板式無砟軌道基床翻漿病害快速整治設備的方案設計

徐玉勝，張二海，付余

(1．中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518000;2．杭州浙達精益機電技術股份有限公司，浙江杭州310012)

板式無砟軌道基床翻漿病害快速整治設備的方案設計

徐玉勝1，張二海1，付余2

(1．中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，廣東深圳518000;2．杭州浙達精益機電技術股份有限公司，浙江杭州310012)

針對板式無砟軌道基床翻漿病害頻發且傳統人工作業方式難以滿足病害整治實際需要的現狀，本文在總結病害成因和現行整治措施的基礎上，對適用于此類病害的快速整治設備和與之配套的整治技術進行了研究，詳細闡述了快速整治設備的設計思路和相應的設計方案。經比選，認為采用功能模塊化設計思路的方案優于將所有裝置集成在一臺平板車上的方案。

板式無砟軌道;基床翻漿;病害整治;設備集成

隨著高速鐵路運量的大幅攀升以及行車速度的提高，線路的負荷也不斷加大，從而導致各類路基病害頻發，其中基床翻漿冒泥是較為普遍和突出的一類，現已占到路基病害總里程的13%［1］，嚴重影響線路的運營品質和行車安全。

為保證高鐵日間的正常運營，當前的病害整治普遍采取“天窗修”。基床翻漿病害整治目前基本依靠人工和非標準小型設備，存在現場安全管控難度大、作業質量難以保證、作業效率低、勞動強度大等諸多弊端。因此在有限的天窗時間和夜間特殊的施工環境下，需要在保證施工安全和質量的前提下，設法提高施工效率，突出快速整治的理念。有砟軌道通過引入路基處理車等現代化大型機械設備，包括翻漿在內的路基病害整治已形成以大型機械為主導，施工管理和技術手段較為成熟完善的一整套體系，從根本上改變了傳統人工作業的落后局面。板式無砟軌道基床翻漿病害的整治同樣可沿襲這一思路，即針對相應的大型機械設備和快速整治技術開展研究，從而借助大型設備自動化、高效化和集成化的優勢，全面提升施工安全、作業質量和作業效率，同時降低人工成本［2］。

1 板式無砟軌道基床翻漿病害成因分析

我國現有的板式無砟軌道形式分為Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板3種，其中Ⅰ型板和Ⅲ型板屬于單元板，底座板之間設有伸縮縫;而Ⅱ型板屬于縱連板，底座板之間縱向相連，形成整體結構。

一般認為，翻漿病害是基床材質、水、列車動載等多種因素共同作用的結果。由于上述軌道結構的差異，對于Ⅱ型板而言，雨水僅從軌道板與兩側封閉層間的裂隙少量滲入基床，發生翻漿病害的概率相對較低［3］。對于Ⅰ型板和Ⅲ型板，外界水首先通過底座板間的伸縮縫滲入基床表層，在列車的頻繁沖擊作用下，級配碎石層中的自由水產生較高壓力，在引起承壓水從伸縮縫消散的同時，也會導致級配碎石層中細顆粒物的流失。隨著泵吸作用的加劇，細顆粒物的流失也不斷增多，最終導致基床翻漿冒泥［4-5］。

2 基床翻漿病害現行的整治措施

針對板式無砟軌道基床翻漿病害，目前較為通行且有效的整治方法是注膠法。本文以Ⅰ型板為例，詳述現行的整治措施。

2.1 整治原則

根治病害需抓住以下3個關鍵環節:①首先封閉相鄰混凝土底座板之間的伸縮縫以及混凝土底座板與路肩混凝土封閉層之間的縫隙，使外界水無法進入基床內部;②灌注高聚物化學漿，填充底座板與基床表層之間的空隙，恢復路基支撐強度;③增設盲管排水系統，引排滲入基床的水，避免浸泡路基［6］。

2.2 施工工藝

2.2.1 封堵縫隙

1)底座板伸縮縫的處理

在混凝土底座板原伸縮縫位置兩側中部橫向水平鉆孔至凸臺。將鉆孔上部原伸縮縫位置一側的填充膠合板及碎屑清除干凈并灌注聚氨酯化學漿，然后再清除并灌注另外一側，直至整個伸縮縫灌注飽滿。伸縮縫封閉過程如圖1所示。

圖1 相鄰底座板間伸縮縫的封閉處理過程

2)底座板外側與路肩封閉層間縫隙的處理

在對底座板和基床表層間的吊空區進行處理前，在底座板外側沿縱向鉆設封閉孔(見圖2)，并灌注聚氨酯化學漿封閉縫隙，這樣不僅防止今后外界水侵入基床，同時也可確保底座板板底注膠時空間的密封。

圖2 封閉孔和注膠孔的布設

2.2.2 填充底座板與基床級配碎石表層間的吊空區

填充底座板與基床級配碎石表層間的吊空區是注膠法的關鍵步驟，目的是實現板底填充，恢復基床表層原始的密實狀態。

1)注膠孔在底座板上沿縱向設置，間距50 cm。對于底座板伸縮縫兩側吊空較嚴重的區域，可適當加密鉆孔，鉆孔完成后及時清理并安設注膠嘴。注膠孔的布設和安裝如圖2、圖3所示。

