板式無砟軌道路基翻漿及整修對軌道不平順的影響研究

楊飛，王濤，楊建鋒，尹峰

(1．中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081;2．中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081; 3．上海鐵路局工務處，上海200071)

板式無砟軌道路基翻漿及整修對軌道不平順的影響研究

楊飛1，王濤2，楊建鋒3，尹峰1

(1．中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京100081;2．中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，北京100081; 3．上海鐵路局工務處，上海200071)

針對滬寧城際無砟軌道出現的路基翻漿冒泥病害，首先分析了其產生的原因，闡述了常用的注膠整治方法;然后對軌道質量指數(TQI)及其與各項參數的相關性、車體加速度幅值和功率譜變化進行了分析。分析結果表明:TQI數值較高區段都存在路基翻漿冒泥病害;注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期有一定的反彈;路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順，這是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊;維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，維修整治主要改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。

高速鐵路;翻漿冒泥;注膠整治;軌道質量指數;軌道不平順

路基翻漿是近年高速鐵路無砟軌道路基出現的特殊病害形式。路基翻漿會引起縱向上基礎剛度不均勻，造成無砟軌道差異沉降，影響軌道的平順性，從而降低列車運行的安全性和舒適性。如果不及時整修，還會加劇路基的破壞。國內有許多學者都對路基翻漿產生的原因和危害進行了研究。如潘振華［1］分析了無砟軌道路基翻漿的原因和整治措施，發現翻漿的主要原因為底座板-基床表層離縫并擴展、基床表層排水不良等;張文超等［2］對滬寧城際路基振動特性進行了測試，發現路基翻漿段無砟軌道底座板振動加速度明顯高于完好區段;劉亭等［3］研究發現，路基注膠加固后軌道板和底座板的振動位移、振動加速度值大幅減少;李杰［4］針對無砟軌道路基翻漿病害采用注膠法整治，效果明顯。但目前未見到路基翻漿和整修前后對軌道不平順影響的研究。

綜合檢測列車執行全路高鐵的周期性軌道幾何狀態檢測，在滬寧城際開通運行后逐漸發現了路基翻漿病害，并且已影響到了軌面不平順。有些區段如K235的軌道質量指數(TQI)已超過規定的維修標準。本文針對滬寧城際翻漿區段，先分析路基翻漿的成因和注膠整治方法，然后對路基翻漿和整修后對軌道不平順的影響進行研究。

1　病害現象及成因

滬寧城際路基翻漿冒泥主要出現在K111+910—K283+900段，總長度共計76.2 km，范圍較廣，大多數發生在混凝土底座伸縮縫兩端5 m范圍內，鋪設框架軌道板地段較為嚴重。路肩上流淌或堆積著由水與碎石墊層細顆粒混合而成的泥漿，路肩及兩線間均存在滲出灰白色泥狀物現象，嚴重處滲出物厚達10～50 mm，個別處所泥狀物被抽吸至軌道板表面。見圖1。

圖1　現場翻漿病害

滬寧城際處于南方多雨環境，加上一些混凝土底座間伸縮縫寬度不符合標準或未進行有效封閉，在冬季混凝土底座因收縮產生縫隙，使雨水滲入級配碎石層中，導致基床表層含水較多，同時基床兩側表面混凝土封閉層高于級配碎石層，導致雨水排泄不暢。級配碎石層中自由水在高速列車重復動荷載作用下，具有較高動水壓力，混凝土底座對基床表層的反復抽吸引起級配碎石與底座板間泥漿溢出，出現翻漿現象。長期作用會造成基床表層細顆粒流失，結構松散，直至混凝土底座離縫或空吊，嚴重降低路基長期性能和列車運營品質，因此必須加以整治。

