重載鐵路翻漿病害聚氨酯半剛性層整治技術現場試驗研究

王希云

(神華包神鐵路集團有限責任公司，內蒙古包頭 014000)

鐵路翻漿冒泥病害在國內外一直屬于“老大難”的問題[1]。我國既有線重載鐵路在建設時由于設計水平低、施工技術差，并且“重橋輕路”的思想根深蒂固。同時隨著重載鐵路軸重、速度以及運量不斷提高，重載鐵路沿線翻漿冒泥病害頻繁發生，嚴重影響線路的質量，使線路維修工作量增加、縮短線路使用壽命[2-4]。

傳統的有砟軌道路基基床翻漿冒泥病害整治主要采用排水砂墊層加防水土工布、半剛性封閉層，砂墊層加防水土工布方法具有施工工藝簡單，能夠起到防水和排水作用，但存在土工布易破裂、不能改善基床強度、剛度、不能減少列車荷載在路基中產生的動應力等問題，因此，用于鐵路路基翻漿冒泥整治，耐久性較差。半剛性或全剛性封閉層材料主要包括土工合成材料、水泥混合料、瀝青混合料，其中土工合成材料在淺埋條件下存在材料性能老化且修復困難等問題；水泥混合料由于溫縮和干縮而普遍會產生開裂無法滿足防滲要求，并且需要一定的養護時間，無法滿足天窗時間施工的要求。瀝青混合料整體來說，整治效果較好，具有防滲和減震的作用。但是，瀝青混合料容易出現離析嚴重、瀝青與集料黏附性不足、裂縫和施工破壞等問題嚴重，還有施工工序考慮不周等，亟需一種新型防水路基基床，能夠在天窗期間快速施工完成路基翻漿冒泥病害的整治。

結合包神鐵路路基整修設計項目，擬在道床下方增設新型聚氨酯碎石防水基床，探究新型聚氨酯級配碎石防水基床在整治鐵路路基翻漿冒泥的效果，以期對鐵路路基翻漿冒泥整治較以往的方法取得更好更長久的效果。

1 工程概況

磁窯灣站位于陜西神木縣大柳塔鎮，站場于1989年5月竣工，根據運營生產力提高的需要，并于2004年4月到2005年5月進行了擴能改造。路基基床底部為煤矸石填料，其抗水性能差，遇水易變軟，在降水或地下水浸濕軟化作用下，土體強度急劇下降，在列車動荷載反復振動作用下液化成泥漿，軌枕在列車經過時產生上下振動，對于形成泥漿的基床土體產生向上的“泵吸”力，泥漿通過道床向外竄出，夏季翻漿冒泥，冬季病害嚴重，嚴重危及行車安全。

2 聚氨酯膠凝碎石整治技術

2.1 聚氨酯膠凝碎石復合半剛性層

聚氨酯碎石復合半剛性層由加厚防水土工布、聚氨酯混合料層(厚度0.08 m，3%排水坡)，防水土工布以及砂墊層(厚度0.03 m)組成，見圖1。聚氨酯碎石混合料層由聚氨酯膠水和級配碎石攪拌而成，彈性模量較大、抗滲能力強，有利于分散和降低列車對路基的動應力和減輕基床內含水量的波動，同時有助于基床的受力分布，對路基翻漿冒泥整治具有較好的效果。

圖1 聚氨酯碎石混合料防水層結構

2.2 聚氨酯膠凝碎石

聚氨酯膠水：由A組分和B組分按1∶2質量比混合而成，膠水黏度3 600 MPa·s(25 ℃)，抗壓強度74 MPa，撕裂強度65 N/mm。

碎石：為了使防水聯結層有較好的應力擴散和抗變形能力，并達到良好的防水能力，聚氨酯碎石混合料要形成懸浮密實結構[5-6]，同時考慮到施工方便，要求膠凝碎石無需碾壓，以提高施工效率，碎石級配如表1所示。

表1 碎石設計級配

聚氨酯膠凝級配碎石：將一定量的聚氨酯膠水與碎石攪拌均勻，在模具中攤鋪，無需碾壓，形成強度高、彈性好、固化時間快的試塊結構，見圖2。

圖2 聚氨酯級配碎石

2.3 材料特性試驗

聚氨酯膠凝碎石主要考慮問題在于不同“膠石比”下，試塊抗壓強度隨溫度、濕度的變化規律，以設計出膠石級配良好、經濟耐用的復合層，測試結果顯示碎石摻9%聚氨酯膠水，固化時間快、強度大、耐久性好。試驗方法參考文獻[6-7]，測試結果如圖3所示。

圖3 不同工況下抗壓強度

同時發現，9%摻膠量的碎石常溫下初凝時間40 min，終凝時間為8 h，終凝回彈模量310 MPa，滿足天窗點施工和受力條件。另外，試塊孔隙率為2.3%，一般而言，混合料孔隙率為1%～3%時可認為基本無滲水[6]。

由圖3可知，聚氨酯膠凝碎石在高溫下抗壓強度明顯低于低溫和常溫下膠凝碎石強度，主要原因在于低溫和常溫區聚氨酯為固態，材料具有較強的物理約束和化學膠結作用，而在高溫區逐漸軟化，物理約束和化學膠結作用減弱，導致強度降低。另一方面采用的聚氨酯與水為非反應材料，自由水的存在使得顆粒集合間嵌擠力降低，導致浸水后聚氨酯膠凝碎石抗壓強度下降，浸水后內部水分含量較少，對強度的軟化作用有限[8-10]。