圖3 安裝注膠嘴

2)待注膠嘴封閉強度達到要求后，通過快插接頭將風管一端與注膠嘴管路連接密實，用高壓風清孔，并擠出吊空區域內的水及灰漿體。

3)注膠時壓力應保持恒定，保證一次性灌注飽滿。灌注按照先底座板兩側然后板中間孔的順序進行。

2.2.3 增設引排水系統

1)在底座板外側路肩封閉層下開槽設排水盲溝。

2)排水盲溝內放置PVC透水管，并在管壁上交錯打透水孔，用透水土工布包裹。槽內底部用水泥砂漿抹面，槽內填滿中粗砂，槽頂部采用素混凝土封閉。

3)PVC透水管穿過路肩電纜槽引至路基外。底座板伸縮縫排水盲溝如圖4所示。

圖4 底座板伸縮縫排水盲溝(單位:cm)

3 基床翻漿病害快速整治設備的方案設計

3.1 設計思路

基床翻漿病害快速整治設備的設計思路是借助已獲得上道資質的軌道車或牽引設備作為動力源，在其拖掛的平板車上集成病害整治所需的機具和裝置形成小編組，達到整治設備上道作業的目的。此種模式的優勢不僅體現在加快上道審批進度上，而且可以充分利用軌道車平臺提供的動力單元及輔助系統，較好地解決施工現場用電、物料運輸等問題，達到事半功倍的效果。

目前影響作業效率的瓶頸主要體現在鉆孔環節上。以Ⅰ型板為例，單塊板的注膠孔和封閉孔共有近70個之多，人工鉆孔不僅效率低，而且各個鉆孔的質量難以保持一致，鉆孔過程中經常出現的卡鉆現象，也會大大降低作業效率。此外，目前施工監測同樣依靠人工完成，為了確保注膠不會對軌道幾何狀態產生影響，注膠作業前、中、后都要采用電子水準儀對線路的軌距、水平、方向、高低等參數進行監測，不僅環節多，而且由不同的作業組承擔注膠和監測作業，不利于信息的及時傳遞和反饋。鑒于上述問題，本文嘗試從鉆孔和監測2個環節入手，充分利用大型設備的機械化、集成化優勢提升作業效率，從而達到快速整治的目的。

3.2 方案比選

3.2.1 方案1

該方案的工作原理是將鉆孔裝置、注膠裝置和自動監測系統同時集成在一臺平板車上，平板車到達現場后停在作業位置，此時鉆孔裝置開始打孔，之后自動下管套實施注膠，整個作業過程實現自動實時監測，有效解決了監測數據傳遞、反饋不及時的問題。

1)優點:能夠整治較長的病害區段，基本與平板車長度相近，可大幅提升作業效率。

2)缺點:①在平板車上直接集成病害整治所需的各類裝置會改變平板車的原有用途，必須重新向鐵總提出申請，得到審批后方可上道作業，程序繁瑣且周期長;②封閉孔間隔30 cm，兩側注膠孔間隔50 cm，按16 m的平板車計算，僅單側就需要布置55個封閉孔和32個注膠孔，若兩側同時開展鉆孔注膠作業，從機械設計角度來說，實現起來比較困難，設備在工作中易出現故障;③現行的施工工藝要求在中間位置間隔打孔，但考慮到平板車的核心結構梁恰好也位于中間位置，造成中間的鉆孔難以布置;④工藝要求注膠孔直徑在8～20 mm，深度約30 cm，但平板車距軌面的高度約為1.4 m，鉆孔裝置布置在平板車上會增加鉆頭的工作長度，導致鉆孔過程中鉆頭的擺動幅度不易控制;⑤自動下管功能不易實現，由于注膠孔最小孔徑僅有8 mm，難以通過中空鉆頭實現鉆注一體作業。

基于上述原因，在與相關專家進行多次研討和反復論證后，提出了以下功能模塊化的設計方案。

3.2.2 方案2

該方案采用了功能模塊的設計理念，即按照翻漿病害整治的作業流程將整治設備劃分為3個主要功能模塊:鉆孔車、注膠車和監測系統。為了提高設備的集成化程度，監測系統將安置在注膠車上。鉆孔車和注膠車的布置示意見圖5、圖6。

3.2.2.1 工作原理

1)鉆孔車借助安裝在鉆架上的排鉆可同時鉆設封閉孔、注膠孔以及中心孔，完成一組鉆孔后，電機驅動鉆孔車自動行走至下一組孔位實施鉆孔作業，如此往復。

2)鉆孔車完成一組鉆孔任務后，注膠車下管對封閉孔注漿密封，一次可完成14個孔的注膠作業，之后進入下一組孔位，再完成下一批封閉孔的注漿密封，如此往復。

3)完成所有封閉孔的注漿后，注膠車返回初始作業點開始板底注膠。注膠順序為先注中心孔，再注兩側孔。

在整個注膠過程中，集成在注膠車上的監測系統將根據工務部門預先設定的數據對線路的軌距、水平、方向、高低等參數進行實時監測，并實現與注膠量和注膠壓力的聯動。當線路參數變化接近設定值時，注膠裝置將通過降低注膠壓力減小注膠量或停止注膠，從而避免人工操作存在的精準性差的問題。

