鐵路有砟道床聚氨酯固化技術的發展及應用

王紅

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

鐵路有砟道床聚氨酯固化技術的發展及應用

王紅

(中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

道床彈性固化技術是解決有砟軌道穩定性差、養護維修工作量大，以及高速鐵路飛砟等問題的主要技術途徑。論文介紹了聚氨酯材料道砟粘結和固化道床技術的作用機理、發展歷史、試驗研究及應用現狀，分析了兩種道砟固化技術在我國高速和重載鐵路上的應用范圍、前景和發展方向。

有砟軌道 道砟粘結 固化道床 聚氨酯

鐵路有砟道床的固化，是在碎石道床滿足相關設計施工標準后灌注或噴灑固化材料，將散粒體道床固結成整體結構的過程。有砟道床的固化主要經歷了剛性固化和彈性固化兩個階段。剛性固化采用的是水泥砂漿材料，已逐步被無砟軌道替代;彈性固化主要采用瀝青、環氧樹脂和聚氨酯材料。

瀝青固化材料包括熱瀝青、乳化瀝青水泥砂漿或乳化瀝青橡膠水泥砂漿等，固化深度為軌枕底面下60 mm或全部道床，固化后道床上半部分或全部為整體，變形小，穩定性好，能防止雨水侵入，可以改善道床工作狀態，大幅度降低養護維修作業。但是，瀝青固化道床改變了有砟道床的基本功能，可維修性差，服役壽命短。

環氧樹脂材料的應用主要是防止道砟飛散，日本在東海道新干線開通運營后進行了試驗和應用，我國在秦沈客運專線進行了試驗。但由于環氧樹脂韌性和耐沖擊損傷能力差、易脆性破壞，實際應用很少［1］。

聚氨酯作為當今六大合成材料之一，其優異的物理力學性能、良好的環境適應性和耐久性，使其在各個領域都獲得廣泛的應用，也成為有砟道床固化的主要材料和發展方向。目前用于道砟粘結和固化的聚氨酯材料主要是由多異氰酸酯(A組分)與聚合物多元醇(B組分)通過共價鍵形成空間網絡結構，其A組分多由一種或多種單、雙(或)多異氰酸酯單體、聚合物和預聚體組合而成;B組分由一種或多種聚醚(酯)多元醇、催化劑、發泡劑、擴鏈劑、抗氧化劑、填料等構成。根據目標產品的性能要求，選擇不同的雙組分體系，經物理共混、擴鏈反應、凝膠(或)起泡、固化成型等過程，借助快速反應聚氨酯(PUR)體系、反應注射成型(RIM)法等，在道砟上或道砟間形成聚氨酯半硬質泡沫或聚氨酯彈性體材料，實現對道砟粘結和固化［2-4］。為此，論文不再對聚氨酯固化材料的發展情況進行介紹，主要對國內外有砟道床聚氨酯固化技術的發展及應用現狀進行分析，對其在我國鐵路中的應用前景提出建議。

1 道砟粘接技術

道砟粘結起始于道床的表面粘結，目的是將道床表面道砟粘結成一個整體，防止道砟飛散;隨后逐步發展成提高道床穩定性和剛度均勻過渡的結構粘結。

1.1 道砟粘結的作用機理及特點

如圖1所示，道砟粘結技術特別強調在道砟的表面和接觸點上進行粘結，而不是注入到道砟的空隙中。可以看出，道砟粘結的機理比較簡單，當道砟膠在道床內流動和滲透時，道床變成了由膠體網絡構成的大小不等的包裹體。包裹體既提高了道床的整體性能，使道床的抗變形能力、支承剛度和軌道縱橫向阻力均大大增加，又能夠通過包裹體內道砟顆粒和包裹體間的微調整，改變軌道力學特性。

圖1 道砟粘結機理

根據道砟粘結的機理，道砟粘結道床主要具有以下特點:

