無砟軌道套管快速維修技術研究

吳紹利，王 鑫，吳智強，毛昆朋，陸方斌

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路的快速發展，扣件系統被大量應用于各種無砟軌道。作為扣件系統重要組成部分的預埋套管的主要作用:①定位扣件系統;②使道釘旋入并緊固，從而讓彈條緊扣鋼軌[1-2]。因此，如果預埋套管損壞，彈條就將無法緊扣鋼軌，扣件系統也就失去了它的意義。從目前調研情況來看，部分線路的預埋套管有零星損壞，主要是套管與道釘花絲。雖然由于數量少且不連續對行車尚未造成隱患，但預埋套管的維修與更換已經成為迫不及待需要解決的問題。

更換預埋套管，國內外都沒有行之有效的方法。根據我國高速鐵路的維修天窗點普遍在零點至凌晨4點的實際情況，并結合在其他領域已成功應用的預埋套管更換技術，本文作者提出了如下的工藝流程。

工藝中最難的是選擇合適的水鉆和錨固膠。水鉆鉆頭不能超過預埋尼龍套管太大，防止打到軌道板內的鋼筋，影響軌道板的力學結構，而錨固膠必須在4 h內達到抗拔力＞100 kN的技術要求。

圖1 更換套管工藝流程

1 水鉆選擇

我國高速鐵路無砟軌道扣件系統普遍選用WJ-7型扣件系統或WJ-8型扣件系統，兩種扣件系統的尼龍套管外徑大小分別為47 mm和38 mm。由于抗撥力達到100 kN時，錨固膠產生的剪切強度遠大于混凝土的抗拉強度(見表1和表2)，為使錨固膠的剪切力均勻施加到混凝土上，不致于傷損混凝土，故采用水鉆打圓孔。同時，考慮打孔越小，粘結面積越小，對錨固膠的要求越高的因素(見表1)。根據我國水鉆標準鉆頭，最為合適的是53 mm鉆頭和44 mm鉆頭，其對軌道板基本無損害。

表1 100 kN時圓孔外徑與錨固膠剪切強度的關系

表2 混凝土強度等級與軸向抗拉強度標準值的關系

2 錨固膠選擇

1)傳統水泥

水泥混凝土澆注維修預埋套管是在公路交通和建筑施工中較為成熟的材料之一，具有施工成本低，操作簡單，易于掌握等特點[3]。然而公路交通和建筑施工中的預埋套管一般受力較小，新舊混凝土間的結合力不需要很大，同時水泥混凝土養護需要7～28 d，且澆注后需要機器搗固，以使水泥混凝土密實;對于天窗點只有4 h的高鐵維修來說，很難在規定時間內使新修好的套管的抗拔力達到＞100 kN的要求。

2)硫磺錨固

硫磺錨固是鐵路既有線常用的錨固技術之一，材料為硫磺、普通硅酸鹽水泥、砂子和工業石蠟。其施工工藝一般為先倒入砂子加熱到100℃ ～120℃時，將水泥倒入加熱到130℃，最后加入硫磺和石蠟，繼續攪拌加熱到160℃，熔漿由稀變稠成液膠狀時，即可使用，使用時熔漿溫度不得低于140℃。硫磺錨固的主要優點是凝固硬化快，一旦硬化便充分發揮強度。已暴露的缺點是硫磺錨固在施工過程中產生大量腐蝕性極強的酸性氣體，對施工人員的身體造成傷害。其次，硫磺的液態與固態之間溫度范圍較窄，造成熱灌漿時間短，在嚴冬很難施工。對于高鐵扣件系統中的預埋套管維修來說，硫磺錨固還有兩個很難克服的缺點:①140℃～160℃的澆注溫度很有可能使尼龍套管變形，從而再次出現花絲等損壞現象;②硫磺錨固一般抗拔力只有60～80 kN，很難達到100 kN的技術要求。

3)環氧樹脂

環氧樹脂是一種重要的熱固性樹脂品種，以其具有優良的電絕緣性能、耐化學腐蝕性能、良好的化學穩定性和粘結性，被廣泛應用于航空、公路交通和建筑等領域[4]。環氧樹脂的主要優點:①力學性能高，內聚力強，分子結構致密;②粘結性能優異;③固化收縮率小，一般為1% ～2%。但是，環氧樹脂也有其極大的不足:①固化后材料偏脆，抗剝離、抗開裂、抗沖擊性能差，很難滿足扣件系統需經歷長久疲勞使用的要求;②對極性小的材料(如聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘結力小，即便先進行表面活性處理，對部分市售的環氧樹脂抗拔力測試也很難達到100 kN技術要求。

4)乙烯基聚酯樹脂

乙烯基聚酯樹脂，簡稱乙烯基樹脂，是含有不飽和雙鍵的特殊結構的不飽和聚酯樹脂，也是目前國外開發研究較快的新一代膠黏劑。其具有如下優點:①良好的力學性能和耐腐蝕性能，與標準型環氧樹脂相當;②粘結強度高，與傳統的環氧樹脂相比，其延伸率更高，粘結強度大大提高;③優異的動態載荷性能，具有更好的耐疲勞性能和耐沖擊性能;④固化時間穩定，受環境溫度影響小。最大的缺點是固化收縮略大，但可通過合適的填料彌補。

最終采用的TG系列無砟軌道維修材料，是一種預埋尼龍套管更換材料，為乙烯基樹脂，分為樹脂、固化劑和填料三組份。可操作時間為20 min，在內徑為53 mm情況下，50 min即可達到100 kN的技術要求(表3)，在10～100 kN間300萬次疲勞荷載后，抗拔力仍 ＞100 kN(表4)。

表3 澆注時間與抗拔力關系

表4 疲勞荷載次數與抗拔力關系

3 維修工藝

圖2是TG材料在無砟軌道上的應用實例，并現場測試其抗拔力，總計用時3 h，其中前三步用時1 h。具體維修過程如下:

1)松開受損預埋套管前后兩處扣件的道釘，并拆除受損預埋套管的扣件系統，露出尼龍套管;

2)用套管定位裝置定位尼龍套管，并標記在軌道板上;

3)根據扣件類型選擇鉆頭，取出受損尼龍套管;

4)吸出孔內殘水，并烘干;

5)根據材料說明，配制TG樹脂，并倒入孔內;

6)旋入尼龍套管，并根據軌道板標記重新定位;

7)25 min后，拆除定位裝置;

圖2 TG材料現場維修工藝流程

8)1 h后，測試抗拔力，并組裝扣件系統，恢復軌道結構。

4 結語

對于無砟軌道扣件系統中預埋尼龍套管的維修，國內外都沒有良好的方案。本文針對無砟軌道預埋套管的維修工藝進行了探討，提出了較為可行的維修方案，對方案中的鉆頭和錨固膠選取兩個難點進行了分析，并結合材料進行了實例試驗，效果良好。

[1]何華斌.無砟軌道技術[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[2]張科強，趙旭清.武廣鐵路客運專線雙塊式軌枕預制質量控制[J].鐵道建筑，2010(1):23-25.

[3]李世華.道路橋梁維修技術手冊[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.

[4]陳平.環氧樹脂[M].北京:化學工業出版社，2002.