無砟軌道高速鐵路沉降整治技術(shù)探索及案例分析

無砟軌道高速鐵路沉降整治技術(shù)探索及案例分析北京高鐵工務(wù)段王亞寧2013年10月目錄一、前言二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)五、扣件調(diào)整法整治無砟軌道下沉技術(shù)六、結(jié)論一、前言

高速鐵路沉降問題一直以來是影響高速鐵路行車平順性、舒適度、安全性的重大問題，如何有效的處置高速鐵路沉降病害是工程建設(shè)單位和設(shè)備維護(hù)單位關(guān)注的重點(diǎn)，尤其是無砟軌道高速鐵路，由于軌道結(jié)構(gòu)的限制，在沉降整治工作上成為難點(diǎn)和焦點(diǎn)問題。

根據(jù)無砟軌道高速鐵路沉降病害的現(xiàn)實(shí)狀況，分析研究國內(nèi)外的整治經(jīng)驗(yàn)，以我國已開通運(yùn)營的無砟軌道高速鐵路沉降整治為依托，總結(jié)提煉目前處置無砟軌道沉降病害的可行性方案，并對(duì)已經(jīng)實(shí)施的沉降整治案例進(jìn)行分析，初步摸索出無砟軌道沉降整治措施。二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)

我國高速鐵路無砟軌道運(yùn)營中，由于區(qū)域沉降，地下采水、采礦，在高鐵周邊施工開挖基坑或堆載，原高鐵施工預(yù)壓期短，周邊環(huán)境變化等因素的影響，部分無砟軌道局部地段出現(xiàn)不同程度的下沉現(xiàn)象，致使軌面局部不平順。路基地段造成級(jí)配碎石層與支承層間產(chǎn)生脫空，軌道板與路基面封閉層間離縫，橋梁地段造成橋墩的不均勻下沉。當(dāng)無砟軌道沉降量較小時(shí)，普遍采用軌下墊板的扣件調(diào)整方案來滿足線路的平順性。當(dāng)沉降量較大超過扣件的調(diào)整能力時(shí)，將會(huì)影響到列車的舒適度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響到列車運(yùn)行的安全。為此，必須在扣件調(diào)整能力達(dá)到極限前采取可靠的無砟軌道抬升措施，保證無砟軌道線路的平順性。經(jīng)廣泛了解，目前國內(nèi)外采取的無砟軌道抬升技術(shù)主要有：二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)

新建未運(yùn)營的高鐵無砟軌道沉陷，通常采取在軌道板與支承層之間灌漿或灌注混凝土抬升。即先將軌道扣件打開并打起鋼軌和軌道板，使軌道板與支承層分離，然后在支承層上灌漿或灌注混凝土，待灌注層達(dá)到強(qiáng)度后，恢復(fù)線路但該施工方案對(duì)軌道板與鋼軌均進(jìn)行大變形擾動(dòng)，涉及到設(shè)備進(jìn)出場、場內(nèi)轉(zhuǎn)移，操作效率較低，環(huán)節(jié)較多、工序復(fù)雜，完成最小單元的抬升施工需要10h以上的天窗時(shí)間，在運(yùn)營線上施工難度大。如下圖所示。

二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)采用木墩支承鋼軌采用木墩支承軌道板二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)

滬杭客專某路基段CRTSⅡ型無砟軌道局部發(fā)生沉降，曾采用在地基內(nèi)高壓注入水泥漿的方式加固地基，并對(duì)無砟軌道產(chǎn)生一定量的抬升，但在施工后不久便產(chǎn)生較大的沉降，該方案目前尚不成熟。廣珠城際某路基段CRTSⅠ型無砟軌道局部發(fā)生沉降，采用在軌道板下墊樹脂砂漿墊塊抬升軌道，線下試驗(yàn)已完成，目前尚未在線上實(shí)施。二、國內(nèi)外無砟軌道下沉修復(fù)技術(shù)

工務(wù)部門在運(yùn)營維護(hù)過程中不斷總結(jié)，并研究應(yīng)對(duì)線路不均勻沉降的方法，目前已經(jīng)實(shí)施且效果較好的整治方法有路基注漿抬升、扣件調(diào)整、橋梁抬升三種方法，上述方法已經(jīng)在運(yùn)營高速鐵路進(jìn)行實(shí)施，通過后期觀察效果良好。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)

