隧道洞渣在鐵路新型預(yù)制聚氨酯固化道床中的應(yīng)用

王 紅，郄錄朝，徐 旸，許永賢

(中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081)

1 隧道洞渣的處理與利用

近年來新建鐵路設(shè)計的橋隧比逐年提高，在復(fù)雜地質(zhì)條件山區(qū)修建隧道會產(chǎn)生大量的廢棄洞渣或渣土，需要建設(shè)大面積的棄渣場[1]。棄渣場破壞路域的自然生態(tài)環(huán)境，影響生物多樣性，干擾野生動物的棲息，污染水源，造成水土流失，誘發(fā)滑坡、泥石流，而且生態(tài)災(zāi)害不可消除，環(huán)境破壞不可恢復(fù)，影響沿線經(jīng)濟社會發(fā)展[2]。

隨著我國對環(huán)境保護的重視，天然河沙和采石場的開采越來越受到限制，導(dǎo)致沙石類建筑骨料價格不斷上漲，使隧道洞渣的再利用研究得到重視。隧道洞渣可加工成機制砂石，主要用于橋梁、支護和隧道結(jié)構(gòu)施工骨料；還可作為筑路填料，主要用于路基和路面施工材料[3]。

鐵路隧道建設(shè)常穿越崇山峻嶺，自然環(huán)境敏感，洞渣應(yīng)多加利用，以減少棄渣。鐵路線路的有砟軌道結(jié)構(gòu)中道床使用的道砟用量比較大，新線約 2 500～3 000 m3/km/單線，如果能應(yīng)用洞渣加工成道砟，不僅可節(jié)約道砟采購的大筆資金，還能降低棄渣場投資，保護環(huán)境。但是，由于道床在軌道結(jié)構(gòu)中承擔(dān)傳遞荷載、保持線路運營狀態(tài)的作用，道床的穩(wěn)定性直接關(guān)系到行車安全。道砟一般采用天然材料，從采石場選材到道砟材質(zhì)基本參數(shù)都有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，而且明確規(guī)定利用隧道洞渣生產(chǎn)的道砟不能在客運專線正線上使用，也就是200 km/h以上線路不能使用洞渣道砟，為鐵路線路大量應(yīng)用隧道洞渣帶來困難。

近年來研發(fā)的新型彈性固化道床技術(shù)為鐵路軌道結(jié)構(gòu)采用隧道洞渣生產(chǎn)的道砟提供了可能。以聚氨酯固化道床為例，其是在密實道砟單元塊中澆注聚氨酯固化材料，固化材料發(fā)泡后填充砟間空隙，并黏結(jié)道砟，形成彈性道床塊。裝配成的道床結(jié)構(gòu)累積變形小，能長期保持彈性，道床內(nèi)部由僅道砟承力并產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，變成道砟和固化材料共同受力，產(chǎn)生可恢復(fù)變形[4]。我國聚氨酯固化道床線路運營時間最長已達9年，軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，至今未發(fā)生與道床有關(guān)的維修作業(yè)。固化道床有現(xiàn)場澆注施工和工廠預(yù)制2種，預(yù)制固化道床質(zhì)量容易控制，成本更合理，維修方便[5]。其主要承力的彈性道床塊在預(yù)制時可采用優(yōu)質(zhì)的洞渣，現(xiàn)場鋪設(shè)時道床塊之間及其肩部也可選用低等級的洞渣進行填充，提供必要的道床縱、橫向阻力。在彈性道床結(jié)構(gòu)中采用洞渣，對于鐵路隧道建設(shè)中的環(huán)境保護有重要意義。

2 新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)

2.1 預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計

預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)見圖1。隨著研究的深入，固化道床結(jié)構(gòu)對于工程應(yīng)用的適應(yīng)性，在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減低成本后會有多種結(jié)構(gòu)和斷面形式。圖2為預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)，圖3為工廠預(yù)制好的固化道床單元塊。

圖1 預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖2 預(yù)制聚氨酯固化床軌道結(jié)構(gòu)圖3 預(yù)制固化道床單元塊

2.2 預(yù)制固化道床軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為評估新型預(yù)制固化道床軌道結(jié)構(gòu)性能和安全性，在國家環(huán)形鐵道試驗中心的小環(huán)復(fù)線鋪設(shè)了試驗段，并進行了現(xiàn)場動力測試。

