應用高聚物復合結構層整治基床翻漿冒泥技術研究

吾望超，蘇 謙，劉 亭，王武斌

(1.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2.西南交通大學 高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川 成都 610031)

路基基床由天然土石材料構成，具有多樣、分散與分層差異等特性，同時又直接受到列車動荷載與環境等因素的影響，長期運營后容易產生病害[1]，其中基床翻漿冒泥是較為常見的病害之一。發生翻漿冒泥病害的基床土質中往往含有易軟化物質、粉質土含量較高，且具有親水性強、透水性差等特點[2]。在排水不暢的路段，自然降水或地下水的侵入使不良基床軟化形成泥漿。在列車動荷載的作用下，泥漿受擠壓抽吸作用通過道床空隙向上翻冒，道砟陷入軟化的基床，形成翻漿冒泥病害，降低道床彈性[3]，破壞軌道的平順與穩定，影響列車運營的安全性和舒適性。

針對有砟軌道基床翻漿冒泥病害，傳統的整治手段有疏通、修建防排水系統，更換基床填土，開挖鋪設土工封閉層或無紡土工纖維滲濾層等[4]。對于沒有斷線維修條件的運營鐵路，只能利用數小時的天窗時間進行線路維修施工。開挖道砟、鋪設土工布是目前在運營線路翻漿冒泥整治中廣泛采用的一種方式，但土工布為柔性材料在長期作用下易被裹挾、翻卷而喪失結構的整體性，且在使用中存在破損情況，對基床的強度、剛度無改善作用。

本文針對目前既有線基床翻漿冒泥整治技術所存在的問題，提出化學高聚物-碎石復合結構層的新型整治方式，結合其在寶成(寶雞—成都)鐵路翻漿冒泥病害工點的應用，研究該結構層的施工工藝，并通過行車測試其整治效果。

1 高聚物復合結構層

高聚物復合結構層(以下簡稱結構層)為具有一定強度、剛度與韌性的防水層，該結構介于基床與道床之間。通過在施工時設置排水坡度，即可將上部降水引導至外側排水溝，阻隔降水下滲的通道；同時，結構層也隔絕了泥漿上翻的通道，避免形成翻漿冒泥。

1.1 結構層材料

結構層所用的材料由粒徑小于10 mm碎石、雙組份噴涂聚脲[5-6]材料以及特殊配比的雙組份聚氨酯材料組成。材料的部分力學指標見表1。

表1 聚氨酯碎石材料力學指標 MPa

聚氨酯是指主鏈中含有氨基甲酸酯特征單元的一類高分子。通過變化聚氨酯的原料品種以及活潑氫與NCO的比例，聚氨酯的性能可以在很寬廣的范圍內進行調整[7]。利用聚氨酯這一特性，本文采用特殊配比的聚氨酯雙組份材料，使其力學性能、反應時間、流動性、耐久性等特性與結構層功能相適應，滿足翻漿冒泥病害整治的需要。

1.2 結構層組成

結構層位于道砟與基床之間，為雙層復合結構。下層為7 cm厚的聚氨酯-碎石復合層，上層噴涂有2～3 mm厚的聚脲層，如圖1所示。

圖1 翻漿冒泥整治新結構層示意

聚氨酯-碎石復合層(以下簡稱復合層)作為結構層的基礎，有著較高的抗壓、抗折、抗拉強度，有著較好的拉伸性能與韌性，在長期列車動荷載作用下不易破壞。復合層的整體性較好，能夠克服土工布等柔性材料易被裹挾、翻卷的缺陷，可以在一定程度上改善基床的強度、剛度，復合層的彈性模量與道床結構相匹配。

在復合層中，碎石起剛性骨架的作用，提高結構的強度同時降低材料成本；聚氨酯起膠結作用，將碎石層膠結為整體結構。不同于水泥基膠凝材料，聚氨酯作為膠凝材料時，抗折強度更高、韌性更好、流動性更強。上部聚脲層為銀灰色固體，且具有防水、綜合性能優異、耐磨性能良好等特性。因此聚脲層起保護下層結構、疏導上部降水的作用。

2 翻漿冒泥整治高聚物結構層施工

以寶成鐵路下行線一基床病害工點為例，采用高聚物-碎石復合結構層進行整治。該段線路屬上下行并行線，基床主要為泥巖。新建該鐵路時由于設計標準較低，未對翻漿冒泥地段進行加固及防水處理，再加上道床厚度不足，在列車荷載及水的作用下，造成翻漿冒泥，嚴重影響鐵路運輸安全。

結構層可分為現場噴涂和預制裝配2種施工方法。現場噴涂施工無需建設預制場地、設置預制模板，只需運送施工設備及材料進場，即可進行施工作業。此施工方式較為便捷，但施工效率較低，適用于小段翻漿冒泥病害路段的整治。預制裝配施工采用現場開辟預制場地、搭建模板、分段預制結構層，最后拼接施工的方式進行。該種施工方式施工效率較高、施工快速，但需投入額外的場地和模板，適用于規模較大的翻漿冒泥病害整治工程。由于預制分段長度固定，開挖前也需做好周密的施工規劃并且保證一定的施工精度。施工流程如圖2所示。

