高速鐵路無砟軌道突發災害及應急搶修技術

易忠來 楊志強 靳昊 姜子清 劉浩 謝永江

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.中國鐵道科學研究院集團有限公司 高速鐵路軌道系統全國重點實驗室， 北京 100081

自2008年京津城際鐵路開通以來，我國高速鐵路建設快速發展。無砟軌道因具有高平順性、高穩定性、維修作業少的優點，被我國絕大多數高速鐵路采用。截至2022 年底，我國高速鐵路運營里程已超過4.2萬公里，占世界高速鐵路的70%以上，未來還將繼續發展。

無砟軌道主要由水泥基材料和鋼筋組成，整體穩定性和耐久性較好。TB 10005—2010《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》規定無砟軌道道床板、底座板設計使用年限為100年，而軌道板、支承層設計使用年限為60年。

工程實踐表明，在凍融循環、酸雨等因素長期作用下高速鐵路無砟軌道整體服役性能良好［1］。然而，除環境中侵蝕因素長期作用外，無砟軌道還可能面臨火災、水害、地震、高溫、撞擊等突發自然災害作用，不僅會給無砟軌道結構帶來嚴重傷損，更有可能威脅到高速列車運行安全，從而影響到正常運營秩序［2］。

2018 年10 月德國科隆—法蘭克福高速鐵路因列車著火，對Rheda型無砟軌道造成了嚴重損壞（圖1），嚴重影響了線路正常運營。2013年6月柏林—漢諾威—科隆高速鐵路某區間發生洪水災害，無砟軌道路基產生較大變形（圖2），洪水退去之后對受損嚴重區段進行了近一周的應急搶修。2004 年10 月日本中越地區發生6.8 級地震，造成日本新干線脫軌。現場調研發現，地震造成約1.6 km 高架橋上板式軌道及鋼軌、扣件傷損，部分區間鋼軌錯位；隧道內基底隆起，軌道板和仰拱傷損等，經過近5 d搶修全線才恢復通車。

圖1 科隆—法蘭克福無砟軌道道床板嚴重傷損

圖2 柏林—漢諾威—科隆無砟軌道路基嚴重損害

近年來，我國極端氣象事件增多，無砟軌道突發災害的防治越來越重要。2012 年，原鐵道部發布了鐵運〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規則》，為無砟軌道線路維修提供了技術方案和作業要求，然而該規則未考慮突發災害情況下無砟軌道的應急處置及搶修技術。不同于常規環境侵蝕因素影響下無砟軌道傷損逐漸累積過程，突發災害引起的無砟軌道傷損程度更高，維修難度更大。

目前，國內外對無砟軌道耐久性傷損產生原因、影響因素及整治技術研究較多［3-4］，但對突發災害引起的無砟軌道傷損甚至斷道情況鮮見報道。本文梳理了無砟軌道運營過程中可能產生的突發災害類型，探討了無砟軌道突發災害應急搶修技術，給出無砟軌道應急搶修技術發展方向，為突發災害條件下我國無砟軌道應急搶修提供參考。

1 無砟軌道突發災害傷損

1.1 突發災害類型

根據前期調研結果，無砟軌道突發災害主要由火災、水害、地震、高溫和撞擊引起。高速鐵路無砟軌道突發災害類型見表1。

表1 無砟軌道突發災害類型

火災發生時，高溫易導致水泥基材料內水化產物分解，破壞水化產物的穩定性［5］，導致混凝土開裂、剝落、層間離縫。同時，高溫作用下內部鋼筋、螺栓金屬晶體結構發生轉變，導致鋼筋抗拉強度大幅降低，無砟軌道結構承受荷載能力明顯下降，裂縫、變形等傷損程度加?。?］。洪水或短時間內強降雨時，大量地下水富集容易引發無砟軌道路基不均勻沉降，導致無砟軌道混凝土裂縫，同時伴隨層間離縫和上拱［7］。我國位于環太平洋地震帶與歐亞地震帶的交會部位，高烈度地震作用下無砟軌道容易因下部基礎變形較大而產生裂縫、層間離縫和變形［8］。連續高溫天氣時無砟軌道結構存在較大溫度梯度。較大的溫度梯度會使軌道板或道床板在服役過程中翹曲變形，導致無砟軌道上拱和開裂，影響高速列車的舒適性和安全性。在外部異物撞擊作用下，無砟軌道易產生部分缺損，影響無砟軌道結構整體服役性能［9］。