圖5 鉆孔車布置示意

圖6 注膠車布置示意

3.2.2.2 方案特點

1)鉆孔車和注膠車依靠由軌道車牽引的平板車到達作業現場，進場后通過平板車上的起落板導軌裝置下放至軌道上開始作業，作業完成后以同樣方式返回平板車，駛離現場。該方案未改變平板車原有性質，無需經過上道車輛的審批程序，且基本不損耗天窗時間，方便快捷。

2)作業過程中，按工藝要求需首先對兩側封閉孔注膠，之后再返回起始作業點進行板底注膠。由于鉆孔車和注膠車完成各自任務所需的時間不同，實行單獨控制有利于形成流水作業，提高作業效率。

3)將鉆孔車和注膠車設置為不同的功能模塊，可有效避免鉆孔過程中產生的振動或擺動對監測系統的影響甚至損害。

綜上所述，方案2從上道審批流程及設備自身的可靠性和控制性方面均優于方案1。

4 結論與建議

1)依靠傳統人工作業方式對無砟軌道進行養護維修已難以適應當前高速鐵路快速發展的需要，采用現代化大型機械施工取代人工作業已是高鐵病害整治的大勢所趨。唯有借助大型設備的機械化、自動化和集成化優勢，才能從根本上解決目前路基病害整治中存在的施工安全性低、施工質量差、作業效率低、勞動強度大等問題。

2)針對板式無砟軌道基床翻漿病害現行整治措施存在的問題，本文從制約作業效率的關鍵環節入手，提出了處理此類病害的快速整治設備的設計思路，并進行了設計方案比選。通過分析2種方案各自的優缺點，認為采用功能模塊化設計思路的方案2優于將所有裝置集成在一臺平板車上的方案1。

3)本文僅對適用于板式無砟軌道基床翻漿病害的快速整治設備進行了初步研究，雙塊式、岔區板式、軌枕埋入式等軌道結構同樣涉及此類病害。軌道板結構的差異將直接導致施工工藝的不同，進而影響到整治設備的方案設計。因此，為了能夠整治各種軌道結構的翻漿病害，還需要從其他幾類軌道結構的病害成因和整治方法入手，并在此基礎上對相應的快速整治設備開展深入研究。

4)本文給出了板

式無砟軌道基床翻漿病害快速整治設備的初步設計方案，下一步將依托已取得的研究成果，通過與軌道車廠家密切合作，力爭在短期內加工制造出病害整治樣車，并在完成試驗段測試的基礎上盡快實現設備的上道作業。

［1］陳文海．鐵路路基翻漿冒泥病害機理及整治［J］．企業技術開發，2010，29(7):42-46．

［2］王忠．大型養路機械在大準鐵路的應用現狀及發展前景［J］．內蒙古科技與經濟，2011，233(7):99-100．

［3］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．

［4］張振剛，張鴻儒，郭小紅，等．高速鐵路基床病害研究［J］．中國安全科學學報，2002，12(6):18-20．

［5］倪紅革，張令諾，周慶坡．兗石鐵路基床翻漿冒泥產生機理與整治對策［J］．鐵道建筑，2007(2):61-63．

［6］汪鐵誠，王有能，張志遠．滬寧城際鐵路路基翻漿病害整治作業方案［Z］．上海高鐵維修段，2013(3):11-17．

［7］謝承健．寧杭客運專線無砟軌道路基級配碎石表層施工技術［J］．建材與裝飾，2011(4):411-413．

Scheme Design of Working Vehicle for Rapid Treatment of Mud Pumping Defect of Slab Ballastless Track Bed

XU Yusheng1，ZHANG Erhai1，FU Yu2
(1．Shenzhen Research＆Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518000，China; 2．Hangzhou Zheda Jingyi Electromechanical Technology Co．，Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310012，China)

Based on the summarized defect causes and treatment measures，a modern working vehicle and matching treatment measures were developed for mud pumping defect rapid treatment of slab ballastless track bed，which aimed at resolving the contradiction between low working efficiency of traditional manual operation and high frequency of mud pumping defect of slab ballastless track bed．T his paper explained and compared the design methods of rapid treatment working vehicle，and the functional modular design scheme was considered to be better than integrated design scheme．

Slab ballastless track;Bed mud pumping;Defect treatment;Integrated vehicle

U216．41+8

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．28

1003-1995(2016)12-0105-04

(責任審編周彥彥)

2016-06-28;

2016-09-22

中國鐵道科學研究院基金(1451SZ6604)

徐玉勝(1967—)，男，副研究員，博士。