高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术.docx

文章编号: 1003-1995( 2015) 01-0093-05高速铁路沉降无砟轨道结构注浆 整体抬升修复关键技术 郑新国，刘竞，李书明，谢永江，曾志，杨德军，翁智财，刘相会( 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京100081)摘要: 我国部分无砟轨道线路地基、路基的工后沉降量较大，超过扣件的可调整范围，导致线路平顺性无法修复，列车不得不限速行驶。针对这一难题，通过大量的室内缩尺试验、现场实尺模拟对沉降无砟轨 道结构注浆抬升用材料、装备和工艺等进行了系统研究。首次在实尺模型的基础上，结合破坏检查试 验，对抬升实施效果进行了全面验证，并结合工程实践，形成了无砟轨道结构整体注浆抬升成套技术。 该技术采用在级配碎石层注浆的方式，利用注浆压力及注浆材料膨胀力实现轨道结构的平稳抬升，能在 不影响线路正常运营的情况下，利用天窗时间对无砟轨道结构进行整体抬升，恢复沉降地段的线路平顺 性及扣件系统可调整量。与传统水泥基注浆技术相比，本技术具有施工设备小型轻便、物流简单、组织 灵活、精度可控、次生病害少等显著优点。本文从抬升原理、注浆材料、设备工装、施工工艺、技术特点及 其现场应用等方面对沉降无砟轨道结构整体注浆抬升关键技术进行了系统介绍，可为我国无砟轨道沉 降病害修复与整治提供借鉴。关键词: 无砟轨道 路基 沉降 修复 注浆 抬升中图分类号: U238; U213 2 + 44; U216 42文献标识码: ADOI: 10 3969 / j issn 1003-1995 2015 01 21建筑研究所通过大量的室内试验及现场实尺 模 拟 试验，对沉降区无砟轨道结构注浆抬升用材料、装备和工 艺等进行了系统研究，并结合工程实践，形成了无砟轨 道结构整体注浆抬升成套技术。该技术能在不影响线 路正常运营的情况下，利用天窗时间对无砟轨道结构 进行整体注浆抬升，从而恢复沉降地段的线路平顺性 及扣件系统可调整量。该技术已分别在包西线冒天山 隧道病害综合整治工程和大西客专永济北站无砟轨道 沉降修复工程中进行了成功应用。本文从抬升原理、注浆材料、设备工装、施工工艺 及其技术特点等方面对无砟轨道结构整体注浆抬升技 术进行了系统介绍，以期为我国高速铁路无砟轨道沉 降病害的修复整治提供借鉴。1概述无砟轨道以其良好的整体性和稳定性在高速铁路建设中备受青睐，是高速铁路最为重要的轨道结构形式。目前，我国已开通运营及在建的无砟轨道线路总 里程已突破 1 万 km。相比于有砟轨道，无砟轨道结构 仅能在扣件允许的调整范围内对轨道高程进行调整， 这就大大限制了无砟轨道结构的平顺性调整、恢复能 力。在我国，由于地质条件复杂等多方面原因，部分高 速铁路在投入运营后，地基、路基产生了不可控的工后 沉降，由此导致的线路不平顺问题是高速铁路运营过 程中面临的一大难题。目前局部地段沉降量已远超出 扣件允许调整量，只能采取限速的方式通过，严重影响 了高速铁路的正常运营1-3。为实现在天窗时间内有效解决超量沉降地段的无 砟轨道结构不平顺性问题，中国铁道科学研究院铁道2抬升原理对无砟轨道结构进行整体注浆抬升时，注浆材料通过专用注浆设备，在一定的注浆压力下，经注浆管注入到无砟轨道结构的级配碎石基床表层中，如图 1 所 示。通过注浆材料与注浆压力形成的液压传动效应及 注浆材料的膨胀力实现对轨道结构的抬升。其具体抬 升过程可分为两个阶段，即填充挤密阶段和抬升填充 阶段。收稿日期: 2014-09-16; 修回日期: 2014-10-25基金项目: 中国铁路总公司科技研究开发计划课题( 2013G008-D) ; 中国铁道科学研究院基金项目 ( 2011YJ84，2011YJ86 ) ; 上 海 铁 路局科研项目( HHKZ2013-01)作者简介: 郑新国( 1974 ) ，男，湖北天门人，副研究员，硕士。铁 道建 筑January，2015946) 体积稳定性好注浆材料结构体形成后，基本不产生体积收缩，且在达到其破坏荷载的 80% 前呈完全弹性体性质，在疲 劳荷载作用下，基本不产生残余变形。7) 耐久性好 高聚物注浆材料结构体具有较强的防水、抗冻、耐化学腐蚀性能，具有较好的耐久性。