注膠抬升無砟軌道路基下沉的主要原理是用專用高壓設(shè)備，在無砟軌道支承層下注入4.75#A、B雙組份高強(qiáng)發(fā)泡樹脂材料，材料快速反應(yīng)固化后，使軌道抬升到設(shè)計(jì)高度。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(一)技術(shù)方案1．注膠設(shè)備注膠設(shè)備主要由注膠主機(jī)、恒溫管、輸料泵、注膠槍等組成。注膠主機(jī)可定比例輸出雙組分材料，能提供達(dá)13.78MPa的注膠壓力來保證注膠材料的輸送距離（最長可達(dá)120米）和密實(shí)抬升下沉的路基；能靈活設(shè)定雙組分材料和恒溫管的加熱溫度且具備完善的過溫、過壓保護(hù)功能。注膠主機(jī)的高壓狀態(tài)下使抬升時(shí)板下空洞填充密實(shí)。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)注膠主機(jī)

注膠主機(jī)控制面板

在封閉的空間內(nèi)，雙組分材料反應(yīng)后充滿空間，形成致密的剛性固結(jié)體。在開放的空間，雙組分材料反應(yīng)后流動(dòng)并形成泡狀凝結(jié)體。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)2.注膠材料注膠材料采用雙組分的結(jié)構(gòu)型聚氨酯泡沫，具有固化反應(yīng)快、強(qiáng)度高、粘度小、耐久性強(qiáng)、安全環(huán)保、與土壤和混凝土粘接良好、能在潮濕環(huán)境正常工作并擠排掉積水的優(yōu)點(diǎn)。注膠材料膨脹后膨脹抬升能力足以抬起40m厚的混凝土板。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)3.注膠抬升流程軌道抬升注膠施工流程見下表。序號(hào)作業(yè)內(nèi)容1檢測注膠區(qū)段及其前后50米軌道幾何參數(shù)2制定抬升方案3鉆孔4準(zhǔn)備注膠設(shè)備管線保護(hù)5安裝注膠管初始測量6帷幕注膠實(shí)時(shí)監(jiān)測7抬升注膠實(shí)時(shí)監(jiān)測8拆除注膠管軌道幾何參數(shù)測量9線路精調(diào)三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)4.注膠孔布置注膠孔布設(shè)從兩個(gè)方面考慮，一方面考慮注膠抬升能力的需要，另一方面考慮線路上的設(shè)施分布與板內(nèi)鋼筋分布情況，具體如下：

(1)根據(jù)注膠材料的特性，注膠孔按梅花形布設(shè)，孔間距以1.0m左右為宜。

(2)軌道、扣件、承軌臺(tái)、應(yīng)答器、軌道電路所占位置不能進(jìn)行打孔。

(3)軌道板鋼筋所占位置不能打孔。

(4)可利用軌道板上三個(gè)CA砂漿灌漿孔。

(5)為減小對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的影響，軌道板、支承層盡量少打孔，除原有灌漿孔外，每塊軌道板上打孔數(shù)量不應(yīng)超過4個(gè)。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(6)控制打孔的直徑，最大孔徑不超過30mm。

(7)兩側(cè)預(yù)留精調(diào)注漿孔，在中間孔完成軌道主要抬升量后，通過兩側(cè)的精調(diào)孔調(diào)整到位，并控制軌道的水平姿態(tài)。橫斷面布置注膠孔圖三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)5.注膠一次抬升量計(jì)算在注膠抬升施工過程中，軌道板、底座板內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力的大小與一次最大抬升量有關(guān)，為避免在抬升過程中對(duì)軌道板產(chǎn)生損壞，需要進(jìn)行一次最大抬升量計(jì)算。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果表明，抬升施工時(shí)，找平層處于受壓狀態(tài)，壓應(yīng)力小于混凝土的抗壓強(qiáng)度；底座板只有一小部分處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力比較小，不會(huì)使其破壞；軌道板在抬升點(diǎn)處受拉，一次抬升量由軌道板內(nèi)的拉應(yīng)力控制，按C50混凝土軸心抗拉強(qiáng)度3.0Mpa估算，最大一次抬升量應(yīng)不大于22mm，初始抬升位置不應(yīng)布置在II型無砟軌道板的寬接縫附近。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)6.注膠抬升控制無砟軌道注膠抬升的關(guān)鍵是抬升量的精確控制，為保證無砟軌道的精確抬升需采取如下措施：一是采用間歇注膠工藝，逐步抬升軌道板，達(dá)到預(yù)定的抬升量；二是實(shí)時(shí)測量，實(shí)時(shí)測量包括注膠前的初始測量、注膠過程中的動(dòng)態(tài)測量、注膠抬升影響范圍內(nèi)的回測；三是預(yù)留材料反應(yīng)剩余膨脹量；四是預(yù)留注膠抬升孔間相互影響量；五是預(yù)留精調(diào)孔，通過精調(diào)孔注膠進(jìn)行二次調(diào)整。采用高精度測量儀器，并采取上述措施，無砟軌道注膠抬升的精度可控制到±1mm。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)7.運(yùn)營線注膠抬升相關(guān)要求無砟軌道注膠抬升施工需利用不少于180min的施工天窗進(jìn)行，施工期間線路需按不大于160km/h的速度限速運(yùn)行。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(二)工程實(shí)例