2　整治方法

路基翻漿冒泥的整治方法一般包括封堵地表水、疏排地表水以及注膠填充混凝土底座吊空處等［5-8］。其中，注膠填充整修流程為:①使用沖擊鉆在混凝土底座每間隔50 cm距離打直徑8 mm注膠孔至表層級配碎石;②在混凝土底座與封閉層連接位置打孔，用于排氣和排料，如已有離縫可不用打孔，見圖2;③插入直徑6 mm尼龍注膠管，注膠管外側和支承層上部涂抹密封膠;④待密封膠固化后，將注膠管與注膠機連接，開始注膠。膠液為固化快速的聚氨酯材料，直至相鄰注膠管或者封閉層排氣孔出料為止。轉至下一注膠孔注膠，依次注膠，直至所有注膠管注膠完畢。注膠時，在注膠管左右附近1 m范圍內架設水準儀，測量注膠時軌道結構高程變化。如發現有抬起現象，立刻停止注膠。滬寧城際從2012年到2015年總共注膠4 709塊，平均每年約1 178塊。

圖2　注膠孔位置示意

3　軌道不平順分析

3.1軌道質量指數分析

軌道質量指數(TQI)是指200 m區段的左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑單項參數標準差之和，是反映線路區段平順性的指標［9］。軌道質量指數按下式計算。

式中:σi為左高低、右高低、左軌向、右軌向、軌距、水平、三角坑的單項參數標準差，mm;N為200 m計算單元采樣點的個數;x—i為計算單元中各項目連續采樣點峰值xij的算術平均值，mm。高低和軌向標準差采用中波(即波長1.5～42 m)數據進行計算［10-11］。

從2012年全線軌道質量指數(TQI)分布圖(圖3)可知，K236和K166區段TQI值較高，表明軌道的平順性較差。根據地面復核可知，這2個區段都出現了路基翻漿冒泥病害。其中，K236區段的翻漿冒泥范圍為K234+900—K238+500。此范圍的平均TQI時程變化曲線見圖4。

圖3　2012年全線軌道質量指數(TQI)分布

圖4　K234+900—K238+500區段平均TQI時程變化曲線

由圖4可知，K234+900—K238+500區段從2010年開通至2013年4月，平均TQI波動，且呈現逐漸增長的趨勢，最終超過規定的維修標準5 mm。在2013年4—7月和2014年3—8月，平均TQI有大幅度的降低，通過維修記錄可以得知，在這2個時間段都進行了路基翻漿注膠整修。注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期會有一定的反彈，2013年7月至2014年4月、2014年8月至2015年6月TQI的反彈趨勢也基本一致，見圖5。

TQI是多項參數的總體表征，利用TQI與各項參數的相關性可以分析各項參數對TQI的貢獻情況。相關系數是相關性的量化，K234+900—K238+500區段TQI與各項參數的相關系數見表1。相關系數值的含義見表2。

圖5　整修后TQI的反彈趨勢

表1　TQI與各項參數相關系數

由表1、表2可以得知，K234+900—K238+500區段的平均TQI變化主要是由垂向不平順(包括高低、水平、三角坑不平順)變化引起的，說明路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順。這是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊。而注膠整修就是填充級配碎石層縫隙及混凝土底座板下的吊空處，以改善底座板與基床表層的接觸狀態，保持線路的軌道平順性良好。

垂向不平順中的高低不平順波形可以直觀反映注膠對軌道不平順的整治效果［12］。從圖6可知，注膠整治后，高低不平順幅值有明顯的降低。

3.2加速度響應分析

軌道不平順是引起車輛振動的主要原因［13］，因此，可以通過車體加速度來間接反映軌道的平順性狀態。我國檢測車車體的垂向加速度頻率測量范圍一般為0～20 Hz，對應線路的中長波不平順，而軌道質量指數(TQI)主要是中波高低和軌向不平順的體現，并不能反映線路長波不平順的情況，因此還需要利用加速度分析來彌補。垂向加速度幅值的變化直觀體現了軌道平順性的變化，見圖7。對垂向加速度功率譜的分析可以反映軌道不平順波長的特征，見圖8。

圖6　注膠整治前后高低不平順變化

圖7　維修整治前后車體垂向加速度幅值變化曲線

圖8　維修整治前后車體垂向加速度功率譜變化曲線

由圖7可知，維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，說明軌道的不平順性有所改善。由圖8可知，在40～50 m波段的垂向加速度功率譜峰值有所降低，說明維修整治改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。40～50 m波段的中長波軌道不平順與路基地段連續兩塊混凝土底座板的長度相對應。

