不低于C40的細石混凝土。調(diào)整層寬度不小于2 800 mm，每間隔6m設置寬100 mm或150 mm橫向排水槽。

1.3 現(xiàn)場實施

西銀高鐵預制裝配式聚氨酯固化道床施工采用與雙塊式無砟軌道類似的施工工法，即采用“軌排框架法”施工?，F(xiàn)場施工時先用軌排框架將預制軌枕塊連接好，然后對軌道幾何尺寸進行調(diào)整，精調(diào)到位后澆筑細石混凝土調(diào)整層，待調(diào)整層達到一定強度后拆除軌排框架并在聚氨酯軌枕塊之間補充道砟。施工中由于預制軌枕塊的質(zhì)量比雙塊式軌枕大，需對軌排框架加固改造。施工完成后現(xiàn)場情況如圖4、圖5所示。

圖4 裝配式聚氨酯固化道床試驗段全貌

圖5 裝配式聚氨酯固化道床試驗段細部

1.4 基礎沉降處理措施

裝配式聚氨酯固化道床的突出優(yōu)點之一是可以實現(xiàn)基礎沉降后的單元化維修。當基礎沉降超出扣件調(diào)整能力時，可采用如下兩種處理措施。

(1)采用小型門吊將沉降區(qū)域范圍的聚氨酯固化軌枕塊整體吊出，更換為更大固化道砟厚度的聚氨酯軌枕塊(如將固化道砟厚度22 cm的軌枕塊更換為固化道砟厚度26 cm或更大厚度的軌枕塊)。

(2)采用小型門吊將沉降區(qū)域范圍的聚氨酯軌枕塊吊起，并在塊下填充速凝混凝土或樹脂材料進行調(diào)整修復。

2 預制裝配式固化道床問題及原因分析

在預制裝配式固化道床施工及運維過程中，發(fā)現(xiàn)其存在的主要問題如下。

(1)預制聚氨酯固化軌枕的道床塊與軌枕之間粘接能力較弱，個別道床塊與軌枕塊之間存在離縫或脫離的情況，如圖6所示。

圖6 軌枕與聚氨酯預制塊側(cè)面脫膠離縫

根據(jù)現(xiàn)澆聚氨酯固化道床的應用經(jīng)驗及裝配式聚氨酯固化道床的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，聚氨酯道床與軌枕之間的粘接力較強，正常情況下不會出現(xiàn)此種情況。經(jīng)研究探討，出現(xiàn)此種情況的主要原因如下。

①西銀高鐵預制裝配式試驗段的建設工期極為緊張，且軌枕塊的預制制造恰逢2019年年底春節(jié)期間，環(huán)境溫度低導致聚氨酯固化材料的粘接能力未能充分發(fā)揮，且疫情形勢極為嚴峻，加之首次進行預制軌枕塊的大規(guī)模生產(chǎn)制造，多重因素導致了首批預制聚氨酯軌枕塊的固化效果欠佳，軌枕與聚氨酯固化道床塊之間的粘接力不足。

②由于施工工期緊張，在施工場地附近建設預制軌枕塊生產(chǎn)的臨時設施無法滿足工期要求，因此，此批軌枕塊在北京預制生產(chǎn)。同時，由于試驗段附近沒有預留軌枕塊的存放場地，軌枕塊需臨時存在距施工場地約5 km的場地，造成預制軌枕塊在生產(chǎn)、運輸、存放及施工環(huán)節(jié)經(jīng)多次吊裝、倒運。受吊裝工人經(jīng)驗不足等因素影響(如起吊加速度過大等)，在反復吊裝過程中導致軌枕與聚氨酯預制塊之間出現(xiàn)離縫或脫離情況。

(2)扣件調(diào)整量僅為10 mm，不利于運營期維護、調(diào)整。

預制裝配式聚氨酯固化道床的預制聚氨酯軌枕塊采用Ⅲc型枕，與普通高速鐵路客運專線有砟軌道軌枕類型一致，扣件配套采用彈條V形。彈條V形扣件的調(diào)整量僅為10 mm，由于有砟軌道散粒體道床為便于采用大機精調(diào)作業(yè)的軌道類型，其調(diào)整能力能夠滿足日常維護需求。但裝配式聚氨酯固化道床的結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)定性介于有砟軌道與無砟軌道之間，相比于無砟軌道，其調(diào)整簡單且調(diào)整能力大，但相比于有砟軌道，其調(diào)整難度大。因此，對于預制裝配式固化道床，為便于運營期養(yǎng)護維修，建議采用具備較大調(diào)整能力的扣件系統(tǒng)，其扣件的調(diào)整能力應達到無砟軌道扣件調(diào)整能力的水平。

