我國板式無砟軌道的維修與部件更換研究

王 濤，王 鑫，吳紹利，李海燕，邵丕彥

(中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京 100081)

近年來，我國逐步成為世界上高速鐵路運營里程最多的國家。從已開通運營的高鐵線路現場調研看，我國無砟軌道總體使用情況良好，但由于列車荷載和自然環境因素的長期作用，軌道結構部件在服役期間局部出現軌道板裂紋、破損，高速道岔傷損，水泥乳化瀝青砂漿離縫、破損或碎裂，道床沉降超限等［1-8］。這些不僅影響美觀，而且存在安全隱患，因此，須對這些結構部件進行維修或更換。

本文針對CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式無砟軌道國內外維修現狀，分析了現有軌道部件維修或更換理論的不足，提出了研究方向，結合鋼軌、軌道板、道岔、砂漿充填層等軌道部件更換所需的材料、機具和工法，探討了快速更換技術。

1 軌道維修技術

國外主要作了結構部件維修方面的研究與應用。日本是最早建成高速鐵路并投入運營的國家，單元板式無砟軌道是其主要的結構形式。在下部結構變形至某一限度時可進行修補，是在板式軌道結構中采用CA砂漿的主要目的之一。CA砂漿的研發始于1965年，大范圍推廣應用始于1975年開通運營的山陽新干線西段，至今在新干線上鋪設長度達2 600 km。經過長期運營實踐經驗的積累，對單元板式無砟軌道病害的成因及發展機理做了較深入的研究，并針對充填層CA砂漿不同的病害提出了相應的修復標準及維護方法。

根據JR東日本公司對東北新干線近6 km板式軌道板下砂漿填充層傷損狀況的調查資料［9］，可區分為裂縫、剝離和碎裂三種傷損類型，如圖1所示。

圖1 砂漿傷損狀況

維護檢查時，按照缺損和離縫兩種情況對傷損程度分成了三級。A級:引起注意，記錄在案;B級:按計劃地修補;C級:迅速修補。針對缺損的維修方法包括采用樹脂進行的模板灌注法、采用樹脂砂漿的抹子填塞法和采用超早強砂漿法(必要時用玻璃布補強)等。針對砂漿與軌道板的離縫，采用的修補方法是樹脂灌注法，即先在軌道板板面注入口上插入漏斗，然后采用粘合性強、流動性好的液態樹脂進行灌注。

經過長期運營經驗的積累，日本除開發CA砂漿修補技術外，還對單元板式無砟軌道其他方面維修技術進行了較多研究，主要包括:①軌道板裂縫修補技術;②軌道板(或混凝土底座)缺損掉塊修復技術;③凸臺樹脂維修技術。

德國是世界上最早研究和發展縱連板式無砟軌道結構的國家，德國于1977年開始進行縱連板式無砟軌道研究，并于1999年在德國客貨混運的卡爾斯魯厄至海德堡之間建成了一段長735 m的博格板式無砟軌道直線試驗段。此后，又在德國胡蘇姆附近的哈特施德特建成了第二條長度為285 m的博格板式無砟軌道曲線示范段，在2006年開通運營的紐倫堡—英戈施塔特高速鐵路上鋪設了70 km博格板式無砟軌道。雖然德國的應用時間較短，但也有一定的維修經驗［9］，并對道床板混凝土受損、軌道結構層間連接失效以及整體變形等傷損提出了相應的修復技術。當基礎沉降造成軌道位置改變時，采用普通軌道扣件通常最多可將軌道高程調高50 mm。如果這種校正余量不能滿足實際需要，還可重新調整軌道板的高程。具體方法是先用索鋸將軌道板與灌漿層分離清除，之后抬起軌道板并精確定位、重新灌注砂漿。此方法可調高幾個厘米，但此方法是博格公司在其試驗基地進行的。