1)道床阻力

預(yù)制聚氨酯固化道床橫向阻力的平均值為13.5 kN/枕，縱向阻力的平均值為16.2 kN/枕，滿足TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[6]中道床橫向阻力不小于12 kN/枕，且道床縱向阻力不小于14 kN/枕的要求。說明預(yù)制聚氨酯固化道床具有足夠穩(wěn)定性，能夠保證無縫線路的安全。

2)軌道安全性

軌道安全性評價指標(biāo)主要有減載率、脫軌系數(shù)和輪軸橫向力。當(dāng)列車運行速度在60～110 km/h范圍內(nèi)變化時，預(yù)制聚氨酯固化道床的脫軌系數(shù)峰值為0.22，滿足小于0.8的線路行車安全性要求；輪重減載率峰值為0.16，滿足小于0.8的線路行車安全性要求；輪軸橫向力峰值為9.3 kN，滿足56.67 kN的線路行車安全性要求。說明預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全。

3)減振特性

列車運行速度在50～100 km/h范圍內(nèi)變化時，預(yù)制聚氨酯固化道床在50，65，75，100 km/h 4種運營速度下，線路外側(cè)路基加速度峰值的均值為0.019 m/s2。與無砟軌道結(jié)構(gòu)相比，預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的減振性能較好。說明預(yù)制聚氨酯固化道床在保證穩(wěn)定安全的情況下具有減振的功能。

3 預(yù)制聚氨酯固化道床采用洞渣道砟的可行性研究

研究預(yù)制聚氨酯固化道床采用洞渣道砟的可行性，必須研究固化道床中道砟的受力特性和力學(xué)行為。

3.1 枕下道床內(nèi)部應(yīng)力分布規(guī)律

TB 10621—2014對高速鐵路有砟軌道斷面作出了如下規(guī)定：正線有砟軌道采用2.6 m長混凝土軌枕，路基地段單線道床頂面寬度3.6 m，道床厚度0.35 m，道床邊坡1∶1.75，砟肩堆高0.15 m。其斷面結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中高速鐵路有砟軌道斷面結(jié)構(gòu)(單位：mm)

工程實際中軌枕下道床的應(yīng)力并非均勻分布，參考既有文獻[7]采用離散元-有限元耦合算法建立數(shù)值模型(見圖5)，所得到的軌枕下方散體道床內(nèi)部的接觸力分布如圖6所示。

圖5 道床離散元-有限元耦合數(shù)值模型

圖6 軌枕下方散體道床內(nèi)部接觸力分布

由圖6可以看出，列車荷載由承軌槽傳遞至路基表層時，其傳力路徑在軌枕下方的散體道床內(nèi)主要呈“雙梯臺形分布”。

不同列車荷載作用下散體道床表層橫向動應(yīng)力分布見圖7。

圖7 散體道床表層橫向動應(yīng)力分布

由圖7可以看出：不論何種線路條件，道床動應(yīng)力沿道床橫斷面大致呈W形分布，并在承軌槽即列車荷載作用點處達到最大值。動應(yīng)力幅值會隨著受力點與承軌槽距離的增大而出現(xiàn)明顯的衰減。距承軌槽外側(cè)0.8 m以外時，道床內(nèi)部應(yīng)力基本衰減至20 kPa以下。道床內(nèi)主要承力區(qū)域均在預(yù)制聚氨酯固化道床結(jié)構(gòu)的固化范圍之內(nèi)，因此從結(jié)構(gòu)受力角度來說，采用洞渣制備固化道床可行。

3.2 聚氨酯材料與洞渣相互作用機理

為研究洞渣材質(zhì)對散體道床力學(xué)性能的影響規(guī)律，建立離散元數(shù)值模型，并通過改變道砟顆粒接觸剛度的方式對不同材質(zhì)的道砟進行模擬。由于山體巖石的耐磨硬度系數(shù)一般在17.1～19.2，對應(yīng)道砟顆粒法向接觸剛度為8.90×108～1.23×109N/m。參考文獻[8]分別建立不同剛度聚氨酯固化道床離散元數(shù)值模型，見圖8。

