聚氨酯在鐵路道砟粘結技術中的應用綜述

朱永見

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都　610031)

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聚氨酯在鐵路道砟粘結技術中的應用綜述

朱永見

(西南交通大學高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都610031)

有砟軌道在薄弱地段的維修工作頻繁、軌道幾何形位保持難度大。利用聚氨酯材料將散體道砟粘結起來，可增強軌道結構并延長維修周期。通過對國外處理有砟軌道薄弱地段的聚氨酯道砟粘結技術進行分類總結，并與國內進行對比分析。結論為：(1)歸納總結了聚氨酯道砟粘結技術在國內外應用的斷面粘結形式；(2)對比分析了聚氨酯道砟粘結技術在國內外新建鐵路有砟-無砟過渡段的應用情況，給出了建議的過渡段粘結形式；(3)既有線宜采用道砟膠固化道床，并根據病害的位置和路基排水功能，選擇影響維修的或不影響維修的斷面粘結形式。

聚氨酯；道砟粘結技術；既有鐵路；道砟膠

1　概況

有砟軌道具有彈性好、維修方便、造價低廉、施工速度快等優點，故在世界范圍內得到了廣泛應用。但在一些大機不易作業和需要頻繁維修才能保持軌道良好狀態的薄弱地段，有砟軌道表現出它的不適應性，如有砟-無砟接合部、受水嚴重侵害的軟弱路基地段、道岔區、平交道口和小半徑曲線地段等。把散粒體道砟用粘結材料粘結起來，即增強了軌道保持幾何形位的能力，又因減小了道砟和基床的受力而減少軌道的后期沉降，可大幅減少維修工作量。

該技術所采用的材料也有很多，如瀝青、環氧樹脂和聚氨酯等。瀝青道床對下部基礎排水要求高，且熱穩定性不好；環氧樹脂道床抗沖擊能力差，易產生脆裂；聚氨酯具有橡膠的彈性、韌性及塑料的高強度，是合成材料工業中比橡膠和塑料性能更為獨特的一種新型材料[1]，在國內外鐵路中被越來越多的用于道砟粘結技術。

按照粘結原理的不同，分為泡沫固化道床和道砟膠固化道床[2-3]。應用中至關重要的就是根據需要設計與之相應的斷面粘結形式。本文針對聚氨酯道砟粘結技術在國內外應用的斷面粘結形式進行分類總結，并與國內的應用情況進行對比分析，給出了有砟-無砟過渡段建議的斷面粘結形式，對既有線應用時斷面粘結形式的選擇進行了分析。

2　泡沫固化道床

泡沫固化道床把粘結區域的道砟孔隙完全填充，影響了道床的排水功能，故需配套使用排水墊[2]。目前，該技術主要在德國和中國有應用，應用的斷面粘結形式見圖1。粘結后的道床維修性差，故該軌道結構要求下部基礎穩定和施工后道床的累積變形小，并配套使用調整量大的扣件系統。

圖1　聚氨酯泡沫固化道床橫斷面[2]

3　道砟膠固化道床

道砟膠固化道床在道砟接觸的點、面及其周圍進行粘結，粘結材料僅占據道砟孔隙的22%～30%，故不影響道床的排水功能[3]。根據其使用目的，分為表層粘結和結構粘結。結構粘結根據其是否影響有砟軌道傳統的維修作業，分為影響維修的斷面粘結形式和不影響維修的斷面粘結形式。

3.1表層粘結

表層粘結是把道床的表層區域進行全部或部分粘結，其目的并非為了改善道床的力學特性[4]。故粘結的厚度較小，通常不大于10 cm，應用如防止飛砟、道床表層封閉以便于車站或軌道表面雜物的清理、一線施工或重建時臨線道床的加強和邊坡防護等。圖2為表層粘結的橫斷面示意圖。通過改變表層道砟的粘結區域滿足不同的要求。