1.2 突發災害傷損等級

為突發災害后掌握無砟軌道傷損程度，制定應急搶修技術方案，對無砟軌道突發災害等級進行劃分。

1）突發火災

混凝土出現網狀裂縫、剝落及局部鋼筋傷損是無砟軌道突發火災的主要特征。根據無砟軌道突發火災傷損形式及其影響，可將傷損等級劃分為四級，見表2。其中，d為剝落深度。

表2 突發火災時無砟軌道傷損等級判斷標準

2）突發水害

突發水害時，無砟軌道容易產生軌道上拱、偏移及脫空。根據突發水害傷損形式及其影響，可將無砟軌道傷損等級劃分為四級，見表3。其中：h、w分別為軌道板或道床板上拱量、偏移量；u為軌道板或道床板下部脫空量。

表3 突發水害時無砟軌道傷損等級判斷標準

3）突發地震

突發地震時，無砟軌道出現混凝土局部裂縫、貫通裂縫、軌枕擋肩缺損和幾何變形。根據無砟軌道突發地震傷損形式及其影響程度，可將傷損等級劃分為四級，見表4。

表4 突發地震時無砟軌道傷損等級判斷標準

4）突發高溫

突發高溫導致無砟軌道軌道板或道床板上拱變形，可將軌道板或道床板上拱量作為無砟軌道突發高溫傷損程度的評價指標。根據軌道板或道床板上拱量及其影響程度，將突發高溫傷損劃分為四個等級，見表5。

表5 突發高溫時無砟軌道傷損等級判斷標準

5）突發撞擊

根據無砟軌道突發撞擊傷損形式及其影響，可將傷損劃分為四個等級，見表6。

表6 突發撞擊時無砟軌道傷損等級判斷標準

2 應急搶修技術

2.1 應急處置措施

無砟軌道發生突發災害時須要采取應急處置措施。無砟軌道的應急處置措施應遵循分級處置、協同應對的原則。根據無砟軌道突發災害傷損程度，從無砟軌道搶修方法、放行列車條件等方面提出適當的應急處置措施。

1）突發火災

針對不同等級突發災害，采取相應的應急措施并確定對應的放行列車條件。傷損等級為Ⅰ級時，列車可按設計時速正常通行。傷損等級為Ⅱ級時，應及時更換傷損扣件，對失效預埋套管進行改錨，并按列車時速不低于160 km 通過要求調節軌道平順性。同時，每間隔兩根軌枕安裝軌距拉桿對鋼軌進行加固，建議列車限速120 km/h 通行。傷損等級達到Ⅲ級和Ⅳ級時，應臨時封閉線路，對傷損無砟軌道更換處置，直至無砟軌道的穩定性、平順性滿足要求。

2）突發水害

傷損等級為Ⅰ級時，應按列車時速不低于200 km通過要求調節軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級為Ⅱ級時，應在無砟軌道下部脫空處采用塑料墊板臨時支撐，按列車時速不低于160 km 通過要求調整軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級達到Ⅲ級時，無砟軌道應采取臨時支撐措施，可采用特殊扣件，按列車時速不低于120 km 通過要求調節軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達到Ⅳ級時，應采用鋼墊板臨時支撐或灌注修補材料填充，可采用特殊扣件，按列車時速不低于80 km/h 通過要求調整軌道平順性，列車限速通行。

3）突發地震

傷損等級為Ⅰ級時，無砟軌道傷損程度較小，列車可限速200 km/h 通行，并根據天窗安排及時進行無砟軌道維修作業。傷損等級為Ⅱ級時，若存在連續軌枕擋肩缺損，需對擋肩缺損處進行修補，更換傷損扣件，對失效預埋套管進行改錨。同時，按列車時速不低于120 km 通過要求調整軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達到Ⅲ級或Ⅳ級時，應臨時封閉線路，對傷損無砟軌道予以更換。