(3)相鄰預制軌枕塊之間縫隙自密實混凝土抹面及道砟填充、密實難度大。

預制軌枕道床塊寬500 mm，當軌枕間距為600 mm時，相鄰軌枕塊之間的間距僅為100 mm；當軌枕間距為650 mm，相鄰軌枕塊之間的間距也僅為150 mm(道砟顆粒最大允許粒徑63 mm)，中間縫隙自密實混凝土抹面及道砟填充、密實難度大，需采用人工手持小型工具或搗固器械進行作用，難度較大。

3 裝配式固化道床優(yōu)化設計方案

針對西銀高鐵裝配式聚氨酯固化道床存在的問題，建議對裝配式聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)設計進行如下優(yōu)化。

(1)預制聚氨酯軌枕塊優(yōu)化設計

聚氨酯軌枕塊優(yōu)化設計主要針對現(xiàn)場存在的道床塊與軌枕粘接不牢固和相鄰軌枕預制塊之間縫隙小的問題進行優(yōu)化設計?？紤]到裝配式聚氨酯固化道床具有道床結(jié)構(gòu)免維護的優(yōu)勢，運營期不用進行道床搗固、清篩等大機作業(yè)。因此，為增強軌枕與道床塊之間的粘結(jié)力，且便于日常運維行走，建議參考寬枕的設計理念，適當增大軌枕寬度。同時，考慮到預制軌枕塊之間縫隙現(xiàn)場自密實混凝土抹面及后續(xù)填砟、搗固難度大的問題，軌枕塊之間的間隙不宜小于200 mm。因此，綜合考慮道床塊與軌枕之間粘接力、軌枕塊之間自密實混凝土抹面與后續(xù)道砟施作的便捷性、軌枕支承間距及運維等方面的需求，建議將軌枕寬度優(yōu)化調(diào)整為400 mm，道床塊寬度與軌枕寬度齊平，如圖7、圖8所示。

圖7 推薦軌枕設計方案(平面)(單位：mm)

圖8 推薦軌枕設計方案(立面)

相比于西銀高鐵所采用的預制裝配式聚氨酯固化道床軌枕塊，優(yōu)化后的裝配式聚氨酯固化道床單根軌枕塊主要工程數(shù)量變化及投資增減估算情況如表2所示。

表2 單根軌枕塊主要工程數(shù)量變化及投資增減估算

由表2可以看出，經(jīng)優(yōu)化設計，裝配式聚氨酯固化道床單根軌枕塊可節(jié)約投資約504元，按鋪設標準1 667根/km計算，優(yōu)化后的裝配式聚氨酯固化道床每鋪軌公里可節(jié)約投資約84.02萬元。

(2)扣件優(yōu)化設計

針對彈條V形扣件調(diào)整量小，對裝配式聚氨酯固化道床整體性好、調(diào)整難度相比于有砟軌道大的情況，建議可借鑒無砟軌道扣件的經(jīng)驗，配套研發(fā)適用于聚氨酯固化道床的大調(diào)整量扣件系統(tǒng)，以便于運營期常規(guī)的維護、調(diào)整作業(yè)。另外，也可以參考青藏鐵路季節(jié)性凍土地段采用特殊調(diào)整扣件方案，使其調(diào)整能力達到常規(guī)無砟軌道的調(diào)整水平，以提高其日常維護的便捷性。

4 結(jié)語

裝配式聚氨酯固化道床兼具有砟軌道可調(diào)整和無砟軌道少維護的優(yōu)點，已逐步成為我國第三種軌道結(jié)構(gòu)形式。預制裝配式聚氨酯固化道床可實現(xiàn)道床結(jié)構(gòu)工廠化制造、裝配式施工及單元化維修，對諸如川藏鐵路、滇藏鐵路等工程與環(huán)境條件惡劣的項目具有良好適應性，應用前景廣闊。西銀高鐵試驗段是裝配式聚氨酯固化道床首次系統(tǒng)性線上試驗段的應用、試驗工程，對評估其結(jié)構(gòu)設計、施工、運維的合理性及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計具有重大意義。針對試驗段建設中存在的問題進行了研究分析，并提出了優(yōu)化設計方案與思路，得出主要結(jié)論如下。

(1)道床塊與軌枕之間粘接力不足、扣件調(diào)整能力差及軌枕塊之間縫隙施工便捷性差等是預制裝配式聚氨酯固化道床存在的主要問題，在預制聚氨酯軌枕塊、扣件等方面均具備一定優(yōu)化設計空間。

(2)為確保道床塊與軌枕之間粘接力，且便于現(xiàn)場實施，預制裝配式聚氨酯固化道床采用軌枕寬度宜為400 mm。

(3)為滿足預制裝配式聚氨酯固化道床日常維護調(diào)整需求，建議配套研發(fā)較大調(diào)整量扣件系統(tǒng)，使其調(diào)整能力宜與無砟軌道相當。