4　結論

1)板式無砟軌道路基翻漿的主要原因是雨水滲入級配碎石層后排泄不暢，在高速列車重復動荷載作用下混凝土底座對基床表層的反復抽吸造成級配碎石與底座板間泥漿溢出。

2)TQI數值較高區段都存在路基翻漿冒泥病害;注膠整修確實對軌道的不平順性起一定改善作用，但整修后期有一定的反彈。

3)路基翻漿主要影響軌面的垂向不平順。其原因是由于從混凝土底座的伸縮縫處或從封閉層與混凝土底座縫隙間不斷流出泥漿造成了混凝土底座空吊。

4)維修整治后車體的垂向加速度幅值有所減小，說明軌道的不平順性有所改善。維修整治主要改善了40～50 m波段的中長波軌道不平順。

［1］潘振華．滬寧城際鐵路路基翻漿原因分析及整治措施研究［J］．鐵道建筑，2014(3):74-77．

［2］張文超，蘇謙，劉亭，等．基床翻漿條件下無砟軌道路基振動特性研究［J］．巖土力學，2014，35(12):3557-3559．

［3］劉亭，蘇謙，趙文輝，等．板式無砟軌道路基翻漿整治效果研究［J］．鐵道學報，2015，37(12):89-91．

［4］李杰．注膠法整治某高速鐵路無砟軌道路基翻漿病害［J］．路基工程，2015(3):228-231．

［5］潘振華．滬寧城際客運專線攪拌樁復合地基沉降超限整治措施研究［J］．路基工程，2014(3):106-111．

［6］史衛國，阮高，陳風光，等．水泥在改良黏性土路基中的應用研究［J］．鐵道建筑，2012(2):53-55．

［7］戴良緣，楊博進，胡持，等．新型輕質注漿材料-PE水泥漿液的應用研究［J］．鐵道建筑，2013(11):138-140．

［8］中國鐵道科學研究院．基床級配碎石病害整治技術與裝備［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2015．

［9］羅林，張格明，吳旺青，等．輪軌系統軌道不平順狀態的控制［M］．北京:中國鐵道出版社，2006．

［10］中國鐵道科學研究院．高速鐵路軌道不平順狀態試驗研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2011．

［11］中國鐵道科學研究院．客運專線軌道不平順波長范圍的研究［R］．北京:中國鐵道科學研究院，2009．

［12］蔣騫．滬寧城際高速鐵路沉降規律分析與路基病害治理措施研究［D］．長沙:中南大學，2014．

［13］陳勛．滬寧城際高速鐵路軌道質量指數分布規律研究［J］．鐵道標準設計，2013，24(7):1-5．

(責任審編 葛全紅)

Research on Inf luence of M ud-Pum ping and Renovation of Slab Ballastless Track Subgrade on Track Irregularity

YANG Fei1，WANG Tao2，YANG Jianfeng3，YIN Feng1
(1．Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2．Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 3．Permanent Way Division，Shanghai Railway Administration，Shanghai 200071，China)

According to the subgrade mud-pumping of ballastless track in Shanghai－Nanjing intercity railway，this paper analyzed the causes of mud-pum ping，put forward the comm on glue injection treatment method，and discussed the track quality index(TQI)and its correlation with various parameters，the acceleration am plitude of train and power spectrum variation．The results show that there are mud-pum ping diseases in area with high TQI value，the glue injection treatment method does improve the track irregularity but there will be some rebound at the late stage of renovation，subgrade mud-pum ping mainly influences the vertical irregularity of the rail surface，which is due to the hollow concrete base caused by mud flowing from expansion joint of concrete base and the gap between the concrete base and sealing layer，the vertical acceleration am plitude of train decreases after maintenance and renovation，which improve the medium-long wave track irregularity with the waveband from 40m to 50m．

High speed railway;Mud-pum ping;Glue injection treatment;Track quality index;Track irregularity

U213．2+44

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．34

1003-1995(2016)11-0129-04

2016-07-10;

2016-09-05

中國鐵道科學研究院基金(2014YJ020);中國鐵路總公司科技研究開發計劃(2015G004-A)

楊飛(1985—)，男，助理研究員，碩士。