圖8 道砟離散元數(shù)值模型

對不同剛度的散體道床及聚氨酯固化道床分別施加500次幅值為16 kN，頻率為4 Hz的動荷載，所得到的累積變形規(guī)律見圖9。

圖9 不同材質(zhì)道砟對道床累積變形的影響規(guī)律

由圖 9可以看出，聚氨酯固化道床由于在道砟顆粒之間附著了彈性材料，在循環(huán)荷載作用下其累積變形量遠小于普通碎石道床，在相同荷載作用下其平均累積變形量僅為普通碎石道床平均累積變形量的24%，且聚氨酯固化道床還存在明顯的卸載后緩慢回彈現(xiàn)象。就骨料硬度而言，當(dāng)?shù)理念w粒法向接觸剛度由1.23×109N/m減小至8.9×108N/m時，由于聚氨酯材料的黏結(jié)作用，對累積變形的影響在0.1 mm以內(nèi)，不足總累積變形量的6%，幾乎可以忽略；但相同情況下散體道床對累積沉降量的影響則為0.47 mm，影響較為顯著。因此可以認為采用與道砟材質(zhì)等級相當(dāng)或略低于道砟的洞渣制備聚氨酯固化道床技術(shù)上可行。

4 聚氨酯固化道床采用洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)分析

道砟的材質(zhì)必須是天然石材，碎石道砟應(yīng)選用開山塊石破碎、篩選加工生產(chǎn)，且顆粒表面全部為破碎面。采用洞渣加工道砟，雖然屬于天然石材，但是開采的巖石材質(zhì)變化較大，開采出的洞渣伴有大量泥沙，因此應(yīng)研究洞渣道砟的選擇標(biāo)準(zhǔn)，使用合格的道砟，保證預(yù)制聚氨酯固化道床的質(zhì)量和耐久性。

4.1 固化道床用洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)

4.1.1 洞渣道砟材質(zhì)性能標(biāo)準(zhǔn)的分析

道砟必須符合TB/T 2140—2008《鐵路碎石道砟》[9]中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。開采道砟，應(yīng)按照規(guī)定提交檢驗合格文件，取得生產(chǎn)許可證后方可生產(chǎn)。洞渣材質(zhì)隨著掘進而變化，不能像采石場那樣進行材質(zhì)篩選后再確定開采計劃。因此，需要加強洞渣材質(zhì)檢測和材質(zhì)變化的監(jiān)測，材質(zhì)合格才能進行道砟生產(chǎn)。

鐵路道砟材質(zhì)的基本參數(shù)包括物理力學(xué)參數(shù)、堅固性、滲透性、導(dǎo)電性和工程性能參數(shù)。TB/T 2140—2008中規(guī)定的道砟材質(zhì)性能見表1。

道砟的硬度能反映道砟抵抗磨損的能力，韌度是反映道砟抵抗破碎的能力，這兩項是道砟材質(zhì)選擇的重要指標(biāo)。TB/T 2140.2—2018 《鐵路碎石道砟 第2部分：試驗方法》[10]中采用洛杉磯磨耗率、標(biāo)準(zhǔn)集料沖擊韌度(石料耐磨硬度系數(shù))、標(biāo)準(zhǔn)集料壓碎率和道砟集料壓碎率4項試驗來判定道砟的等級。

在固化道床軌道結(jié)構(gòu)中道床單元體整體受力，道砟顆粒已不再單獨承受沖擊荷載作用；而且因固化道床道砟顆粒間充滿了聚氨酯泡沫體，避免了道砟棱和角的直接接觸，有砟道床的變形和粉化都不是固化道床的主要病害形式了。因此，洞渣道砟材質(zhì)選擇中硬度和韌度要求可以適當(dāng)降低，采用一級道砟低限值，或進一步進行深化研究，根據(jù)固化道床受力傳遞規(guī)律優(yōu)化道砟材質(zhì)性能參數(shù)。

表1 TB/T 2140—2008中規(guī)定的道砟材質(zhì)性能

注：①應(yīng)為“堆密度”。

滲水性能是指道床的滲水和排水性能。抗大氣腐蝕性能是防止道砟在雨水沖刷下崩解或溶解。道床固化后單元塊內(nèi)部不考慮排水功能，而且固化道床中道砟基本不裸露在大氣中，基本不用考慮滲透性和抗大氣腐蝕性能[11]。

道砟材質(zhì)的穩(wěn)定性能通過道砟顆粒的密度和重度控制，可以作為材質(zhì)選擇的參考。固化道床采用的洞渣道砟穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)可以參考TB/T 2140.2—2018中相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)洞渣道砟的特點，應(yīng)該增加巖石的成分分析，配合材質(zhì)檢驗，及時發(fā)現(xiàn)材質(zhì)的變化。