4注浆设备注浆设备主要由注浆机、发电机、空压机、注浆管等 小型设备组装而 成，如 图 2 所 示，总 重 量 不 足600 kg。该设 备 具 有 经 济、高 效、可 靠、实 用、操 作 简单、故障率低的特点，能满足天窗时间快速、安全施工的需要。图 1 注浆整体抬升( 单孔注浆) 原理示意在填充挤密阶段，注浆材料从注浆管口流出后，在一定范围内对既有空隙，如支承层与级配碎石间空隙 或级配碎石内部空隙，进行填充、挤密，此时，轨道结构 不被抬升。在抬升填充阶段，注入的浆体与注浆压力形成液 压传动效应，同时，注入浆体在固化形成结构体的过程 中发生体积膨胀形成一定的膨胀力，在两者的共同作 用下，轨道结构得以持续、平稳地抬升。3注浆材料采用的注浆材料是一种双组分化学注浆材料，其经过机械混合后，迅速发生凝胶化学反应，在较短时间内形成固结 硬 化 体，并 可 根 据 需要调整体积膨胀量。相比其他注浆材料而言，该材料具有以下特点4-7:1) 施工环境适应性强注 浆材料是一种非水反应类材料，当 环 境 温 度 5 时，其在空气、水中均能很好进行固化反应，具 有较强的施工环境适应性。2) 渗透扩散能力强，填充性好 在适当的注浆工艺下，其扩散直径可达 5 m 以上，且自由膨胀比可达 20 1，填充能力强。同 时，上 部 结 构的反压作用对填充范围的下部结构体具有挤密、压 实效果。3) 充盈范围可控制注浆材料混合后，在较短时间内发生液态向塑态、固态的转变。因此，通过控制相转变时间，可实现充填 范围灵活调整，不需要设立帷幕来防止浆体外溢。4) 密度小、重量轻，不增加结构荷载图 2 注浆整体抬升用主要设备工装5无砟轨道结构整体注浆抬升工艺施工流程( 图 3)1) 施工 准 备。 应结合施工量准备充足的原材 料，并对原材料进行检验，确保原材料的质量; 由于原材料为高分子化学材料，在储存时需要密封并且避免 阳光直射。主要施工设备及材料应运至指定地点。对所有人员的分工进行再次确认，明确职责。测 量人员在需要修复的地段选取高程观测基准点，并完 成待修复线路左右股轨面的高程数据采集工作。应 制定注浆抬升施工过程中各种记录表格，做好全过程 的数据记录准备工作。2) 注浆 孔 位 置 标 定。应根据无砟轨道 结 构 钢 筋 布置图，确定钢筋的位置，再进行注浆孔布置。注浆孔 布置时应尽量避开钢筋，轨道、扣件、承轨台、应答器、 轨道电路等设施所在位置尽量不布注浆孔。3) 钻孔。采用电钻进行钻孔，钻头直径不宜大于30 mm，钻孔后采用特制的木塞对孔进行临时封堵，防止雨水进入轨道结构。4) 安装注浆管。将注浆管塞入相应的注浆孔中，注 浆材料形成的结构体密度一般在 100300 kg / m3 ，远小于水的密度，基本不增加结构荷载。5) 凝结硬化快、强度发展快注浆材料 15 min 可达到设计强度的 90% 以上，完全满足行车所需的强度要求，因此，在轨道结构抬升后可及时恢复运营。2015 年第 1 期郑新国等: 高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术95表 1本文技术与水泥基材料注浆技术优缺点对比项目本文技术水泥基注浆技术15 min 可 达 到 设 计强度 90% 以上24 h 可 达 到 设 计 强度 30%注浆材料注浆设备施工工艺 物流组织小型、轻便简单 物流量小、组织灵活庞大、复杂复杂 物流量大、组织繁琐最大抬升量有限，且不可控最大抬升量最大可达 10 cm 以上精度难控制，且易造成线路偏移精确可控， 2 mm抬升量控制对轨道结构的影响小大附加荷载对地基的影响小大工程应用7该技术分别在包西线冒天山隧道病害综合整治工程和大西客专永济北站无砟轨道沉降修复工程中进行 了成功应用。1) 包西线冒天山隧道病害综合整治工程包西线( 下 行) 冒 天 山 隧 道 位于陕西省延安市子 长 县 境 内，全 长 14. 945 km，起 止 里 程 为 DK435+图 3无砟轨道结构整体注浆抬升流程122. 10DK450 + 067。隧道内轨道结构为双块式 无砟轨道结构，从上至下依次由钢轨、扣件、道床板、找平层、仰拱填充层、仰拱等构成。其中，道床板宽 2. 8 m、厚 300 mm，为 C40 现浇钢筋混凝土结构，道 床 板 每6. 