1.京津城際武清站CRTSII型板式無砟軌道路基下沉注膠抬升

2012年5月，對(duì)京津城際武清站下行K84+276—K84+336長度60m的CRTSII型板無砟軌道路基下沉段進(jìn)行了注膠抬升，此次最大抬升量10mm。具體施工情況如下：三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(1)注膠孔位布置注膠孔孔布置平面示意圖注膠孔孔布置平面示意圖三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(2)鉆孔鉆孔機(jī)具：鉆孔機(jī)械采用TE80-ATC電錘鉆，鉆頭直徑25毫米；鉆孔精度：孔間距±5mm，孔深±5mm，傾角1﹪；控制措施：用特制的邊孔傾斜角度控制架精確控制鉆孔角度。鉆孔成型后，用特制的軟式孔塞進(jìn)行臨時(shí)封堵。

(3)注膠抬升作業(yè)①注入管安裝將注膠管插入注膠孔內(nèi)，注膠管露出地面的高度為80～100mm，用扳手?jǐn)Q緊注入管一端的螺母，使注入管另一端的橡膠管膨脹卡住孔洞使其固定，然后在注膠管上安裝注膠嘴。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)②注膠抬升按先兩側(cè)邊孔帷幕注膠，后中心孔抬升注膠，再邊孔調(diào)姿注膠的原則進(jìn)行作業(yè)。邊孔帷幕注膠作業(yè)采用隔三孔注一孔、分兩次作業(yè)完成。中心孔注膠抬升作業(yè)采用間隔三孔進(jìn)行，剩余孔作為填充注膠孔。抬升預(yù)留量為1.5mm，每次抬升前要對(duì)抬升點(diǎn)高程進(jìn)行測量，抬升控制量為設(shè)計(jì)抬升量減去預(yù)留量、再減去前點(diǎn)抬升對(duì)本點(diǎn)的影響量。每天抬升起終點(diǎn)應(yīng)根據(jù)當(dāng)日能夠完成的作業(yè)量、抬升高度的影響范圍、抬升點(diǎn)與寬接縫的距離不小于2米的原則進(jìn)行布置，不得在寬接縫處直接抬升。注膠時(shí)，要進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，全面測量軌道的抬升速率、抬升量。根據(jù)測量情況，及時(shí)調(diào)節(jié)注膠量、注膠速度、注膠孔位置。實(shí)時(shí)測量包括注膠前的初始測量、注膠過程中的動(dòng)態(tài)測量、注膠抬升影響范圍內(nèi)的回測。通過注膠實(shí)時(shí)測量，來注膠抬升精度。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)2.津秦客專濱海北站板式無砟道岔路基下沉注膠抬升津秦客專濱海北站2號(hào)道岔為板式無砟軌道道岔，聯(lián)調(diào)聯(lián)試前2號(hào)道岔最大下沉量達(dá)25mm。2013年3月采用注膠抬升法對(duì)2號(hào)道岔導(dǎo)曲和轍叉部分DK68+916.5～DK68+952.7下沉段36.2m長的范圍進(jìn)行了注膠抬升。鑒于該處下沉量較大，根據(jù)抬升有限元計(jì)算，該處注膠抬升計(jì)劃分兩次進(jìn)行，抬升區(qū)域劃分如下圖所示。

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(1)注膠孔位布置板式無砟軌道道岔注膠孔，下圖為注膠孔位橫斷面示意圖。注膠孔位橫斷面示意圖三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)2．注膠抬升作業(yè)首先進(jìn)行邊孔帷幕注膠，帷幕注膠作業(yè)采用隔三孔注一孔、分三次完成作業(yè)。單孔帷幕注膠的道床抬升量以不超過0.5mm為原則，帷幕注膠作業(yè)的抬升量疊加控制在2mm以內(nèi)。中間孔注膠抬升作業(yè)，按劃定的抬升區(qū)域進(jìn)行，抬升孔間距控制在4～6m，橫向作業(yè)順序兩側(cè)對(duì)稱抬升進(jìn)行，剩余孔位作為調(diào)姿注膠孔或填充注膠孔。三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)2號(hào)道岔注膠抬升情況圖