如圖4所示，瀝青混凝土抗壓強度數值來自文獻[5]，說明聚氨酯膠凝碎石對溫度變化較瀝青混凝土適應性好。

圖4 抗壓強度對比

由圖4可知：雖然聚氨酯膠凝碎石在高溫時抗壓強度衰減較多，但在同等高溫度下遠比瀝青混凝土抵抗變形能力高出很多。

3 聚氨酯膠凝碎石整治施工工藝

瓷窯灣站場岔區翻漿冒泥試驗段翻漿區域共50 m，如圖5所示。考慮人員和設備數量因素，以及工作面的大小等因素，將50 m施工試驗段分為4個施工天窗進行施工，第一個施工天窗點用來做試驗段的側面清篩和軌枕間道砟清篩；第二個施工天窗點施工長度為15 m，以保證在4 h的施工天窗時間內完成翻漿冒泥的整治工作；第三個施工天窗點分成兩段，施工長度一共17 m；第四個施工天窗點完成剩余的18 m長度。經過現場施工驗證，該分配方案確實可行，能在有限的4 h封鎖天窗時間內完成分段的翻漿冒泥整治工作。

圖5 施工天窗分段施工

施工工藝流程如圖6所示。

圖6 施工整治流程

4 現場試驗分析

4.1 現場行車試驗研究

為了研究整治效果，選取C80002型號(軸重20 t，載重80 t)神華自備列車貨車進行測試，參考文獻[11]分別在下行線嚴重翻漿地段以及正常地段軌枕端部安裝加速度計，以測試行車過程中軌枕振動響應，檢驗路基翻漿冒泥整治效果，為新材料用于線路翻漿冒泥整治提供參考和依據，見圖7。

圖7 加速度計現場布置

未整治之前，嚴重翻漿地段和正常地段軌枕振動加速度時程曲線見圖8。

圖8 速度80 km/h重載貨車軌枕振動加速度時程曲線

由圖8(a)可知，貨車通過嚴重翻漿地段軌枕振動加速度幅值為20.84～41.24 m/s2，幅值均值為30.25 m/s2；由圖8(b)可知，貨車通過正常地段時軌枕振動加速度幅值為2.67～3.25 m/s2，幅值均值為2.53 m/s2，時速80 km下同一軸重的滿載貨車通過嚴重翻漿地段和正常地段的軌枕加速度相差很大，加速度幅值均值相差11.96倍。現場開挖道砟后發現嚴重翻漿地段道砟板結和軌枕脫空等病害，列車行駛中軌枕振動劇烈，而軌枕位移變形大，加速度上下幅值變化較大。

整治12 h之后，聚氨酯膠水已完全固化，聚氨酯層已能達到最大強度，此時列車限速45 km/h，嚴重翻漿處軌枕加速度時程曲線如圖9所示。

圖9 速度45 km/h嚴重翻漿地段軌枕振動加速度時程曲線

由圖9可得：軌枕振動加速度幅值1.32～3.25 m/s2，均值為1.53 m/s2，整治效果顯著，但因施工中聚氨酯混合料攤鋪不均勻、道砟搗固不充分等，導致線路整體不密實，從而軌枕的振動較劇烈。

整治7 d后，貨車恢復常速80 km/h，聚氨酯整治試驗段通過若干趟貨車后，聚氨酯膠凝碎石層整體穩定，嚴重翻漿處軌枕加速度時程曲線如圖10所示。

圖10 時速80 km嚴重翻漿地段軌枕振動加速度時程曲線

由圖10可知：軌枕振動加速度幅值1.22～1.28 m/s2，均值為1.25 m/s2，相比于整治前，加速度幅值降低了24.2倍，軌枕的振動趨于穩定，相較整治前得到穩定改善，效果較好。相比于正常地段加速度幅值均值降低2.02倍，可見有較好的減振效果。

綜上可知，其因聚氨酯膠凝碎石層強度大、彈性較好，設置聚氨酯膠凝碎石層使得路基結構的減振效果顯著，隨著重載貨車的軸重以及速度日趨增大，在路基基床上增設聚氨酯膠凝碎石加強層，可提高列車行駛的平順性，延長鐵路使用壽命。

4.2 現場長期觀測

施工過程中于聚氨酯結構層頂部和底部設置沉降觀測點，并采用高精度水準儀開展結構層長期沉降監測。其中S1置于聚氨酯結構層底部，S2置于聚氨酯結構層頂部，測試結果見圖11。

圖11 試驗段路基沉降監測

由圖11可知：設聚氨酯膠凝碎石加強層后，路基總沉降為17.89 mm，其中聚氨酯結構層產生13.21 mm的壓縮變形，同時發現聚氨酯結構層沉降主要發生在施工后7 d之內，但是后期沉降保持穩定，同時經過雨季后，根據現場工務人員反饋，沒有產生翻漿病害，可見增設聚氨酯膠凝碎石加強層可有效整治翻漿病害。

5 結論

提出一種基于重載鐵路基床表層增設聚氨酯膠凝碎石加強層的結構，并對其進行材料力學特性、施工工藝以及行車測試等現場試驗研究。主要結論如下。

(1)級配碎石摻9%聚氨酯膠水，孔隙率低、固化時間快、強度大、耐久性好，且混合料常溫下初凝時間40 min，初凝強度5.4 MPa，滿足天窗點施工和受力條件。

(2)半剛性結構層在包神重載鐵路瓷窯灣站翻漿冒泥整治試驗工點得到運用，施工工藝合理有效，能在

有限的4 h封鎖天窗時間內完成分段的翻漿冒泥整治工作。

(3)現場行車試驗顯示加強層具有較好的減振效果，減少線路維修工作量，增加線路使用壽命，現場長期監測證明采用聚氨酯膠凝碎石結構層整治翻漿冒泥病害效果顯著，且后期沉降保持穩定。