圖2　道砟表面粘結

3.2影響維修的斷面粘結形式

結構粘結的目的是為了改善道床的力學特性，粘結厚度一般為10～25 cm。通過增強軌道保證幾何形位的能力和減少軌道的后期積累沉降來達到減少維修工作量的目的。如用于加強有砟-無砟過渡段接合部的薄弱區、提高小半徑曲線地段橫向位移的約束、提高接頭的穩定性和耐久性、提高軌道的承載能力等[3-4]。該技術因將軌枕與道砟粘結在一起，從而影響了有砟軌道的可維修性。因此，施工前須保證下部基礎的穩定性和軌道的幾何形位精調到位。

3.2.1有砟-無砟過渡段

在歐洲，主要是通過改變道床的斷面粘結形式來實現無砟向有砟道床剛度的分級均勻過渡。其研究認為過渡段直接造成列車動態特性增加的區域為接合部8～12 m區段，故設計時，分4段過渡，每段粘結4根軌枕。從無砟向有砟，通過改變粘結區域的深度和寬度來達到道床剛度均勻過渡的目的[4]，粘結橫斷面見圖3。第1段粘結的區域為1、2、3和4，第2段為區域2、3和4的部分寬度，第3段為區域2和3，第4段為減小粘結厚度的區域3。

圖3　國外道砟膠用于過渡段的橫斷面[4](單位：cm)

國內分3段進行過渡，從無砟向有砟，分別是全斷面粘結、部分斷面粘結和局部斷面粘結[3]，粘結長度每段均相同。根據鐵路運營速度的不同，粘結總長為20～45 m，通過改變道床的斷面粘結形式，達到從無砟向有砟道床剛度的分級均勻過渡。粘結的橫斷面見圖4。全斷面粘結的區域為1、2和3，部分斷面粘結的區域為1和3，局部斷面粘結的區域為1。

圖4　國內道砟膠用于過渡段的橫斷面

3.2.2限界問題

在匈牙利一個位于曲線地段的隧道內，道床厚度僅5～8 cm，因枕下道砟破碎和橫向約束不足而造成列車超出限界，同時伴隨著嚴重的高低和軌向問題。采用道砟粘結技術增強道床之后，解決了限界和幾何形位不良問題[4]，粘結的橫斷面見圖5。

圖5　道砟膠用于解決隧道的限界問題[4](單位：cm)

3.2.3平交道口

在克羅地亞的薩格勒布有一個位于工業區的平交道口，較多的重型貨車和鐵路貨運使得軌道變形加劇，原有鋪設的橡膠面板已不能滿足運能的需求，須采用混凝土面層板。混凝土面層板會增加道床承受的荷載，從而加速其變形速率，縮短軌道的維修周期。采用道砟粘結技術，將承受荷載較大的枕下道砟進行粘結，可提高道床的承載能力并減小沉降速率[4]，粘結的橫斷面見圖6。

圖6　道砟膠用于平交道口[1](單位：cm)

3.3不影響維修的斷面粘結形式

隨著列車速度和軸重的提高，因道床沉降和橫向約束不足帶來的維修問題越來越突出。為提高軌道的可使用性并延長維修周期，英國采用XITRACK技術對道砟進行三維加固。經過室內試驗和仿真分析，將其用于車站、隧道、道岔區、過渡段、橋上的鋼軌伸縮調節器、平交道口和軟弱路基等地段。該技術最大的特點就是不影響有砟軌道傳統的維修作業，包括起道、撥道、搗固和吹砟作業等，且固化速度快，10～15 s即可凝固，幾分鐘就可達到材料強度的50%，1 h就可達到材料強度的90%[6-8]。故該技術非常適用于既有線對工期要求緊張的地段。

3.3.1道岔區

列車通過橋梁地段的有砟軌道時，因橋梁撓曲振動，使道砟的振動加劇。隨著列車速度的提高，道砟的振動更加劇烈，甚至可導致道砟的液化。為減小橋梁地段道砟的振動，高速鐵路要求應采用彈性軌枕或鋪設砟下彈性墊層[5]。