國內無砟軌道維修技術與板式無砟軌道建設發展歷程有關。早期主要針對容易傷損的CA砂漿充填層，最早于20世紀70年代進行了板式無砟軌道結構和CA砂漿的研究工作，并鋪設了兩個試驗段。2002年在秦沈客運專線狗河橋和雙河橋上分別采用國內研制的兩種水泥瀝青砂漿和進口的日本 CA砂漿［2］，2005年在遂渝線也進行了CRTSⅠ，CRTSⅡ型無砟軌道結構與充填層CA砂漿的試驗，通車后均出現了砂漿傷損現象。原鐵道部于2006年11月成立了“無砟軌道技術再創新”重大技術攻關組，開展了引進技術國產化以及自主技術再創新攻關，研究成果用于武漢綜合試驗段及嚴寒地區成高子站試驗段后，推廣應用于石太、滬寧、廣珠、京滬、哈大、滬杭、京石武等高速鐵路建設中，工程質量得到明顯提升［9］。

在進行無砟軌道技術研發的同時，板式軌道的維修技術研究也取得了成果。2010年部課題《水泥乳化瀝青砂漿病害綜合修補技術研究》順利完成，對無砟軌道水泥乳化瀝青砂漿填充層的邊角掉塊及離縫等傷損情況進行了分類，提出了傷損等級和評判標準，并研制出相應的修補材料，確定了修補施工工藝及設備。主要維修技術內容包括:①CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂漿離縫維修技術。研制了適合CRTSⅠ，CRTSⅡ型板不同剛度的樹脂灌注材料和施工機具。②CRTSⅠ，CRTSⅡ型板砂漿缺損維修技術。對CRTSⅠ型板砂漿缺損，采用樹脂與膠?；旌喜牧?，可以實現快速固化并提供合理的剛度。對CRTSⅡ型板砂漿缺損，采用彈性樹脂材料進行維修。③軌道板承軌臺修復技術。采用鉆孔植筋和快速固化樹脂進行維修。④凸臺樹脂維修技術。研制了快速固化的聚氨酯樹脂。上述維修方法在武廣、石太、滬寧、京津等多條線路上得到了應用，效果良好，并已納入了《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》［10-13］。

2 軌道部件更換

無砟軌道結構部件的維修與更換是兩個不同層次的軌道修復方式。維修在于保養軌道各組成部分，防止病害產生或進一步發展，以保持軌道幾何形位和軌面平順為主。部件更換則是使軌道質量恢復到初始標準或達到更高標準，屬于中修甚至大修范疇，兩者的綜合難易程度具有較大差異。

一般而言，國內外無砟軌道結構部件的維修或更換分三個階段。第一階段，當軌道變形較小時，可用鋼軌扣件進行調整;第二階段，軌道變形較大僅利用扣件難以調整時，可在軌道板與砂漿墊層之間灌注充填材料進行調整;第三階段，軌道變形顯著或因突發災害事件及其他原因導致無砟軌道部件失效，嚴重影響運營的情況，則需要更換軌道部件，進行徹底整治。

目前，國內外對無砟軌道結構維修的研究與應用主要集中在第二階段，我國也開展了諸多針對第二階段工況維修的研究與應用，如抬板注漿維修法［14］。此外，由于現場傷損形式多樣，針對不同維修工況的相關計算模型和理論分析工作缺乏系統深入的研究，如CRTSⅠ型軌道板抬高到什么程度時需要對凸臺進行加高或者更換處理。

第三階段的軌道部件更換，屬于無砟軌道大修技術研究范疇，是較前瞻性的儲備技術。我國無砟軌道通車里程長、環境跨度大，這是必須研究的重要課題，重點在于材料、設備和工法的研究。

2.1 軌道部件更換理論基礎與材料

無砟軌道最易傷損的薄弱結構是充填層，由于修理時間有限，搶修的充填層材料無法具備與新建鐵路相同的養護時間，對此，還需從理論上演算出搶修材料在首次通車時最低的力學性能要求，據此結果來研發適宜于部件更換搶修的充填層砂漿或樹脂等材料。