圖2 新結構層用于翻漿病害整治流程

綜合經濟性、工程規模、工點地形等因素，該寶成鐵路翻漿冒泥工點的整治采用現場噴涂法進行施工。

2.1 翻漿冒泥整治新結構層施工設備

施工設備有聚氨酯的噴涂與加熱設備、聚脲噴涂與加熱設備、空壓機、柴油發電機、照明設備、軌道行走設備、運輸工具等。還包括供氣管線、配電箱、螺絲刀、活動扳手、虎鉗、膠帶等附屬工(機)具。

2.2 現場噴涂施工流程

施工采用破底挖翻漿、鋪設高聚物結構層的方式。高聚物結構層寬3.6 m，結構層中心與線路中心對齊。

1)施工準備。施工前預卸軌枕頭外的污損道砟，并用沙袋填筑缺口。側面道砟清理完畢后，潔凈道砟和碎石進場，堆放與線路外側。最后設備進場安放在線路外側待用。在線路封閉后，將設備安置在走形架上，連接好各個管線，將吸料棒插入料筒中，然后將設備移動至施工區域附近就位。

2)跳槽開挖。利用鐵鍬、鏟子、籮筐等工具跳槽開挖污損道砟，將開挖出的污損道砟挑至線路外側預設的傾倒點傾倒。對于雙線鐵路，線路外側軌枕頭處換砟深度不得少于400 mm；線路內側軌枕頭處換砟深度不得少于300 mm。對于單線鐵路，線路中心線軌枕底下的換砟深度不得少于300 mm，軌枕頭處換砟深度不得少于350 mm。開挖面要求保持平整，經檢驗合格后開挖工作完成。開挖過程中可打開發電機進行噴涂設備預熱。

3)鋪設碎石。在開挖后的路基平面上鋪設粒徑不超過10 mm的碎石，碎石鋪設高度為5 cm，鋪設時須盡量保證碎石層均勻、平整，其坡度與開挖后路基表面坡度保持一致。

4)噴涂聚氨酯。碎石鋪設完成后打開空壓機進行聚氨酯噴涂。噴涂過程依靠人工掌握，采用掃射噴涂法，噴涂量以聚氨酯還未反應時，與碎石表面基本平齊為準。

5)噴涂聚脲。噴涂聚氨酯后約5 min，反應基本完成，可進行聚脲噴涂。聚脲噴涂同樣采用掃射噴涂方式由人工控制。噴涂量可由銀灰色的聚脲完全遮蓋住下部黃色的聚氨酯層為準。

6)回填潔凈道砟。聚脲噴涂完畢3 min后檢查表面聚脲層是否完全硬化，合格后將再用道砟及新砟用拉鏟拉回到枕木盒及兩側，然后進行串鎬串實枕底，并用直沖式搗固機進行振搗。起道找平至標高，檢驗合格后完成回填工作。

7)拔道及收尾工作。設備下線撤回安放地點，雜物、垃圾清理出現場，檢查是否有遺漏在線路上的工具，將線路直線拔直、曲線撥圓順，完成后人員下線撤離。

8)線路開通。線路開通后利用間隔時間加強線路整修，列車通過后組織復查整修。

3 行車測試分析

為了研究整治效果，在軌枕上安裝加速度計，分別對高聚物結構層與傳統土工布整治區段的行車加速度進行測量。加速度時程曲線見圖3。

圖3 列車通過整治區段加速度時程曲線

由圖3可知，同一列車通過高聚物整治區段的振動加速度最大值為2.127 m/s2，加速度均值是1.072 m/s2，通過土工布整治區段的振動加速度最大值為4.950 m/s2，加速度均值是3.139 m/s2。高聚物結構層整治區段的加速度均值與土工布整治區段的加速度均值之比為0.342，說明高聚物結構層整治區段的列車運行平順性更好，整治效果優于土工布整治區段。

4 結語

高聚物-碎石復合結構層具有強度高、韌性好、剛度匹配、防水、耐磨等優勢，其施工較為快捷、方便，適用于運營線路的天窗點維修施工，為解決有砟鐵路翻漿冒泥病害提供了較為有效的技術方案。

此結構層在寶成鐵路翻漿冒泥病害整治工點得到運用，其施工方案得到了進一步的認證與優化，行車測試結果表明整治效果較為理想。

[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]段銘鈺.鐵路路基翻漿冒泥的原因及整治[J].鐵道技術監督,2010,38(6):23-25.

[3]梁恒祥,熊治文,賈海鋒,等.既有鐵路路基病害地段K30試驗及其數據分析[J].鐵道建筑，2017,57(3):81-84.

[4]張春城.鐵路既有線路路基病害整治[J].哈爾濱鐵道科技,2014(2):47-52.

[5]余建平.聚脲材料及其相關問題探討[J].中國建筑防水,2011(20):4-6.

[6]趙希娟,劉彥東,潘美,等.噴涂聚脲高性能防水涂料的開發[J].中國建筑防水,2009(3):3-6.

[7]秦穎,王強強.聚氨酯材料的發展現狀[J].中國建材科技,2017,26(1):39-41.