采用XITRACK技術可減小道砟的振動。2008年英國將該技術應用于橋梁與路基連接地段的單開道岔區，斷面粘結形式見圖7。實踐證明，該技術可有效解決因道岔區較大的垂橫向力而引起的道床空洞和沉降問題，減少轉轍機處道床的病害，避免頻繁的維修作業[6-7]。

圖7　XITRACK技術用于道岔區(單位：cm)

3.3.2隧道地段的有砟-無砟過渡段

在地下水豐富的隧道地段，有砟軌道和無砟軌道均遭受水的侵害。這種病害在隧道出口處的有砟-無砟過渡地段更為嚴重，不僅造成接合部有砟側的翻漿冒泥和軌枕空吊，還造成接合部無砟軌道上層混凝土板的破裂和扣件失效[6]。在線路大修時，采用XITRACK技術對枕下部分進行處理，處理長度為12.1 m，粘結的橫斷面見圖8。通過無砟向有砟側設置過渡板的厚度變薄實現斷面粘結厚度的逐漸增加，粘結寬度為3.515 m；再通過減小斷面粘結寬度到2.620 m來與有砟地段實現更好的剛度銜接[6]。

圖8　XITRACK技術用于無砟-有砟過渡段

3.3.3鋼軌伸縮調節器

XITRACK技術應用于鋼軌伸縮調節器區，可解決因伸縮區輪軌垂橫向力過大而引起的道床空洞和沉降問題，提高軌道的安全性，減少維修工作量，其粘結斷面形式與道岔區類似。

3.3.4限界問題

列車通過車站或隧道時，需與車站站臺或隧道邊界保持一定的安全距離。安全距離的實現有3種方式：一是由設計的道床斷面來實現，為軟約束；二是對道床肩砟進行額外的堆高，為中等約束；三是不允許軌道有橫向位移，為強約束。采用XITRACK技術，可實現強約束，使軌道的橫向位移限制在1.5 mm以內。該技術已成功應用于英國的格羅夫山隧道(2007)和霍克頓站(2009)[7，10]，見圖9。通過粘結區域1、2、1和2來分別解決橫向、垂向、橫向和垂向的限界問題[10]。

圖9　XIRACK技術用于解決限界問題

3.3.5軟弱路基地段

瑞利波在軟弱路基地段的傳播速度較小，限制了高速列車的正常運行。采用加固路基或減小路基的振動均可使列車的速度恢復正常。加固路基的方法有換填土、水泥和灰土穩定、采用混凝土樁等，但這些處理方法均費時費錢；采用XITRACK技術把松散的道砟粘結起來，通過減小道砟的振動來減小路基的振動，從而使列車速度恢復正常[7]。

以位于英國西海岸線Gravel Hole的軟弱路基為例，采用XITRACK技術時的情況見圖10。該路基由軟弱黏土組成，且地下水位很高，列車通過時的位移超過8 mm，故將速度從200 km/h限速為125 km/h。采用XITRACK技術進行處理，處理的橫斷面見圖11。采用50 mm砂墊層+土工布+300 mm道砟粘結處理層+300 mm未處理層。處理后列車速度恢復到了200 km/h，對應的最大位移約4 mm，滿足行車安全性要求，且不影響線路的正常維修[7]。此外，英國針對常用的黏土路基地段的軌道結構形式，對采用XITRACK技術后的軌道沉降規律進行了室內疲勞試驗。結果表明，采用XITRACK可顯著改善路基的受力狀態，大大減少其塑性變形，從而大大減少軌道的后期累積沉降[11]。

圖10　英國Gravel Hole的軟弱路基[7]

圖11　軟弱路基處理的橫斷面

3.3.6橫向約束不足地段

道岔區和軟弱路基的曲線地段作用有較大的橫向力，軌道方向難以保持，需要頻繁的維修才能保持軌道良好的幾何狀態。采用XITRACK技術對肩砟進行處理，處理之前需先調整好軌道的幾何形位，軌道即可持久保持良好的軌向，且不影響軌道的起道維修[9]，粘結的橫斷面見圖12。

