高速鐵路無砟軌道突發(fā)災(zāi)害及應(yīng)急搶修技術(shù)

易忠來 楊志強(qiáng) 靳昊 姜子清 劉浩 謝永江

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路軌道系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081

自2008年京津城際鐵路開通以來，我國高速鐵路建設(shè)快速發(fā)展。無砟軌道因具有高平順性、高穩(wěn)定性、維修作業(yè)少的優(yōu)點(diǎn)，被我國絕大多數(shù)高速鐵路采用。截至2022 年底，我國高速鐵路運(yùn)營里程已超過4.2萬公里，占世界高速鐵路的70%以上，未來還將繼續(xù)發(fā)展。

無砟軌道主要由水泥基材料和鋼筋組成，整體穩(wěn)定性和耐久性較好。TB 10005—2010《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范》規(guī)定無砟軌道道床板、底座板設(shè)計使用年限為100年，而軌道板、支承層設(shè)計使用年限為60年。

工程實(shí)踐表明，在凍融循環(huán)、酸雨等因素長期作用下高速鐵路無砟軌道整體服役性能良好［1］。然而，除環(huán)境中侵蝕因素長期作用外，無砟軌道還可能面臨火災(zāi)、水害、地震、高溫、撞擊等突發(fā)自然災(zāi)害作用，不僅會給無砟軌道結(jié)構(gòu)帶來嚴(yán)重傷損，更有可能威脅到高速列車運(yùn)行安全，從而影響到正常運(yùn)營秩序［2］。

2018 年10 月德國科隆—法蘭克福高速鐵路因列車著火，對Rheda型無砟軌道造成了嚴(yán)重?fù)p壞（圖1），嚴(yán)重影響了線路正常運(yùn)營。2013年6月柏林—漢諾威—科隆高速鐵路某區(qū)間發(fā)生洪水災(zāi)害，無砟軌道路基產(chǎn)生較大變形（圖2），洪水退去之后對受損嚴(yán)重區(qū)段進(jìn)行了近一周的應(yīng)急搶修。2004 年10 月日本中越地區(qū)發(fā)生6.8 級地震，造成日本新干線脫軌?，F(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，地震造成約1.6 km 高架橋上板式軌道及鋼軌、扣件傷損，部分區(qū)間鋼軌錯位；隧道內(nèi)基底隆起，軌道板和仰拱傷損等，經(jīng)過近5 d搶修全線才恢復(fù)通車。

圖1 科隆—法蘭克福無砟軌道道床板嚴(yán)重傷損

圖2 柏林—漢諾威—科隆無砟軌道路基嚴(yán)重?fù)p害

近年來，我國極端氣象事件增多，無砟軌道突發(fā)災(zāi)害的防治越來越重要。2012 年，原鐵道部發(fā)布了鐵運(yùn)〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則》，為無砟軌道線路維修提供了技術(shù)方案和作業(yè)要求，然而該規(guī)則未考慮突發(fā)災(zāi)害情況下無砟軌道的應(yīng)急處置及搶修技術(shù)。不同于常規(guī)環(huán)境侵蝕因素影響下無砟軌道傷損逐漸累積過程，突發(fā)災(zāi)害引起的無砟軌道傷損程度更高，維修難度更大。

目前，國內(nèi)外對無砟軌道耐久性傷損產(chǎn)生原因、影響因素及整治技術(shù)研究較多［3-4］，但對突發(fā)災(zāi)害引起的無砟軌道傷損甚至斷道情況鮮見報道。本文梳理了無砟軌道運(yùn)營過程中可能產(chǎn)生的突發(fā)災(zāi)害類型，探討了無砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急搶修技術(shù)，給出無砟軌道應(yīng)急搶修技術(shù)發(fā)展方向，為突發(fā)災(zāi)害條件下我國無砟軌道應(yīng)急搶修提供參考。