三、注膠抬升無砟軌道路基下沉技術(shù)(三)注膠抬升效果檢驗(yàn)京津城際武清站下行K84+276—K84+336段在注膠抬升前，曾多次出現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏差超限，均為垂加偏差。注膠抬升整治后，經(jīng)過一年多的運(yùn)營，線路狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)動(dòng)態(tài)偏差超限情況。津秦客專濱海北站2號(hào)道岔在注膠抬升整治后，經(jīng)過近半年的時(shí)間，線路狀態(tài)穩(wěn)定。

四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)(一)技術(shù)方案近幾年橋梁調(diào)高逐步向支座本身調(diào)高發(fā)展。目前梁體的頂升方式主要有兩種：

(1)采用支座本身自帶油腔頂升，用臨時(shí)支撐加以輔助；

(2)采用液壓千斤頂頂升；兩種方式均需在梁底或墩頂加塞鋼墊板來實(shí)現(xiàn)調(diào)高。使用該工藝整治無砟軌道高速鐵路橋梁沉降的關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要有以下幾方面：四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)1．頂升對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響分析對(duì)于簡支梁來說，其受力明確，橋梁頂升并不改變其受力狀態(tài)，只是支點(diǎn)位置發(fā)生了變化。對(duì)于橋墩基礎(chǔ)來說，沒有附加荷載增加?；A(chǔ)沒有附加力，故此，橋墩基礎(chǔ)在頂梁過程中不會(huì)出現(xiàn)附加受力和附加沉降，橋梁結(jié)構(gòu)安全。2．抬升量計(jì)算根據(jù)墩身沉降測量數(shù)據(jù)、軌道平順性檢測數(shù)據(jù)，以軌道平順性指標(biāo)和軌道線形為目標(biāo)，計(jì)算每個(gè)橋墩的抬升量。四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)3.抬梁過程監(jiān)控抬梁施工過程中梁體頂升量不能一次抬升到位，需經(jīng)過幾個(gè)循環(huán)反復(fù)抬升。期間需對(duì)每個(gè)頂升循環(huán)的頂升量精確控制，同時(shí)對(duì)無砟軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，主要的技術(shù)要求有以下幾方面

(1)采用液壓控制系統(tǒng)，確保控制同步頂升。采用千分表準(zhǔn)確測量梁體頂升高度。

(2)頂升量控制頂升速率：每分鐘≤1mm的上升；頂升高度：每3mm為一個(gè)頂升循環(huán)（每頂升3mm需暫停頂升作業(yè)，進(jìn)行軌面實(shí)際抬高的觀測并做好記錄，進(jìn)行鋼軌、軌道板、底座板應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，分析梁部及軌道的安全性。確認(rèn)結(jié)構(gòu)安全后再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)）；落梁就位：每分鐘≤2mm的下落。

四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)(3)無砟軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)控抬梁期間，在32m簡支箱梁墩頂對(duì)應(yīng)的的軌道板、砂漿層和底座板上布置應(yīng)變自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。左右兩條線路均進(jìn)行測試,采用振弦式應(yīng)變計(jì)測試軌道結(jié)構(gòu)應(yīng)力。梁體相對(duì)豎向位移,采取在梁端布置豎向位移計(jì)，采用壓電式位移計(jì)測試。梁體與底座板間相對(duì)豎向位移，采取在簡支梁梁端與底座板布置豎向千分表測試。

(4)軌面高程監(jiān)控抬梁施工過程中，梁體頂升的同時(shí)利用電子水準(zhǔn)儀監(jiān)控梁體頂升點(diǎn)處軌道抬升量，防止梁體頂升量與軌道抬升量不一致。四、抬梁提升法整治橋梁下沉技術(shù)4.軌道檢測與軌道精調(diào)抬梁頂升完畢后立即對(duì)軌道平順性進(jìn)行檢測，按照開通后的運(yùn)行條件調(diào)整軌道狀態(tài)，滿足運(yùn)行速度技術(shù)指標(biāo)要求。京廣高鐵未通車前因地基的不均勻沉降，曾采用頂升梁體墊加整體型鋼板的方式進(jìn)行的調(diào)高解