25 m 设置一道横向贯穿伸缩缝，宽20 mm。包西线2010 年开通运营后，该隧道由于地基水患问题导致其60 m 长无砟轨道有 3 块道床板出现不均匀沉降，最大并拧紧，以备注浆使用。5) 注浆抬升与监控作业。待注浆设备工作正常、 注浆材料性能稳定后，按设定的注浆顺序、注浆节奏进 行注浆抬升施工。注浆过程中，采用电子水准仪对左 右轨道高程变化情况进行实时监测，采用全站仪对线 路中线偏移情况进行实时监测，直至抬升高度达到目 标抬升量后停止注浆。6) 拆除注浆管。在注浆完成后，应用专用的拔管 设备将注浆管从注浆孔中拔出。7) 注浆孔封堵。当轨道结构抬升到设计高程后，采用高强度无收缩灌浆料及时封堵注浆孔。沉降 量 为 50 mm，相邻道床板高程差最大近 30mm( 图 4) ，严重影响了行车安全。为了恢复线路的 平 顺性，工务部门采用了增加扣件系统垫板厚度的方法对轨道线路进行调整( 图 5) 。由于采用此种方法调高轨 道后轨道稳定性变差，在运营期间对列车限速80 km / h。6技术优势与传统水泥基注浆技术相 比8-9，本 文 所 介 绍 的技术具有施工设备小型轻便、物流简单、组织灵活、精度可控、次 生 病 害 少 等 优 点。同 时，对路基不产生破 坏，且基本不增加附加荷载，规避了由于附加荷载导致 的路基进一步变形的风险，可实现天窗时间内对沉降 无砟轨道结构的快速修复，如表 1 所示。图 4 道床板间的错台现象铁 道建 筑January，201596抬升技术对永济北站沉降的无砟轨道进 行 修 复 ( 图8) 。修复后，线路平顺性得到明显改善。图 9 为各线 路注浆抬升前后高程对比。在随后进行的联调联试测 试过程中，该线路区段轨道结构的各项动力响应均无 异常。图 5 加厚的特殊垫板2013 年 11 月，采用整体注浆抬升技术对 冒 天 山隧道内道床板沉降病害进行了整治( 图 6) 。在注浆抬升过程中，通过合理设置注浆孔位置及调整材料性能，最终将沉降道床板抬升至设计高程，且保证相邻道床 板齐平，恢复了 WJ-7 型弹性分开式 扣件的标准垫板 厚度。整治后，该区段列车行驶速度恢复至设计行车 速度，达到了预期的修复效果，同时隧道水患问题也在 一定程度上得到了解决。现场钻芯取样检查( 图 7) 表 明，注浆材料在无砟轨道结构缝隙中填充饱满，注浆材 料结构致密、强度较高。图 8 大西客专永济北站无砟轨道注浆抬升图 9 永济北站各线路注浆抬升前后高程对比8结语本文所介绍的无砟轨道整体注浆抬升技术具有修复速度快、效果好、施工相对简单，适用于天窗点施工，对既有线路结构基本不造成破坏等特点，是目前在不 影响轨道结构受力及行车安全的情况下，对沉降区无 砟轨道修复整治的一种快速简易、切实有效的方法，在 已开通运营的既有线无砟轨道沉降修复领域应用前景 广阔。采用本技术进行无砟轨道整体注浆抬升时，除了 施工过程的精细操作、严格监控、精心把控外，应根据不同的无砟轨道型式( CTS、CTS型板式无砟轨 道，双块式无 砟 轨 道，道岔区无砟轨道等) ，采 用 与 之匹配的注浆材料及其工艺参数，以保证修复整治效果。图 6 冒天山隧道内无砟轨道注浆抬升修复现场图 7 现场钻芯取样检查2) 大西客专永济北站无砟轨道沉降修复工程大西客运专线永济北站位于山西省运城市境内，站内线路设计为 4 股道。1，2 股道为正线，3，4 股道为 到发线。各线轨道均为 CTS型双块式无砟轨道结 构。线路建成后，由于路基的不均匀沉降，永济北站 1 4 线轨道在 80 m 长范围内均出现较大的不平顺性 问题，线路局部最大沉降量超过 50 mm。2014 年 3 月至 4 月，采用无砟轨道结构整体注浆参 考 文 献1张家海 CTS型板式无砟轨道抬升修复技术研究J 上海铁道科技，2013( 4) : 71-732易小明，张顶立，逄铁铮，等 房屋注浆抬升实践与监测分析J 岩土力学，2009( 12) : 3776-37823王涛，王鑫，吴绍利，等 我国板式无砟轨道的维修与部件更换研究J 铁道建筑，2014( 11) : 157-1602015 年第 1 期郑新国等: 高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术974石明生 高聚物注浆材料特性与堤坝定向劈裂注浆机理研究D 大连: 大连理工大学，20115边学成，程翀，王复明，等 