我国板式无砟轨道的维修与部件更换研究

2014-12-25吴绍利李海燕邵丕彦

铁道建筑 2014年11期

王涛，王鑫，吴绍利，李海燕，邵丕彦

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京 100081)

近年来，我国逐步成为世界上高速铁路运营里程最多的国家。从已开通运营的高铁线路现场调研看，我国无砟轨道总体使用情况良好，但由于列车荷载和自然环境因素的长期作用，轨道结构部件在服役期间局部出现轨道板裂纹、破损，高速道岔伤损，水泥乳化沥青砂浆离缝、破损或碎裂，道床沉降超限等［1-8］。这些不仅影响美观，而且存在安全隐患，因此，须对这些结构部件进行维修或更换。

本文针对CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式无砟轨道国内外维修现状，分析了现有轨道部件维修或更换理论的不足，提出了研究方向，结合钢轨、轨道板、道岔、砂浆充填层等轨道部件更换所需的材料、机具和工法，探讨了快速更换技术。

1 轨道维修技术

国外主要作了结构部件维修方面的研究与应用。日本是最早建成高速铁路并投入运营的国家，单元板式无砟轨道是其主要的结构形式。在下部结构变形至某一限度时可进行修补，是在板式轨道结构中采用CA砂浆的主要目的之一。CA砂浆的研发始于1965年，大范围推广应用始于1975年开通运营的山阳新干线西段，至今在新干线上铺设长度达2 600 km。经过长期运营实践经验的积累，对单元板式无砟轨道病害的成因及发展机理做了较深入的研究，并针对充填层CA砂浆不同的病害提出了相应的修复标准及维护方法。

根据JR东日本公司对东北新干线近6 km板式轨道板下砂浆填充层伤损状况的调查资料［9］，可区分为裂缝、剥离和碎裂三种伤损类型，如图1所示。

图1 砂浆伤损状况

维护检查时，按照缺损和离缝两种情况对伤损程度分成了三级。A级:引起注意，记录在案;B级:按计划地修补;C级:迅速修补。针对缺损的维修方法包括采用树脂进行的模板灌注法、采用树脂砂浆的抹子填塞法和采用超早强砂浆法(必要时用玻璃布补强)等。针对砂浆与轨道板的离缝，采用的修补方法是树脂灌注法，即先在轨道板板面注入口上插入漏斗，然后采用粘合性强、流动性好的液态树脂进行灌注。

经过长期运营经验的积累，日本除开发CA砂浆修补技术外，还对单元板式无砟轨道其他方面维修技术进行了较多研究，主要包括:①轨道板裂缝修补技术;②轨道板(或混凝土底座)缺损掉块修复技术;③凸台树脂维修技术。

德国是世界上最早研究和发展纵连板式无砟轨道结构的国家，德国于1977年开始进行纵连板式无砟轨道研究，并于1999年在德国客货混运的卡尔斯鲁厄至海德堡之间建成了一段长735 m的博格板式无砟轨道直线试验段。此后，又在德国胡苏姆附近的哈特施德特建成了第二条长度为285 m的博格板式无砟轨道曲线示范段，在2006年开通运营的纽伦堡—英戈施塔特高速铁路上铺设了70 km博格板式无砟轨道。虽然德国的应用时间较短，但也有一定的维修经验［9］，并对道床板混凝土受损、轨道结构层间连接失效以及整体变形等伤损提出了相应的修复技术。当基础沉降造成轨道位置改变时，采用普通轨道扣件通常最多可将轨道高程调高50 mm。如果这种校正余量不能满足实际需要，还可重新调整轨道板的高程。具体方法是先用索锯将轨道板与灌浆层分离清除，之后抬起轨道板并精确定位、重新灌注砂浆。此方法可调高几个厘米，但此方法是博格公司在其试验基地进行的。

国内无砟轨道维修技术与板式无砟轨道建设发展历程有关。早期主要针对容易伤损的CA砂浆充填层，最早于20世纪70年代进行了板式无砟轨道结构和CA砂浆的研究工作，并铺设了两个试验段。2002年在秦沈客运专线狗河桥和双河桥上分别采用国内研制的两种水泥沥青砂浆和进口的日本 CA砂浆［2］，2005年在遂渝线也进行了CRTSⅠ，CRTSⅡ型无砟轨道结构与充填层CA砂浆的试验，通车后均出现了砂浆伤损现象。原铁道部于2006年11月成立了“无砟轨道技术再创新”重大技术攻关组，开展了引进技术国产化以及自主技术再创新攻关，研究成果用于武汉综合试验段及严寒地区成高子站试验段后，推广应用于石太、沪宁、广珠、京沪、哈大、沪杭、京石武等高速铁路建设中，工程质量得到明显提升［9］。