1)道砟粘結以后，軌枕底部、枕間及砟肩的道砟與軌枕粘結在一起，有利于增加道床的縱橫向阻力，減少道床變形，提高道床穩定性。

2)道砟粘結約束了碎石道砟的位移，增加了道床的整體性能，使道床剛度有所增加。利用這一特性，可以在剛度過渡區域通過調整道砟粘結厚度或道砟膠用量，實現剛度的均勻變化。

3)道砟粘結不影響道床的排水功能。

1.2 道砟粘結技術的試驗研究

聚氨酯材料在道砟粘結技術中的應用首先出現在英國。1999年英國Heriot-Watt大學提出三維粘結概念，2000年申請了XiTRACK相關專利技術，2005年獲得英國國家鐵路年度發明最高獎［5］。XiTRACK技術成功地將固化材料與固化結構結合起來，研發了5根軌枕范圍內固化道床的加速疲勞試驗裝置［6］，建立了三維有限元計算模型，并將其發展成為固化道床信息化施工平臺，能夠結合現場條件確定施工作業要求［7-9］。Heriot-Watt大學的試驗結果表明，道床在相同密實度下，粘結道床承受的破壞荷載與粘結材料用量呈二次多項式關系，說明粘結材料的用量有一個合理的范圍;粘結道床的垂向剛度、鋼軌傳遞到軌枕上的力、道床沉降、鋼軌彎矩與粘結材料用量和道床粘結厚度呈線性關系，粘結材料用量和粘結厚度越大，道床的垂向剛度和鋼軌傳遞到軌枕上的力越大，道床沉降和鋼軌彎矩則越小;道砟未粘結時在10萬次循環荷載作用下已發生沉降變形近50 mm，道砟粘結以后在50萬次循環作用后道床幾乎沒有發生沉降變形(圖2);采用道砟粘結技術后，道床振動加速度顯著降低(圖3)。

圖2 道砟粘結對道床沉降的影響

我國對聚氨酯道砟粘結技術開展的試驗結果表明［10］，在一定的道砟膠用量下，如果枕底、枕間及砟肩都噴灑道砟膠，道床縱向阻力可以提高8.5倍左右，橫向阻力可以提高17.4倍左右，卸載后5 min內可以恢復軌枕位移的90%左右，而沒有噴膠的道床軌枕位移2 mm后出現滑動，并且位移不可逆;道床支承剛度與豎向力線性相關，當豎向力為140 kN，支承剛度可以提高37.6%，卸載后5 min內軌枕位移可以恢復90%左右。可見，道砟粘結有利于減少殘余變形。大秦鐵路試驗研究表明［11］，道砟粘結以后，道床的下沉量比普通道床減少約90%，并使線路縱橫向阻力提高1.5～2.0倍，排水性能也得到了改善;鋼軌加速度降低5.2%～8.7%、軌枕加速度降低60%、道砟加速度降低30%，鋼軌、軌枕、道砟結合良好，剛度匹配均勻，改善了道床彈性和機車車輛、鋼軌、軌枕的工作條件，延長了道砟和鋼軌的使用壽命。

圖3 道砟粘結前后道床振動加速度

圖4 路隧有砟—無砟軌道過渡段道砟粘結對道床支承剛度的影響

我國對無砟—有砟軌道過渡段十分重視，對有砟道床進行粘結時一般分為3個區段，鄰近無砟軌道采用全斷面粘結，隨后依次為粘結2/3厚度及粘結1/3厚度。道砟粘結長度及粘結區內3個區段的劃分根據運輸條件確定。圖4為在山西中南部鐵路通道一隧道內無砟軌道—路基上有砟軌道過渡段進行的道砟粘結試驗測試結果［12］，無砟軌道為彈性支承塊式，列車軸重30 t，牽引質量1.2萬t，試驗速度100 km/h，過渡段長度20 m左右，3個區段長度相同。可以看出，膠結前散粒體道床的支承剛度60 kN/mm左右，膠結2 d后道床支承剛度明顯增大，4個月以后達到穩定，3種粘結厚度的道床支承剛度分別為散粒體道床的2.3倍、1.6倍和1.3倍，實現了無砟軌道到有砟軌道的分級過渡。圖5為過渡段內鋼軌垂向位移測試結果，在有砟軌道范圍內位移變化是均勻的，表明軌道的動態剛度過渡也是均勻的，有砟和無砟軌道的差異主要是由于其扣件剛度不同，以及無砟軌道彈性支承塊下的套靴剛度比較小。