高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后动力性能及长期耐久性的试验研 究J 岩 土 工 程 学报，2014，36( 3) : 562-5686张宝文 高速铁路软黏土地基压密注浆及劈裂注浆试验研究D 成都: 西南交通大学，20137苏进岩 双液注浆抬升技术在建筑结构纠倾处理中的应用J 城市建设理论研究，2013( 23) : 1-68牛草沣 无砟轨道道岔沉降区注胶抬升处理技术J 建材与装饰，2013( 40) : 158-1609唐智伟 注浆抬升机理与抬升效果预测 方 法 研 究D 北京: 北京交通大学，2006Key technologies of remedying settlement of high speed railway ballastlesstrack by lifting whole structure and jet-grouting under itZHENG Xinguo，LIU Jing，LI Shuming，XIE Yongjiang，ZENG Zhi，YANG Dejun，WENG Zhicai，LIU Xianghui( ailway Engineering esearch Institute，China Academy of ailway Sciences，Beijing 100081，China)Abstract: Subgrade settlem ent is found to be the m ajor defect for som e ballastless lines in C hina，as fasteningadjustm ent can no longer ensure the sm oothness of the line，w hich leads to the speed-lim it operation of the trainU nder such background，O ut indoor scaled test and in-situ full-scale m odeling w ere carried to study the m aterial，equipm ent and technique applied in the grouting of ballastless track T his ground-breaking study builds full-sizedm odel to sim ulate the situation and conducts destructive test，so as to exam ine the lifting effect of the groutingprocedure T hanks to such effort and the best practice accum ulated in previous projects，the w orkf low for overallgrouting of ballastless track is proposed，w here the grouting m ethod for graded crushed-stone layer is applied T heapproach is able to lift the track structure sm oothly to its previous level，as it takes use of the grouting pressureoccurred and the sw elling force of the grouting m aterial，and any m inor irregularity can be m ended in fasteningadjustm ent It needs to be noted that the reparation can be carried out w ithin the possessive interval for construction，in other w ords it does not disrupt the opera