1 無砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損

1.1 突發(fā)災(zāi)害類型

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，無砟軌道突發(fā)災(zāi)害主要由火災(zāi)、水害、地震、高溫和撞擊引起。高速鐵路無砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型見表1。

表1 無砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型

火災(zāi)發(fā)生時，高溫易導(dǎo)致水泥基材料內(nèi)水化產(chǎn)物分解，破壞水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性［5］，導(dǎo)致混凝土開裂、剝落、層間離縫。同時，高溫作用下內(nèi)部鋼筋、螺栓金屬晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致鋼筋抗拉強(qiáng)度大幅降低，無砟軌道結(jié)構(gòu)承受荷載能力明顯下降，裂縫、變形等傷損程度加劇［6］。洪水或短時間內(nèi)強(qiáng)降雨時，大量地下水富集容易引發(fā)無砟軌道路基不均勻沉降，導(dǎo)致無砟軌道混凝土裂縫，同時伴隨層間離縫和上拱［7］。我國位于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交會部位，高烈度地震作用下無砟軌道容易因下部基礎(chǔ)變形較大而產(chǎn)生裂縫、層間離縫和變形［8］。連續(xù)高溫天氣時無砟軌道結(jié)構(gòu)存在較大溫度梯度。較大的溫度梯度會使軌道板或道床板在服役過程中翹曲變形，導(dǎo)致無砟軌道上拱和開裂，影響高速列車的舒適性和安全性。在外部異物撞擊作用下，無砟軌道易產(chǎn)生部分缺損，影響無砟軌道結(jié)構(gòu)整體服役性能［9］。

1.2 突發(fā)災(zāi)害傷損等級

為突發(fā)災(zāi)害后掌握無砟軌道傷損程度，制定應(yīng)急搶修技術(shù)方案，對無砟軌道突發(fā)災(zāi)害等級進(jìn)行劃分。

1）突發(fā)火災(zāi)

混凝土出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫、剝落及局部鋼筋傷損是無砟軌道突發(fā)火災(zāi)的主要特征。根據(jù)無砟軌道突發(fā)火災(zāi)傷損形式及其影響，可將傷損等級劃分為四級，見表2。其中，d為剝落深度。

表2 突發(fā)火災(zāi)時無砟軌道傷損等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

2）突發(fā)水害

突發(fā)水害時，無砟軌道容易產(chǎn)生軌道上拱、偏移及脫空。根據(jù)突發(fā)水害傷損形式及其影響，可將無砟軌道傷損等級劃分為四級，見表3。其中：h、w分別為軌道板或道床板上拱量、偏移量；u為軌道板或道床板下部脫空量。

表3 突發(fā)水害時無砟軌道傷損等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

3）突發(fā)地震

突發(fā)地震時，無砟軌道出現(xiàn)混凝土局部裂縫、貫通裂縫、軌枕擋肩缺損和幾何變形。根據(jù)無砟軌道突發(fā)地震傷損形式及其影響程度，可將傷損等級劃分為四級，見表4。

表4 突發(fā)地震時無砟軌道傷損等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

4）突發(fā)高溫

突發(fā)高溫導(dǎo)致無砟軌道軌道板或道床板上拱變形，可將軌道板或道床板上拱量作為無砟軌道突發(fā)高溫傷損程度的評價指標(biāo)。根據(jù)軌道板或道床板上拱量及其影響程度，將突發(fā)高溫傷損劃分為四個等級，見表5。

表5 突發(fā)高溫時無砟軌道傷損等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

5）突發(fā)撞擊

根據(jù)無砟軌道突發(fā)撞擊傷損形式及其影響，可將傷損劃分為四個等級，見表6。

表6 突發(fā)撞擊時無砟軌道傷損等級判斷標(biāo)準(zhǔn)

2 應(yīng)急搶修技術(shù)