圖5 過渡段內鋼軌垂向位移測試結果

1.3 道砟粘結技術的應用

英國研發了XiTRACK技術以后，在鐵路上進行了推廣應用［5-9，13-16］。2000年在其西海岸主線的一個道岔區進行了道砟粘結，到2010年還沒有進行過維修，而粘結之前每隔3個月就要維修一次。2004年，在Purfleet深水碼頭的一個道口，由于道床破壞可能導致脫軌，因此用兩層聚氨酯材料重新施工，在重載下線路穩定，有效地減小了振動。2009年，在東倫敦線路橋過渡段上使用，有效解決了由于軌道剛度不連續引起軌枕下道砟位移致使軌枕吊空的技術難題。同樣在西海岸主線，靠近Lancaster的Gravel Hole區段，由于常遇洪水，加上基礎較弱，列車通過軌道振動和鋼軌位移較大，因此限速運行，但是應用聚氨酯加強道床后，軌道變形和振動明顯減小，恢復到了設計速度值。

由于道砟粘結能夠保證道床的穩定，減少養護維修工作量，提高經濟效益，除英國外，在日本、法國、德國、意大利、匈牙利、克羅地亞等國獲得了廣泛的應用。其中，應用最多的是線路上的特殊區段，如需改善剛度均勻性的路橋、路隧、道岔前后的過渡段，提高道床穩定性的道岔區，防止橫向位移的小半徑曲線上，改善其穩定性和耐久性的膠結絕緣接頭下(圖6)［9］。在這些區段都能夠發揮道砟粘結技術的優勢。

我國道砟粘結技術在高速鐵路無砟軌道與有砟軌道過渡段得到全面應用，從無砟軌道結束端起，有砟軌道的道砟粘結長度一般為45 m，道砟粘結區段分成相同長度的3個區段:枕下、砟肩和軌枕盒內道砟全部粘結，枕下和砟肩道砟粘結，枕下道砟粘結［17-18］。

結構粘結技術首次在高速鐵路上的應用是在布魯塞爾—科隆高速鐵路線上比利時列日(Liege)附近Chenee橋的重建，橋分兩邊施工，先建一邊，保持另外一邊舊橋通車;先建的一邊建好通車后，再拆除一邊的舊橋進行建設。由于新橋、舊橋都存在一邊施工，一邊行車的情況，為解決列車通過時道床穩定問題，對道床進行了結構粘結，確保了行車安全。匈牙利在布達佩斯地鐵里進行了結構粘結，由于道床厚度只有5～8 cm，在小半徑曲線上如此薄的道床容易產生道砟移動和破碎，軌道幾何尺寸難以保持，車輛碰撞隧道壁情況時有發生，采用道砟粘結以后，提高了道床穩定性，上述問題得到很好解決。

圖6 結構粘結在特殊地段的應用

2 聚氨酯固化道床技術

2.1 固化道床作用機理及特點

如圖7所示，聚氨酯固化道床是在已經達到穩定的新鋪碎石道床內灌注聚氨酯材料，使其沿著碎石道床內的空隙滲入道床底部，在道床內產生化學反應，經發泡、膨脹后聚氨酯彈性材料擠滿碎石道砟之間的空隙所形成的膨化彈性固結整體道床結構［19］。

圖7 聚氨酯固化道床斷面形貌

可以看出，聚氨酯道床具有以下特點:

1)聚氨酯固化道床不再是散粒體結構，而是固結的整體結構。在列車沖擊、振動荷載作用下，不再有道砟顆粒之間的相對錯動及由此而引起的道床殘余變形，又因碎石顆粒之間的空隙被處于壓縮狀態的膨化聚氨酯所填充，起到部分傳力的作用，減小了碎石顆粒接觸點(面)上的應力，延緩了道砟顆粒的破碎和粉化，從而減少了道床的累積變形。