有研究認為無砟軌道部件更換宜采用替代現有支承方案的方法，待需要替換部位達到強度時再將替換支承取消而采用原有支承。Rheda2000無砟軌道更換方案即采用這種思路。這種思路可以保證材料有充分的硬化時間，但需要可靠的臨時支護方案，甚至需要在現有軌道旁邊再修一段軌道，造價較高且在橋梁和隧道地段無法實現。這種修復方案的設計和計算可以直接利用原有的軌道結構設計理論和計算方法。對于無砟軌道修復來說，僅部分材料產生破壞，軌道的主要支承條件并未發生根本改變，計算時僅考慮完好部分軌道的受力和變形對修復部分的影響，采用線彈性計算理論即可解決問題。針對保持原有支承條件的前提下進行局部更換，需要建立全新的理論模型和計算方法。與以往的無砟軌道修復計算方法不同的是，軌道的支承需要修復材料獨自完成，因此在建模時應考慮材料在達到強度指標最終硬化過程中的本構關系，需要建立考慮材料非線性的理論計算模型和計算方法。

2.2 軌道部件更換機具

無砟軌道維護的天窗時間短，對軌道部件的更換速度提出了較高要求。除各部門的協調組織要及時外，研發專業機具是實現軌道部件快速更換的關鍵。若主要采用人工則費時費力，如2013年10月某軌道板和底座板的更換，約160人連續花費10 d，在此之前還籌備和演練了將近7個月。因此，應根據現場無砟軌道實際情況，依托自動化程度高的專業機具，研究更換方案，經實際工程驗證后逐步推廣。

部件更換所需機具應包括分離充填層的切割裝置、軌道板快速定位裝置等。另外，還需進行此類專用切割機具的設計開發，以滿足我國無砟軌道部件的快速更換。

2.3 軌道部件更換工法

軌道部件更換速度與質量是運輸秩序與安全的重要保障，針對不同的部件，應采用不同的工藝與材料。在無砟軌道結構中，有長鋼軌、道岔、軌道板和充填層四種大部件，其更換較為復雜，而且，當前并沒有詳細工法，處于探索階段。

高速鐵路無砟軌道長軌更換施工，是軌道結構大修中的一項主要內容。文獻［15］介紹了240 min內的長軌更換施工，提出研發適宜無砟軌道的換軌大修作業機具，實現機械化施工，進一步探索高速鐵路運輸天窗條件下無砟軌道長軌更換施工技術。

軌道板更換工藝也較為復雜，包括松開扣件，軌道板運輸、精調，現場充填層快速搶修材料的制備、施工等，整個過程極為繁瑣。針對CRTSⅡ型軌道板更換，文獻［16］提出了兩種更換流程。一種切割鋼軌進行更換，另一種不切割鋼軌而是從側面推出軌道板進行更換，但CRTSⅠ型板由于凸臺限位，不能采用這種側面推出軌道板更換的方式，因此，對于板式無砟軌道板的更換還需根據機械開發、材料研發，結合具體更換條件進行工法研究。

我國高速鐵路使用的高速道岔主要型號為18#和42#，其道岔尖軌、基本軌最長超過50 m，轍叉最長達30 m，而且軌件重量也較普速道岔增加較多，道岔部件長度和重量的增加對其裝卸、運輸、更換造成了較大困難［17］。文獻［18］介紹了460 min內高速鐵路無砟軌道轍叉更換施工流程，但還需結合機具研發進一步探索天窗時間內無砟軌道大號碼道岔轍叉、尖軌更換施工技術。

砂漿充填層更換主要涉及搶修材料的可施工性、快硬性和耐久性，且其最終力學性能應與軌道結構匹配。此類特殊材料應結合實際進行專業研發。相關輔助工序也是充填層更換的重要環節，如舊充填層快速分離清除等，隨著相關專用成套設備的研發面世，快捷更換充填層砂漿成為可能。