在进行无砟轨道技术研发的同时，板式轨道的维修技术研究也取得了成果。2010年部课题《水泥乳化沥青砂浆病害综合修补技术研究》顺利完成，对无砟轨道水泥乳化沥青砂浆填充层的边角掉块及离缝等伤损情况进行了分类，提出了伤损等级和评判标准，并研制出相应的修补材料，确定了修补施工工艺及设备。主要维修技术内容包括:①CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂浆离缝维修技术。研制了适合CRTSⅠ，CRTSⅡ型板不同刚度的树脂灌注材料和施工机具。②CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂浆缺损维修技术。对CRTSⅠ型板砂浆缺损，采用树脂与胶粒混合材料，可以实现快速固化并提供合理的刚度。对CRTSⅡ型板砂浆缺损，采用弹性树脂材料进行维修。③轨道板承轨台修复技术。采用钻孔植筋和快速固化树脂进行维修。④凸台树脂维修技术。研制了快速固化的聚氨酯树脂。上述维修方法在武广、石太、沪宁、京津等多条线路上得到了应用，效果良好，并已纳入了《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》［10-13］。

2 轨道部件更换

无砟轨道结构部件的维修与更换是两个不同层次的轨道修复方式。维修在于保养轨道各组成部分，防止病害产生或进一步发展，以保持轨道几何形位和轨面平顺为主。部件更换则是使轨道质量恢复到初始标准或达到更高标准，属于中修甚至大修范畴，两者的综合难易程度具有较大差异。

一般而言，国内外无砟轨道结构部件的维修或更换分三个阶段。第一阶段，当轨道变形较小时，可用钢轨扣件进行调整;第二阶段，轨道变形较大仅利用扣件难以调整时，可在轨道板与砂浆垫层之间灌注充填材料进行调整;第三阶段，轨道变形显著或因突发灾害事件及其他原因导致无砟轨道部件失效，严重影响运营的情况，则需要更换轨道部件，进行彻底整治。

目前，国内外对无砟轨道结构维修的研究与应用主要集中在第二阶段，我国也开展了诸多针对第二阶段工况维修的研究与应用，如抬板注浆维修法［14］。此外，由于现场伤损形式多样，针对不同维修工况的相关计算模型和理论分析工作缺乏系统深入的研究，如CRTSⅠ型轨道板抬高到什么程度时需要对凸台进行加高或者更换处理。

第三阶段的轨道部件更换，属于无砟轨道大修技术研究范畴，是较前瞻性的储备技术。我国无砟轨道通车里程长、环境跨度大，这是必须研究的重要课题，重点在于材料、设备和工法的研究。

2.1 轨道部件更换理论基础与材料

无砟轨道最易伤损的薄弱结构是充填层，由于修理时间有限，抢修的充填层材料无法具备与新建铁路相同的养护时间，对此，还需从理论上演算出抢修材料在首次通车时最低的力学性能要求，据此结果来研发适宜于部件更换抢修的充填层砂浆或树脂等材料。

有研究认为无砟轨道部件更换宜采用替代现有支承方案的方法，待需要替换部位达到强度时再将替换支承取消而采用原有支承。Rheda2000无砟轨道更换方案即采用这种思路。这种思路可以保证材料有充分的硬化时间，但需要可靠的临时支护方案，甚至需要在现有轨道旁边再修一段轨道，造价较高且在桥梁和隧道地段无法实现。这种修复方案的设计和计算可以直接利用原有的轨道结构设计理论和计算方法。对于无砟轨道修复来说，仅部分材料产生破坏，轨道的主要支承条件并未发生根本改变，计算时仅考虑完好部分轨道的受力和变形对修复部分的影响，采用线弹性计算理论即可解决问题。针对保持原有支承条件的前提下进行局部更换，需要建立全新的理论模型和计算方法。与以往的无砟轨道修复计算方法不同的是，轨道的支承需要修复材料独自完成，因此在建模时应考虑材料在达到强度指标最终硬化过程中的本构关系，需要建立考虑材料非线性的理论计算模型和计算方法。

2.2 轨道部件更换机具

无砟轨道维护的天窗时间短，对轨道部件的更换速度提出了较高要求。除各部门的协调组织要及时外，研发专业机具是实现轨道部件快速更换的关键。若主要采用人工则费时费力，如2013年10月某轨道板和底座板的更换，约160人连续花费10 d，在此之前还筹备和演练了将近7个月。因此，应根据现场无砟轨道实际情况，依托自动化程度高的专业机具，研究更换方案，经实际工程验证后逐步推广。

部件更换所需机具应包括分离充填层的切割装置、轨道板快速定位装置等。另外，还需进行此类专用切割机具的设计开发，以满足我国无砟轨道部件的快速更换。

2.3 轨道部件更换工法

轨道部件更换速度与质量是运输秩序与安全的重要保障，针对不同的部件，应采用不同的工艺与材料。在无砟轨道结构中，有长钢轨、道岔、轨道板和充填层四种大部件，其更换较为复杂，而且，当前并没有详细工法，处于探索阶段。