4.1.2 洞渣道砟加工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

道砟加工指標(biāo)有道砟粒徑級配、顆粒形狀和清潔度。

我國鐵路根據(jù)使用要求，將道砟粒徑級配分為特級、新線一級等分級使用，主要是為了保證線路道床密實，且保持彈性狀態(tài)時間長。聚氨酯固化道床考慮工廠化預(yù)制。在保證道砟承載要求的同時，考慮到預(yù)制生產(chǎn)中道床單元體密實度、剛度和斷面尺寸容易控制，參考TB/T 2140—2008中相關(guān)規(guī)定制定合理的粒徑級配分級，而且應(yīng)結(jié)合開采隧道的圍巖情況進行洞渣道砟生產(chǎn)設(shè)計。

道砟清潔度對于預(yù)制聚氨酯固化道床尤為重要，固化道床中聚氨酯液體的滲透能力受道砟清潔度的影響比較大，并影響固化范圍和成型，最終影響固化道床質(zhì)量，因此對于道砟清潔度應(yīng)進行深入研究，提出合理的清潔度指標(biāo)。

4.2 固化道床單元塊間及砟肩填砟標(biāo)準(zhǔn)

預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)中固化道床單元塊間及砟肩用道砟填滿，起排水和限位作用，基本不承受荷載，因此填砟的選用參考TB/T 2140—2008中滲水性能標(biāo)準(zhǔn)，對于道砟材質(zhì)和級配應(yīng)進行深入研究。

單元塊間及砟肩填砟用量大，道砟生產(chǎn)除了級配有要求外，其他性能要求不高，應(yīng)該優(yōu)先考慮采用棄渣。隨著隧道掘進，開采巖石的巖性會變化，因此洞渣道砟質(zhì)量不易控制。研究洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)及便捷可行的檢驗方法，以及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量變化，保證洞渣道砟質(zhì)量，確保預(yù)制聚氨酯固化道床的耐久性。

5 結(jié)語

1)新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)，由于改變了傳統(tǒng)道床中道砟的受力方式，能適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件隧道和運營環(huán)境敏感的線路，維修工作量少，易于維修。采用洞渣生產(chǎn)的道砟能夠保證軌道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。應(yīng)深入研究固化道床用洞渣道砟的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)、清潔度和級配要求。同時，由于固化道床本身穩(wěn)定性較強，結(jié)構(gòu)中單元塊間填砟的主要功能是排水，不承受豎向荷載，材質(zhì)可降低要求，進一步降低洞渣道砟生產(chǎn)的成本，增加洞渣用量。

2)洞渣材質(zhì)是隨著隧道掘進而變化的，因此，要提高隧道前期勘探的精度，對洞渣巖性和儲量進行預(yù)估，結(jié)合出渣和棄渣工藝，進行洞渣道砟篩選和生產(chǎn)。預(yù)制聚氨酯固化道床單元塊的制造車間和洞渣道砟生產(chǎn)場選擇合適的位置，減少棄渣運距，節(jié)省運費。

3)預(yù)制聚氨酯固化道床采用的洞渣道砟分為兩部分，一部分用于固化道床，用量大概是600～700 m3/km/單線;一部分用于固化道床單元塊間的填筑，用量大概是 2 000～2300 m3/km/單線。洞渣道砟的應(yīng)用涉及的內(nèi)容比較多，包括隧道巖性、開采工藝、出渣運輸、棄渣場選址、道砟加工廠選址等多項因素，而且時間貫穿設(shè)計、隧道施工和鋪軌施工。如果要計算經(jīng)濟效益需要綜合考慮，包括隧道長度、圍巖巖性、自然環(huán)境、道砟價格和運距等，最好根據(jù)具體隧道進行方案比選。

4)川藏鐵路建設(shè)是目前我國開展的又一項重大工程，川藏鐵路隧道占比80%以上，建議結(jié)合新型聚氨酯固化道床技術(shù)對洞渣道砟標(biāo)準(zhǔn)進行深入研究，洞渣道砟如能結(jié)合新型預(yù)制聚氨酯固化道床軌道結(jié)構(gòu)在川藏鐵路中應(yīng)用，對于保護生態(tài)環(huán)境，減少環(huán)境敏感地區(qū)的生態(tài)破壞、環(huán)境污染和災(zāi)害，以及建設(shè)綠色鐵路具有重大的實踐意義。