無砟軌道部件更換后，所用搶修材料同與之相連的材料力學性能會存在差異，有可能造成軌道剛度不均勻。鑒于搶修材料在工作過程中還存在逐漸硬化的過程，為了分析部件更換后對無砟軌道整體性能和行車的影響，需要建立基于搶修材料非線性的理論計算模型，確定合理的搶修材料力學性能曲線，然后才能更好地指導無砟軌道部件更換與運輸組織，保證行車安全。

3 結語

CRTSⅠ和CRTSⅡ型板式無砟軌道在服役過程可能產生的傷損類型較多，宜根據軌道結構部件出現傷損的不同程度，分別采用維修和更換兩種不同的方式修復。在軌道維修技術方面，我國已采用了板式軌道局部破損的樹脂快速修補技術、道床沉降的抬板注漿維修技術等，多條客運專線維修試驗的軌檢數據證明其效果良好。在軌道部件更換技術方面，應總結形成我國軌道板、充填層和高速道岔的快速更換工法，充分發揮理論研究、材料研發、機械設計等領域的技術集成成果，提高我國無砟軌道技術體系的完整性與先進性。

［1］吳紹利，王鑫，吳智強，等．高速鐵路無砟軌道結構病害類型及快速維修方法［J］．中國鐵路，2013(1):42-44．

［2］中國鐵道科學研究院．秦沈客運專線CA砂漿墊層現狀調查及初步維修方案［R］．北京:鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2007．

［3］曾真．高速鐵路板式無砟軌道破損分析及工務修程修制研究［D］．成都:西南交通大學，2009．

［4］何川．CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿離縫的影響及維修指標研究［D］．成都:西南交通大學，2013．

［5］吳紹利，王鑫，吳智強，等．無砟軌道套管快速維修技術研究［J］．鐵道建筑，2011(10):107-109．

［6］滕德?。畤篮貐^CRTSⅠ型板式無砟軌道養護維修技術研究［J］．鐵道建筑，2013(8):127-130．

［7］吳紹利，吳智強，王鑫，等．板式無砟軌道軌道板與砂漿層離縫快速維修技術研究［J］．鐵道建筑，2012(3):115-117．

［8］姜子清，江成，王繼軍，等．CRTSⅡ型板式無砟軌道砂漿層傷損修復研究［J］．鐵道建筑，2013(1):118-122．

［9］中國鐵道科學研究院．高速鐵路板式無砟軌道充填層快速搶修技術研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2013．

［10］李欣．CRTSⅠ型板式軌道砂漿破損與維修標準研究［D］．成都:西南交通大學，2011．

［11］劉克飛．框架型板式軌道水泥乳化瀝青砂漿傷損及維修標準研究［D］．成都:西南交通大學，2013．

［12］陳東生，曲建軍，田新宇，等．中國高速鐵路工務維修管理體系探討［J］．鐵道建筑，2012(8):104-109．

［13］吳細水，劉丙強．《高速鐵路無砟軌道線路維修規則(試行)》主要內容及特點［J］．中國鐵路，2012(5):15-18．

［14］中國鐵道科學研究院．Ⅰ型板式無砟軌道沉降抬升注漿維修技術研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，2013．

［15］張杰，徐偉昌，王有能．高速鐵路無砟軌道長軌更換施工技術［J］．上海鐵道科技，2012(2):66-67．

［16］田衛東．高速鐵路CRTSⅡ型板式無砟軌道維修技術探索［J］．鐵道勘察，2013(3):79-81．

［17］王麗．京津城際高速鐵路北京南站18號道岔病害診斷及整修對策［J］．價值工程，2013(12):52-53．

［18］張杰，徐偉昌．高速鐵路無砟道岔轍叉更換施工技術［J］．上海鐵道科技，2012(1):78-80．