2)聚氨酯固化道床中擠入道砟顆粒之間的聚氨酯具有彈性，使道砟顆粒之間的聯結為柔性聯結，因此，聚氨酯固化道床的內部結構可以沿聚氨酯擠壓層撕開，而不會造成道砟顆粒的破壞，能夠保證聚氨酯固化道床在列車荷載作用下具有良好的彈性。

3)聚氨酯道床和軌枕之間的協調工作狀態和碎石道床類似，軌枕和道床之間不是一種完全固結的關系。利用道床的彈性，既可以防止軌底和道床頂面之間的夯拍，又能夠在枕底和道床頂面之間填塞或灌注墊層使軌面抬高，進行類似于有砟軌道上的墊砟或吹砟起道作業，因而有較方便的維修條件，滿足道床的可維修要求。

2.2 聚氨酯固化道床的試驗研究

聚氨酯固化道床在國內外均處于試驗研究階段，2007年至今德國和中國共計鋪設10個試驗段6 350 m，其中中國從2009年開始，共鋪設6個試驗段，總長度達到3 595 m，包括武漢天興洲特大橋225 m、江岸特大橋128 m、鐵科院環行道120 m、龍廈鐵路程溪特大橋1 322 m、山西中南部鐵路通道跨長晉高速公路特大橋700 m和南嶺山隧道1 100 m，取得了全面系統的成果［12］。

從技術和經濟性兩個方面考慮，在軌枕承軌臺下一定范圍內進行道床固化是合理的，理論分析和現場試驗結果表明［20］，承軌臺下固化道床頂面最小寬度應不小于850 mm，固化深度宜與道床厚度一致。

現場實測結果表明［12，19］，與散粒體道床相比，橋上和隧道內固化道床軌枕支承剛度分別降低31%和27%，橋上和隧道內固化道床的軌枕橫向阻力分別提高21%和59%。

圖8 輪軌力縱向分配

固化道床和散粒體道床輪軌力沿線路縱向的分配如圖8所示［12］，其中固化道床承受輪軌力的軌枕有6根，散粒體道床只有4根。說明固化道床由于沿線路方向形成了整體結構，與散粒體道床相比，應力擴散角增大，致使固化道床分配距離更遠，縱向分配更加均勻，從而使鋼軌支點壓力降低20%左右，使受力更加合理。

固化道床累積變形規律與碎石道床相似，在循環荷載作用的初期，累積變形迅速增加，然后趨于穩定，表明固化道床也要經歷壓實及碎石道砟與聚氨酯材料的調整階段。固化道床的累積變形量很小，預測線路通過總重50億t時，固化道床累積變形只有21 mm［19］，通過扣件調整基本能夠滿足養護維修的需要。

2.3 聚氨酯道床固化技術在我國應用前景

客運高速、貨運重載是當今鐵路發展的方向。截至2014年底，我國高速鐵路運營里程已經超過16 000 km，居世界第一位。其中，鋪設有砟軌道近11 000 km，主要應用在250 km/h高速鐵路除6 km以上隧道外的所有線路上、300 km/h及以上高速鐵路的特大跨度橋梁和大型站場上。由于有砟軌道的道砟飛散和橋上有砟道床容易產生液化(道砟出現液體般流動現象)失穩，目前特大橋梁上有砟軌道區段運行速度不超過250 km/h。同時，采用有砟道床的道岔和鋼軌伸縮調節器區段道床的變形和鋼軌件的移動組合在一起，導致軌道幾何狀態維持困難，養護維修工作量大幅增加。