圖12　XITRACK技術用于肩砟加固(單位：cm)

3.3.7平交道口

2004年，英國Purfleet深水碼頭的一個擁有大量公路和鐵路貨車通過的平交道口，因路基軟弱和地下水位較高，軌道病害一直持續不斷。通過對各種處理方案的比選，最終選擇了XITRACK技術，設計的橫斷面見圖13。截止到2013年4月，該平交道口運營情況良好，粘結的區域還沒有進行過維修作業[12]。

圖13　XITRACK技術應用于平交道口(單位：cm)

4　對比分析

目前，在國內新建鐵路中，在一些橋隧地段試用了泡沫固化道床，應用形式與德國類似，這里不再作對比分析。

針對道砟膠對道床參數的影響，國內已做了一些室內和現場測試[13-14]，并在一些有砟-無砟過渡段試用了道砟膠固化道床，但其應用形式與國外差別較大，對此將作詳細分析。在防飛砟地段和既有線一些邊坡防護地段應用了表層粘結技術，與國外相比，國內在既有線應用很少，下文將對既有線應用道砟粘結技術時斷面粘結形式的選擇作詳細分析。

4.1有砟-無砟過渡段

由圖4知，國內應用于有砟-無砟過渡段的斷面粘結形式是影響維修的，但與國外相比又有所不同，主要表現在斷面粘結形式、粘結長度和分級數目。

4.1.1斷面粘結形式

對比圖3和圖4可知，斷面粘結形式在第一段類似，粘結的區域也最大。因有砟-無砟接合部地段的剛度差異和沉降差異最大，在這個區域進行最大程度的加強是合適的。國外在粘結第一段之后，枕底的道砟已不粘結，而主要是通過改變肩砟的粘結寬度和軌枕之間的粘結區域達到剛度的逐級過渡；國內主要是通過粘結肩砟及邊坡與否達到道床剛度的分級過渡。

4.1.2粘結長度和分級數目

國外分4段實現道床剛度的逐級過渡，每段4根軌枕，粘結總長約10 m。國內分3段實現道床剛度的逐級過渡，每段長度均相同。根據運營速度的不同，粘結長度為20～45 m。從設計的角度來說，國內在粘結長度方面考慮了列車速度的影響，具有一定的合理性，但粘結長度明顯高于國外，分級數目卻不如國外多。

4.1.3建議的有砟-無砟過渡段粘結形式

將枕下道砟粘結一定的厚度不僅提高了道床的剛度，還極大地減小了粘結區域及整個軌道結構的后期積累變形，在控制粘結區段的后期累積沉降方面是有利的，更易保證軌道的少維修性。但邊坡的粘結無論從功能上還是從后期累積變形的控制上，都是沒有必要的。此外，為與有砟軌道在剛度和沉降方面有較好的銜接，與有砟道床銜接處枕下粘結厚度應適當降低。

通過對比分析道砟膠固化道床在國內外新建鐵路的應用情況，結合XITRACK技術已做的室內疲勞試驗，給出國內應用于有砟-無砟過渡段建議的斷面粘結形式：普速鐵路分3段進行粘結，粘結的橫斷面見圖14，第1段粘結區域為1、2和3，第2段為1和3，第3段為減小粘結厚度的區域1；客專和高速鐵路分4段進行粘結，前兩段與普速相同，第3段為區域1，第4段為減小粘結厚度的區域1。

枕下粘結厚度應根據設計并結合施工時道床的狀態進行確定，道床密實性好的時候可適當減小粘結厚度，否則，應增大粘結厚度。參照鋪裝軌道的經驗[15]，為有效控制道床的后期累積沉降，粘結的最小厚度不宜低于15 cm。

