有砟道床表層膠結封閉技術

2020-05-11 10:22:00靳昊羅慧剛董延東易忠來李化建

鐵道建筑 2020年4期

靳昊羅慧剛董延東易忠來李化建

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術國家重點實驗室，北京 100081；3.朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西原平 034100）

重載運煤專線有砟道床煤粉侵入問題較為突出，特別是隧道進出口處，當列車經過隧道時會形成強大風力，大量煤粉被吹落至線路上，在列車引起的軌道振動下滲入道床內部。經現場調研發現，隧道外側50 m至隧道內側1 000 m范圍內煤粉侵入道床問題最為嚴重，且隧道全長范圍內有砟道床均受煤粉侵入影響，隧道地段道床板結速率大于一般地段，大幅增加了運煤線路隧道內有砟道床的維修工作量。運營維護部門需定期（1次/年）對隧道內有砟道床進行清篩工作，大機清篩的成本高（約1 700元/延米），隧道內環境惡劣，人工作業的勞動強度大，對身體健康危害大。

朔黃鐵路曾嘗試采用橡膠預制板覆蓋封閉道床，阻止煤粉侵入，但是橡膠預制板鋪設較為困難，拼接和固定難度大，需現場裁剪拼裝，施工效率低，而且橡膠預制板長期服役時易出現局部破裂、固定失效、拼接處離縫等問題，導致封閉失效，甚至存在整體“揭起”的風險。同時，封閉后的道床排水功能受限，大量雨水無法迅速排出。養護維修時需將橡膠預制板拆除后進行，道床搗固維修不便捷，易破壞封閉的整體性。

近年來道床固化技術發展迅速，現有研究多以提高有砟道床穩定性、剛度、橫縱向阻力等性能為主。道床固化形式也以對軌枕下部道床及整體道床黏結為主［1-3］。目前，鮮有防止雜質侵入道床內部的道床表層膠結封閉技術的相關研究報道。因此，本文對此進行研究。

1 有砟道床表層膠結封閉結構

為防止煤粉等細顆粒物侵入，須對有砟道床表層進行封閉處理。由于道砟間空隙較大，噴涂至道砟上的黏結材料僅占道砟空隙的22%～30%，難于對煤粉等細小顆粒進行有效阻擋，故須對表層道砟進行級配優化。在有砟道床表面鋪設小顆粒石子，減小道砟間的孔隙尺寸，提高膠結材料封堵率，減少煤粉侵入道床的數量和速度。同時，小顆粒石子通過膠結材料牢固黏結在有砟道床表層，可防止其進入道床內部，對道床性能造成影響。有砟道床表層膠結封閉結構如圖1所示。

圖1 有砟道床表面膠結封閉結構

2 試驗

2.1 小顆粒石子匹配性試驗

為有效減少道砟間空隙尺寸，選用粒徑5～10 mm和10～20 mm小顆粒石子，采用不同方式鋪設測試道床封閉效果。膠結材料用量1 kg/m2，小顆粒石子用量5 kg/m2。試驗結果見表1。

表1 小顆粒石子匹配性試驗結果

由表1可見：鋪設粒徑5～10 mm小顆粒石子的道床封閉效果最佳，在不影響正常排水的情況下可實現道床封閉功能的長效性。

2.2 膠結深度試驗

合理控制道床表層膠結深度是確保膠結封閉有效性的關鍵。通過分析膠結深度與防煤粉侵入效果的相關性，確定最佳的膠結深度。有砟道床表層鋪設粒徑5～10 mm小顆粒石子，小顆粒石子用量5 kg/m2。試驗結果見表2。

表2 膠結深度試驗結果

由表2可見：鋪設粒徑5～10 mm小顆粒石子后，道床膠結深度不低于4.5 cm時，道床封閉功能的長效性良好，18個月時道床內部也未見煤粉侵入跡象。從容余度與經濟性綜合考量，道床表層膠結封閉深度宜為5～8 cm。

3 膠結材料性能要求

有砟道床膠結材料主要包括瀝青、環氧樹脂、醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯等。瀝青固化道床的排水能力差，可維修性低，材料的耐老化性能嚴重不足，服役壽命較短。環氧樹脂材料和醋酸乙烯酯乳液主要用于有砟道床表面膠結，防止道砟飛濺。日本東海道新干線和我國秦沈客運專線分別采用環氧樹脂和醋酸乙烯酯乳液進行了有砟道床防飛濺試驗［4-5］。結果顯示：2種材料的耐老化性能較差，長期暴露在戶外易失效，故實際應用較少。

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，已被廣泛應用于道床固化［6-9］。聚氨酯膠結材料包括發泡聚氨酯和聚氨酯道砟膠［10］。其中發泡聚氨酯的性能與道床表面膠結封閉需求存在較大差異。而現有的聚氨酯道砟膠可維修性差，維修時只能采用溶劑將材料逐層溶脹后，再進行搗固，維修效率低、成本高，且溶劑對環境和人員身體也存在較大危害。此外，聚氨酯道砟膠早期力學強度和黏結強度不足，無法滿足天窗期養護維修要求。同時，其對道砟清潔度和濕度要求較高，環境適用性差。

基于此，應在聚氨酯道砟膠基礎上，從可工作時間與早期強度的匹配性、強度與柔順性的匹配性、耐老化性能等方面，結合TJ/GW 116—2013《聚氨酯道砟膠暫行技術條件》［11］，對聚氨酯膠結材料提出技術要求，見表3和表4。