我國重載鐵路技術目前也處于世界領先水平，大秦鐵路2011年年運量已經達到4.4億t，位居世界第一。全長1 269 km的山西中南部鐵路通道于2014年底開通運營，全長1 817 km的蒙西至華中鐵路煤運通道于2012年底開工建設，具有線路長、隧道多(占25%以上)、軸重大(設計軸重30 t)的特點。由于重載鐵路以有砟軌道為主，隨著通過總重的增加，道砟破碎粉化嚴重，加劇了道床臟污，引起道床彈性降低甚至喪失、排水能力越來越差，從而導致軌道部件傷損、軌道幾何尺寸超限、道床板結與翻漿冒泥，養護維修量大幅增加。在重載鐵路隧道內，剛性基礎上道砟破碎粉化更加嚴重，粉塵、煤灰污染難以治理，道床惡化速率加快，不僅導致軌道結構傷損，而且會增大傳遞到隧道基底的荷載和振動，引起隧道的傷損。由于隧道內養護維修環境差，特別是我國先期修建的重載鐵路隧道面積不能滿足大型清篩機作業要求，道床保持良好狀態非常困難，已經嚴重影響重載運輸的效率和安全。

解決高速鐵路特大跨度橋上、道岔區、鋼軌伸縮調節器區段有砟軌道的穩定性、道砟飛散以及重載鐵路隧道內有砟軌道的臟污和彈性問題，最有效的技術途徑是道床固化。因此，聚氨酯道床固化技術在我國具有很好的發展前景。

目前聚氨酯固化道床技術發展的方向包括:

1)研究道砟粘結與膨化固結相結合的固化道床結構。充分利用道砟粘結道床的排水性能，無需專門對道床排水進行專門設計;發揮固化道床能夠提高道床彈性的性能。

2)研發與聚氨酯固化道床技術相配套的扣件系統。當道砟粘結技術用于無砟—有砟軌道過渡段時，由于無砟軌道扣件彈性比有砟軌道好，在無砟與有砟軌道交界處容易出現剛度的突變，應研發用于有砟軌道道砟粘結區域的扣件系統，實現過渡段剛度的均勻分布。

3)研發低膨脹及受道砟清潔度、溫度、濕度影響小的聚氨酯固化材料。通過降低聚氨酯材料的膨脹力，減少施工對軌道平順性的影響，取消保壓措施;研發多適應性聚氨酯材料，降低對道砟清潔度要求，取消烘干措施。

4)研發烘干、澆注工序分開且輕便的單元式施工設備。目前聚氨酯固化道床施工設備需要在7輛平車上裝載，在運營線路上施工效率低、制約因素多。可將烘干和澆注工序分開，研究單元式施工設備，實現在天窗點內高效率作業。

5)研究簡單可行且經濟的養護維修技術。由于道砟粘結和固化道床的整體性，且缺乏養護維修的經驗，需要針對動態靜態變化和突發情況，研究相應的養護維修方法。

3 結語

聚氨酯道砟粘結技術和固化道床技術均具有提高道床縱橫向阻力和穩定性、減少道床累積變形的優點，又各具一定的優勢和適用范圍。其中，道砟粘結不影響道床的排水，施工設備和工藝簡單，可應用于過渡段、平交道口、道岔及鋼軌伸縮調節器區段等特殊區域;固化道床能夠改善道床彈性，其整體結構有利于防止污染物侵入，可重點應用于高速鐵路橋梁和道岔、鋼軌伸縮調節器區段及重載鐵路隧道內。由于兩種技術受聚氨酯材料性能的影響較大，且在我國應用時間不長，因此，需要在材料研究和兩種技術的融合上進一步深化，并結合試驗段，開展長期觀測，掌握其性能變化規律，為優化固化材料性能和養護維修提供依據。

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Development and application of polyurethane solidified technology used for railway ballast bed

WANG Hong
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Elastic curing technology for ballast bed is the main technical approach for solving poor stability and large maintenance and repair workload of ballasted track．T his paper introduced mechanism，development history，experiment and applications of Polyurethane ballast bonding and curing ballast bed technology and analyzed the application scope，prospect and development direction of two kinds of ballast bonding technology in Chinese high speed and heavy haul railway．

Ballasted track;Ballast bonding;Curing ballast bed;Polyurethane

U213.7

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．35

1003-1995(2015)04-0135-06

(責任審編葛全紅)

2015-02-10;

2015-03-20

鐵道部科技研究開發計劃項目(2014G002-H)

王紅(1968—)，女，遼寧沈陽人，副研究員。