2.1 應(yīng)急處置措施

無砟軌道發(fā)生突發(fā)災(zāi)害時須要采取應(yīng)急處置措施。無砟軌道的應(yīng)急處置措施應(yīng)遵循分級處置、協(xié)同應(yīng)對的原則。根據(jù)無砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損程度，從無砟軌道搶修方法、放行列車條件等方面提出適當(dāng)?shù)膽?yīng)急處置措施。

1）突發(fā)火災(zāi)

針對不同等級突發(fā)災(zāi)害，采取相應(yīng)的應(yīng)急措施并確定對應(yīng)的放行列車條件。傷損等級為Ⅰ級時，列車可按設(shè)計時速正常通行。傷損等級為Ⅱ級時，應(yīng)及時更換傷損扣件，對失效預(yù)埋套管進(jìn)行改錨，并按列車時速不低于160 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性。同時，每間隔兩根軌枕安裝軌距拉桿對鋼軌進(jìn)行加固，建議列車限速120 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅲ級和Ⅳ級時，應(yīng)臨時封閉線路，對傷損無砟軌道更換處置，直至無砟軌道的穩(wěn)定性、平順性滿足要求。

2）突發(fā)水害

傷損等級為Ⅰ級時，應(yīng)按列車時速不低于200 km通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級為Ⅱ級時，應(yīng)在無砟軌道下部脫空處采用塑料墊板臨時支撐，按列車時速不低于160 km 通過要求調(diào)整軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅲ級時，無砟軌道應(yīng)采取臨時支撐措施，可采用特殊扣件，按列車時速不低于120 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅳ級時，應(yīng)采用鋼墊板臨時支撐或灌注修補(bǔ)材料填充，可采用特殊扣件，按列車時速不低于80 km/h 通過要求調(diào)整軌道平順性，列車限速通行。

3）突發(fā)地震

傷損等級為Ⅰ級時，無砟軌道傷損程度較小，列車可限速200 km/h 通行，并根據(jù)天窗安排及時進(jìn)行無砟軌道維修作業(yè)。傷損等級為Ⅱ級時，若存在連續(xù)軌枕擋肩缺損，需對擋肩缺損處進(jìn)行修補(bǔ)，更換傷損扣件，對失效預(yù)埋套管進(jìn)行改錨。同時，按列車時速不低于120 km 通過要求調(diào)整軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅲ級或Ⅳ級時，應(yīng)臨時封閉線路，對傷損無砟軌道予以更換。

4）突發(fā)高溫

傷損等級為Ⅰ級時，應(yīng)及時按列車設(shè)計速度通過要求調(diào)整軌道平順性，列車以正常速度通行。傷損等級為Ⅱ級時，應(yīng)按列車時速不低于250 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，并在無砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車限速120 ～ 200 km/h通行。傷損等級達(dá)到Ⅲ級時，軌道板或道床板下部采取臨時支撐措施，并按列車時速不低于160 km 通過要求調(diào)整軌道平順性。同時，在無砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅳ級時，應(yīng)在無砟軌道下部采取臨時支撐，并按列車時速不低于120 km 通過要求調(diào)整軌道平順性。同時，應(yīng)在無砟軌道傷損處前后區(qū)域植筋錨固，列車按限速80 km/h通行。

5）撞擊傷損

傷損等級為Ⅰ級時，應(yīng)及時更換傷損扣件，按列車時速不低于250 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級為Ⅱ級時，應(yīng)更換傷損扣件，在嚴(yán)重缺損區(qū)段安裝軌距拉桿對鋼軌進(jìn)行加固。同時，按列車時速不低于200 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅲ級時，應(yīng)間隔更換傷損扣件及修補(bǔ)軌枕擋肩。在嚴(yán)重缺損區(qū)段安裝軌距拉桿對鋼軌進(jìn)行加固，按列車時速不低于160 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達(dá)到Ⅳ級時，應(yīng)更換傷損扣件，間隔修補(bǔ)軌枕擋肩。若預(yù)埋套管失效，則進(jìn)行改錨，并在受損區(qū)段安裝軌距拉桿對鋼軌進(jìn)行加固。同時，按列車時速不低于120 km 通過要求調(diào)節(jié)軌道平順性，列車限速80 km/h通行。