高速铁路无砟轨道长轨更换施工，是轨道结构大修中的一项主要内容。文献［15］介绍了240 min内的长轨更换施工，提出研发适宜无砟轨道的换轨大修作业机具，实现机械化施工，进一步探索高速铁路运输天窗条件下无砟轨道长轨更换施工技术。

轨道板更换工艺也较为复杂，包括松开扣件，轨道板运输、精调，现场充填层快速抢修材料的制备、施工等，整个过程极为繁琐。针对CRTSⅡ型轨道板更换，文献［16］提出了两种更换流程。一种切割钢轨进行更换，另一种不切割钢轨而是从侧面推出轨道板进行更换，但CRTSⅠ型板由于凸台限位，不能采用这种侧面推出轨道板更换的方式，因此，对于板式无砟轨道板的更换还需根据机械开发、材料研发，结合具体更换条件进行工法研究。

我国高速铁路使用的高速道岔主要型号为18#和42#，其道岔尖轨、基本轨最长超过50 m，辙叉最长达30 m，而且轨件重量也较普速道岔增加较多，道岔部件长度和重量的增加对其装卸、运输、更换造成了较大困难［17］。文献［18］介绍了460 min内高速铁路无砟轨道辙叉更换施工流程，但还需结合机具研发进一步探索天窗时间内无砟轨道大号码道岔辙叉、尖轨更换施工技术。

砂浆充填层更换主要涉及抢修材料的可施工性、快硬性和耐久性，且其最终力学性能应与轨道结构匹配。此类特殊材料应结合实际进行专业研发。相关辅助工序也是充填层更换的重要环节，如旧充填层快速分离清除等，随着相关专用成套设备的研发面世，快捷更换充填层砂浆成为可能。

无砟轨道部件更换后，所用抢修材料同与之相连的材料力学性能会存在差异，有可能造成轨道刚度不均匀。鉴于抢修材料在工作过程中还存在逐渐硬化的过程，为了分析部件更换后对无砟轨道整体性能和行车的影响，需要建立基于抢修材料非线性的理论计算模型，确定合理的抢修材料力学性能曲线，然后才能更好地指导无砟轨道部件更换与运输组织，保证行车安全。

3 结语

CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式无砟轨道在服役过程可能产生的伤损类型较多，宜根据轨道结构部件出现伤损的不同程度，分别采用维修和更换两种不同的方式修复。在轨道维修技术方面，我国已采用了板式轨道局部破损的树脂快速修补技术、道床沉降的抬板注浆维修技术等，多条客运专线维修试验的轨检数据证明其效果良好。在轨道部件更换技术方面，应总结形成我国轨道板、充填层和高速道岔的快速更换工法，充分发挥理论研究、材料研发、机械设计等领域的技术集成成果，提高我国无砟轨道技术体系的完整性与先进性。

［1］吴绍利，王鑫，吴智强，等．高速铁路无砟轨道结构病害类型及快速维修方法［J］．中国铁路，2013(1):42-44．

［2］中国铁道科学研究院．秦沈客运专线CA砂浆垫层现状调查及初步维修方案［R］．北京:铁道科学研究院金属及化学研究所，2007．

［3］曾真．高速铁路板式无砟轨道破损分析及工务修程修制研究［D］．成都:西南交通大学，2009．

［4］何川．CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆离缝的影响及维修指标研究［D］．成都:西南交通大学，2013．

［5］吴绍利，王鑫，吴智强，等．无砟轨道套管快速维修技术研究［J］．铁道建筑，2011(10):107-109．

［6］滕德巍．严寒地区CRTSⅠ型板式无砟轨道养护维修技术研究［J］．铁道建筑，2013(8):127-130．

［7］吴绍利，吴智强，王鑫，等．板式无砟轨道轨道板与砂浆层离缝快速维修技术研究［J］．铁道建筑，2012(3):115-117．

［8］姜子清，江成，王继军，等．CRTSⅡ型板式无砟轨道砂浆层伤损修复研究［J］．铁道建筑，2013(1):118-122．

［9］中国铁道科学研究院．高速铁路板式无砟轨道充填层快速抢修技术研究［R］．北京:中国铁道科学研究院金属及化学研究所，2013．

［10］李欣．CRTSⅠ型板式轨道砂浆破损与维修标准研究［D］．成都:西南交通大学，2011．

［11］刘克飞．框架型板式轨道水泥乳化沥青砂浆伤损及维修标准研究［D］．成都:西南交通大学，2013．

［12］陈东生，曲建军，田新宇，等．中国高速铁路工务维修管理体系探讨［J］．铁道建筑，2012(8):104-109．