4）突發高溫

傷損等級為Ⅰ級時，應及時按列車設計速度通過要求調整軌道平順性，列車以正常速度通行。傷損等級為Ⅱ級時，應按列車時速不低于250 km 通過要求調節軌道平順性，并在無砟軌道傷損處前后區域植筋錨固，列車限速120 ～ 200 km/h通行。傷損等級達到Ⅲ級時，軌道板或道床板下部采取臨時支撐措施，并按列車時速不低于160 km 通過要求調整軌道平順性。同時，在無砟軌道傷損處前后區域植筋錨固，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達到Ⅳ級時，應在無砟軌道下部采取臨時支撐，并按列車時速不低于120 km 通過要求調整軌道平順性。同時，應在無砟軌道傷損處前后區域植筋錨固，列車按限速80 km/h通行。

5）撞擊傷損

傷損等級為Ⅰ級時，應及時更換傷損扣件，按列車時速不低于250 km 通過要求調節軌道平順性，列車限速200 km/h 通行。傷損等級為Ⅱ級時，應更換傷損扣件，在嚴重缺損區段安裝軌距拉桿對鋼軌進行加固。同時，按列車時速不低于200 km 通過要求調節軌道平順性，列車限速160 km/h 通行。傷損等級達到Ⅲ級時，應間隔更換傷損扣件及修補軌枕擋肩。在嚴重缺損區段安裝軌距拉桿對鋼軌進行加固，按列車時速不低于160 km 通過要求調節軌道平順性，列車限速120 km/h 通行。傷損等級達到Ⅳ級時，應更換傷損扣件，間隔修補軌枕擋肩。若預埋套管失效，則進行改錨，并在受損區段安裝軌距拉桿對鋼軌進行加固。同時，按列車時速不低于120 km 通過要求調節軌道平順性，列車限速80 km/h通行。

2.2 發展方向

1）高性能應急搶修材料

由于高速鐵路呈條帶狀且露天服役，無砟軌道應急搶修材料應具有高早強、大流態、低收縮、強黏結、高耐久特征［10-11］。目前常用的高速鐵路無砟軌道應急搶修材料有聚合物水泥基材料、注漿修補材料、硅酮嵌縫材料，適用于無砟軌道混凝土缺損的修補、內部裂縫的填充、伸縮縫修補等［12］，基本滿足我國大部分地區高速鐵路無砟軌道應急搶修迫切需求。然而，由于我國高速鐵路跨越范圍廣，不同地區環境條件差異極大，天窗作業時間短，導致實際工程中仍存在修補材料適應性差、工作性能不足、長期耐久性難以保證等問題。針對不同的無砟軌道突發災害類型，研發環境適應性強、工作性能好、長期耐久性能好的高速鐵路無砟軌道應急搶修材料對于高速鐵路無砟軌道的應急搶修至關重要。

2）高效率整治裝備

當高速鐵路無砟軌道遭受突發災害時，往往傷損較大，嚴重時甚至造成列車中斷運行，需要盡快恢復運行。整治裝備的可靠與安全會影響到應急搶修效率，而目前應急搶修以人力為主，研發適用于高速鐵路無砟軌道的大型機械化養護維修裝備是無砟軌道應急搶修的迫切需求。

整治無砟軌道突發災害傷損時，一般需要先清除原有傷損部位，目前無砟軌道混凝土破除仍以電鎬為主，勞動力需求大，施工效率低。軌道板、軌枕、道床板內部鋼筋密集，采用繩鋸切割難以避免破壞內部鋼筋。高壓水射流技術在巖石破碎方面應用效果較好［13］。將高壓水射流技術應用于無砟軌道的應急搶修，有望在不破壞鋼筋的前提下實現對傷損混凝土的破除，具有較好發展潛力。

3 結論及建議

1）高速鐵路無砟軌道突發災害類型包括火災、水害、地震、高溫、撞擊等，主要傷損形式是剝落、裂縫、上拱、離縫、鋼筋失效等，突發災害對無砟軌道的平順性、高速列車運行的舒適性與安全性提出嚴峻挑戰。

2）高速鐵路無砟軌道突發災害應急處置措施包括限速通行、軌道精調、天窗時間修補、軌道部件替換等。突發災害發生時，應根據突發災害傷損等級確定相應的應急搶修措施。無砟軌道傷損程度高，難以快速搶修時，應封閉線路進行整治。

3）高速鐵路無砟軌道應急搶修技術應在搶修材料和整治裝備上進行產業創新與升級，研發環境適應性強、工作性能好、長期耐久性能好的無砟軌道修補材料、無砟軌道突發災害應急搶修用大型機械化養護維修裝備是將來的發展方向。