關于過渡段的粘結長度，目前國內采用的顯得保守，應通過動態測試并結合動力學仿真進行確定。

圖14　建議的斷面粘結形式

4.2既有線斷面粘結形式的選擇

既有線采用道砟粘粘技術時，應從對道砟的要求、施工性、病害位置及排水功能等方面入手，選擇合適的粘結材料和相應的斷面粘結形式。

4.2.1對道砟的要求

泡沫固化道床對道砟的要求最高，國內均要求為特級材質和一級道砟級配[11]，故其主要適用于新建鐵路。道砟膠固化道床對道砟的要求相對較低，即使道床有些許臟污也影響不大，故其在新建鐵路和既有鐵路中均得到了大量應用。

4.2.2施工性

泡沫固化道床的施工工藝最為復雜，需要較多的大型設備配合并中斷運營；就道砟膠固化道床而言，影響維修的粘結形式的施工相對簡單，不需要移除鋼軌、軌枕等部件，施工時只需短時輪流封鎖單線，不用全部中斷交通，施工快捷；不影響維修的粘結形式的施工相對繁瑣，需先將粘結區域以上的道砟和軌道部件移除，當粘結區域的道砟臟污嚴重或排水不良時，還要進行換砟并對排水功能進行修復，故施工時需封鎖線路幾天，施工速度相對較慢。

4.2.3斷面粘結形式的選擇

綜合分析各道砟粘結技術對道砟的要求和施工性，考慮到既有線施工要求中斷交通的時間盡可能的短，故既有線應用該技術時，宜采用施工方便快捷并對道砟質量要求較低的道砟膠固化道床。

既有線采用道砟膠固化道床時，應根據病害的類型采用相應的斷面粘結形式。當病害位于道砟層且路基排水條件良好時，因下部基礎穩定，應采用對道床擾動最小的影響維修的斷面粘結形式；當病害位于路基或者路基與道床的接合部時，應采用不影響維修的斷面粘結形式，并修復道床和路基的排水功能。

5　結語

(1)歸納總結了聚氨酯道砟粘結技術在國內外應用的斷面粘結形式。

(2)對比分析了聚氨酯道砟粘結技術在國內外新建鐵路有砟-無砟過渡段的應用情況，指出了國內應用中的不足，給出了建議的過渡段粘結形式。

(3)既有線宜采用道砟膠固化道床，并根據病害的位置和路基排水功能，選擇影響維修的或不影響維修的斷面粘結形式。

(4)為聚氨酯道砟粘結技術在國內新建鐵路和既有鐵路的推廣應用提供參考。

[1]徐培林，張淑琴.聚氨酯材料手冊[M].北京:：化學工業出版社，2002.

[2]中國鐵路總公司科技管理部.TJ-GW115-2013聚氨酯泡沫固化道床暫行技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[3]中國鐵路總公司科技管理部.TJ-GW116-2013聚氨酯道砟膠暫行技術條件[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

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[15]許琰，李家林.瀝青道床新型軌下基礎[J].鐵道建筑，1980(1)：4-9.

Overview of Polyurethane Application in Ballast-bonding of Railway

ZHU Yong-jian

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031, China)

Track maintenance work is frequently conducted in weak sections of ballasted track，and the track geometry is difficult to maintain.Track structure can be strengthened by bonding ballast with polyurethane geocomposites，and maintenance cycle can also be extended.This paper classifies and summarizes polyurethane ballast-bonding practices in weak sections of ballasted track overseas and compares them with the applications in China.The results include the summary of the ballast-bonding section forms used at home and abroad，the comparison and analysis of the applications of polyurethane ballast-bonding technology in new line of the transition zone between ballasted and ballastless sections with suggested bonding form for the zone.The existing railway should use ballast glue to consolidate ballast bed and choose suitable bonding section form depending on the location of defects and drainage function of subgrade.

Polyurethane; Ballast-bonding technology; Existing railway; Ballast glue

2016-03-02；

2016-04-19

朱永見(1987—)，男，博士研究生，研究方向為高速重載軌道結構及軌道動力學，E-mail：zyjian1987@163.com。

1004-2954(2016)10-0031-05

U214.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.008