2.2 發(fā)展方向

1）高性能應(yīng)急搶修材料

由于高速鐵路呈條帶狀且露天服役，無砟軌道應(yīng)急搶修材料應(yīng)具有高早強(qiáng)、大流態(tài)、低收縮、強(qiáng)黏結(jié)、高耐久特征［10-11］。目前常用的高速鐵路無砟軌道應(yīng)急搶修材料有聚合物水泥基材料、注漿修補(bǔ)材料、硅酮嵌縫材料，適用于無砟軌道混凝土缺損的修補(bǔ)、內(nèi)部裂縫的填充、伸縮縫修補(bǔ)等［12］，基本滿足我國大部分地區(qū)高速鐵路無砟軌道應(yīng)急搶修迫切需求。然而，由于我國高速鐵路跨越范圍廣，不同地區(qū)環(huán)境條件差異極大，天窗作業(yè)時間短，導(dǎo)致實(shí)際工程中仍存在修補(bǔ)材料適應(yīng)性差、工作性能不足、長期耐久性難以保證等問題。針對不同的無砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型，研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能好、長期耐久性能好的高速鐵路無砟軌道應(yīng)急搶修材料對于高速鐵路無砟軌道的應(yīng)急搶修至關(guān)重要。

2）高效率整治裝備

當(dāng)高速鐵路無砟軌道遭受突發(fā)災(zāi)害時，往往傷損較大，嚴(yán)重時甚至造成列車中斷運(yùn)行，需要盡快恢復(fù)運(yùn)行。整治裝備的可靠與安全會影響到應(yīng)急搶修效率，而目前應(yīng)急搶修以人力為主，研發(fā)適用于高速鐵路無砟軌道的大型機(jī)械化養(yǎng)護(hù)維修裝備是無砟軌道應(yīng)急搶修的迫切需求。

整治無砟軌道突發(fā)災(zāi)害傷損時，一般需要先清除原有傷損部位，目前無砟軌道混凝土破除仍以電鎬為主，勞動力需求大，施工效率低。軌道板、軌枕、道床板內(nèi)部鋼筋密集，采用繩鋸切割難以避免破壞內(nèi)部鋼筋。高壓水射流技術(shù)在巖石破碎方面應(yīng)用效果較好［13］。將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用于無砟軌道的應(yīng)急搶修，有望在不破壞鋼筋的前提下實(shí)現(xiàn)對傷損混凝土的破除，具有較好發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 結(jié)論及建議

1）高速鐵路無砟軌道突發(fā)災(zāi)害類型包括火災(zāi)、水害、地震、高溫、撞擊等，主要傷損形式是剝落、裂縫、上拱、離縫、鋼筋失效等，突發(fā)災(zāi)害對無砟軌道的平順性、高速列車運(yùn)行的舒適性與安全性提出嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

2）高速鐵路無砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急處置措施包括限速通行、軌道精調(diào)、天窗時間修補(bǔ)、軌道部件替換等。突發(fā)災(zāi)害發(fā)生時，應(yīng)根據(jù)突發(fā)災(zāi)害傷損等級確定相應(yīng)的應(yīng)急搶修措施。無砟軌道傷損程度高，難以快速搶修時，應(yīng)封閉線路進(jìn)行整治。

3）高速鐵路無砟軌道應(yīng)急搶修技術(shù)應(yīng)在搶修材料和整治裝備上進(jìn)行產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新與升級，研發(fā)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、工作性能好、長期耐久性能好的無砟軌道修補(bǔ)材料、無砟軌道突發(fā)災(zāi)害應(yīng)急搶修用大型機(jī)械化養(yǎng)護(hù)維修裝備是將來的發(fā)展方向。