高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术

郑新国，刘 竞，李书明，谢永江，曾 志，杨德军，翁智财，刘相会

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

高速铁路沉降无砟轨道结构注浆整体抬升修复关键技术

郑新国，刘 竞，李书明，谢永江，曾 志，杨德军，翁智财，刘相会

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

我国部分无砟轨道线路地基、路基的工后沉降量较大，超过扣件的可调整范围，导致线路平顺性无法修复，列车不得不限速行驶。针对这一难题，通过大量的室内缩尺试验、现场实尺模拟对沉降无砟轨道结构注浆抬升用材料、装备和工艺等进行了系统研究。首次在实尺模型的基础上，结合破坏检查试验，对抬升实施效果进行了全面验证，并结合工程实践，形成了无砟轨道结构整体注浆抬升成套技术。该技术采用在级配碎石层注浆的方式，利用注浆压力及注浆材料膨胀力实现轨道结构的平稳抬升，能在不影响线路正常运营的情况下，利用天窗时间对无砟轨道结构进行整体抬升，恢复沉降地段的线路平顺性及扣件系统可调整量。与传统水泥基注浆技术相比，本技术具有施工设备小型轻便、物流简单、组织灵活、精度可控、次生病害少等显著优点。本文从抬升原理、注浆材料、设备工装、施工工艺、技术特点及其现场应用等方面对沉降无砟轨道结构整体注浆抬升关键技术进行了系统介绍，可为我国无砟轨道沉降病害修复与整治提供借鉴。

无砟轨道 路基 沉降 修复 注浆 抬升

1 概述

无砟轨道以其良好的整体性和稳定性在高速铁路建设中备受青睐，是高速铁路最为重要的轨道结构形式。目前，我国已开通运营及在建的无砟轨道线路总里程已突破1万km。相比于有砟轨道，无砟轨道结构仅能在扣件允许的调整范围内对轨道高程进行调整，这就大大限制了无砟轨道结构的平顺性调整、恢复能力。在我国，由于地质条件复杂等多方面原因，部分高速铁路在投入运营后，地基、路基产生了不可控的工后沉降，由此导致的线路不平顺问题是高速铁路运营过程中面临的一大难题。目前局部地段沉降量已远超出扣件允许调整量，只能采取限速的方式通过，严重影响了高速铁路的正常运营［1-3］。

为实现在天窗时间内有效解决超量沉降地段的无砟轨道结构不平顺性问题，中国铁道科学研究院铁道建筑研究所通过大量的室内试验及现场实尺模拟试验，对沉降区无砟轨道结构注浆抬升用材料、装备和工艺等进行了系统研究，并结合工程实践，形成了无砟轨道结构整体注浆抬升成套技术。该技术能在不影响线路正常运营的情况下，利用天窗时间对无砟轨道结构进行整体注浆抬升，从而恢复沉降地段的线路平顺性及扣件系统可调整量。该技术已分别在包西线冒天山隧道病害综合整治工程和大西客专永济北站无砟轨道沉降修复工程中进行了成功应用。

本文从抬升原理、注浆材料、设备工装、施工工艺及其技术特点等方面对无砟轨道结构整体注浆抬升技术进行了系统介绍，以期为我国高速铁路无砟轨道沉降病害的修复整治提供借鉴。

2 抬升原理

对无砟轨道结构进行整体注浆抬升时，注浆材料通过专用注浆设备，在一定的注浆压力下，经注浆管注入到无砟轨道结构的级配碎石基床表层中，如图1所示。通过注浆材料与注浆压力形成的液压传动效应及注浆材料的膨胀力实现对轨道结构的抬升。其具体抬升过程可分为两个阶段，即填充挤密阶段和抬升填充阶段。

图1 注浆整体抬升(单孔注浆)原理示意

在填充挤密阶段，注浆材料从注浆管口流出后，在一定范围内对既有空隙，如支承层与级配碎石间空隙或级配碎石内部空隙，进行填充、挤密，此时，轨道结构不被抬升。

在抬升填充阶段，注入的浆体与注浆压力形成液压传动效应，同时，注入浆体在固化形成结构体的过程中发生体积膨胀形成一定的膨胀力，在两者的共同作用下，轨道结构得以持续、平稳地抬升。

3 注浆材料

采用的注浆材料是一种双组分化学注浆材料，其经过机械混合后，迅速发生凝胶化学反应，在较短时间内形成固结硬化体，并可根据需要调整体积膨胀量。相比其他注浆材料而言，该材料具有以下特点［4-7］:

1)施工环境适应性强

注浆材料是一种非水反应类材料，当环境温度＞5℃时，其在空气、水中均能很好进行固化反应，具有较强的施工环境适应性。

2)渗透扩散能力强，填充性好

在适当的注浆工艺下，其扩散直径可达5 m以上，且自由膨胀比可达20∶1，填充能力强。同时，上部结构的反压作用对填充范围的下部结构体具有挤密、压实效果。

3)充盈范围可控制

注浆材料混合后，在较短时间内发生液态向塑态、固态的转变。因此，通过控制相转变时间，可实现充填范围灵活调整，不需要设立帷幕来防止浆体外溢。

4)密度小、重量轻，不增加结构荷载

注浆材料形成的结构体密度一般在100～300 kg/m3，远小于水的密度，基本不增加结构荷载。

5)凝结硬化快、强度发展快

注浆材料15 min可达到设计强度的90%以上，完全满足行车所需的强度要求，因此，在轨道结构抬升后可及时恢复运营。

6)体积稳定性好

注浆材料结构体形成后，基本不产生体积收缩，且在达到其破坏荷载的80%前呈完全弹性体性质，在疲劳荷载作用下，基本不产生残余变形。

7)耐久性好

高聚物注浆材料结构体具有较强的防水、抗冻、耐化学腐蚀性能，具有较好的耐久性。

4 注浆设备

注浆设备主要由注浆机、发电机、空压机、注浆管等小型设备组装而成，如图2所示，总重量不足600 kg。该设备具有经济、高效、可靠、实用、操作简单、故障率低的特点，能满足天窗时间快速、安全施工的需要。

5 无砟轨道结构整体注浆抬升工艺施工流程

(图3)

1)施工准备。①应结合施工量准备充足的原材料，并对原材料进行检验，确保原材料的质量;由于原材料为高分子化学材料，在储存时需要密封并且避免阳光直射。②主要施工设备及材料应运至指定地点。③对所有人员的分工进行再次确认，明确职责。④测量人员在需要修复的地段选取高程观测基准点，并完成待修复线路左右股轨面的高程数据采集工作。⑤应制定注浆抬升施工过程中各种记录表格，做好全过程的数据记录准备工作。

2)注浆孔位置标定。应根据无砟轨道结构钢筋布置图，确定钢筋的位置，再进行注浆孔布置。注浆孔布置时应尽量避开钢筋，轨道、扣件、承轨台、应答器、轨道电路等设施所在位置尽量不布注浆孔。

3)钻孔。采用电钻进行钻孔，钻头直径不宜大于30 mm，钻孔后采用特制的木塞对孔进行临时封堵，防止雨水进入轨道结构。

4)安装注浆管。将注浆管塞入相应的注浆孔中，并拧紧，以备注浆使用。

5)注浆抬升与监控作业。待注浆设备工作正常、注浆材料性能稳定后，按设定的注浆顺序、注浆节奏进行注浆抬升施工。注浆过程中，采用电子水准仪对左右轨道高程变化情况进行实时监测，采用全站仪对线路中线偏移情况进行实时监测，直至抬升高度达到目标抬升量后停止注浆。

6)拆除注浆管。在注浆完成后，应用专用的拔管设备将注浆管从注浆孔中拔出。

7)注浆孔封堵。当轨道结构抬升到设计高程后，采用高强度无收缩灌浆料及时封堵注浆孔。

图3 无砟轨道结构整体注浆抬升流程

6 技术优势

与传统水泥基注浆技术相比［8-9］，本文所介绍的技术具有施工设备小型轻便、物流简单、组织灵活、精度可控、次生病害少等优点。同时，对路基不产生破坏，且基本不增加附加荷载，规避了由于附加荷载导致的路基进一步变形的风险，可实现天窗时间内对沉降无砟轨道结构的快速修复，如表1所示。

表1 本文技术与水泥基材料注浆技术优缺点对比

7 工程应用

该技术分别在包西线冒天山隧道病害综合整治工程和大西客专永济北站无砟轨道沉降修复工程中进行了成功应用。

1)包西线冒天山隧道病害综合整治工程

图4 道床板间的错台现象

包西线(下行)冒天山隧道位于陕西省延安市子长县境内，全长14.945 km，起止里程为DK435+ 122.10—DK450+067。隧道内轨道结构为双块式无砟轨道结构，从上至下依次由钢轨、扣件、道床板、找平层、仰拱填充层、仰拱等构成。其中，道床板宽2.8 m、厚300 mm，为C40现浇钢筋混凝土结构，道床板每6.25 m设置一道横向贯穿伸缩缝，宽20 mm。包西线2010年开通运营后，该隧道由于地基水患问题导致其60 m长无砟轨道有3块道床板出现不均匀沉降，最大沉降量为50 mm，相邻道床板高程差最大近30 mm(图4)，严重影响了行车安全。为了恢复线路的平顺性，工务部门采用了增加扣件系统垫板厚度的方法对轨道线路进行调整(图5)。由于采用此种方法调高轨道后轨道稳定性变差，在运营期间对列车限速80 km/h。

图5 加厚的特殊垫板

2013年11月，采用整体注浆抬升技术对冒天山隧道内道床板沉降病害进行了整治(图6)。在注浆抬升过程中，通过合理设置注浆孔位置及调整材料性能，最终将沉降道床板抬升至设计高程，且保证相邻道床板齐平，恢复了WJ-7型弹性分开式扣件的标准垫板厚度。整治后，该区段列车行驶速度恢复至设计行车速度，达到了预期的修复效果，同时隧道水患问题也在一定程度上得到了解决。现场钻芯取样检查(图7)表明，注浆材料在无砟轨道结构缝隙中填充饱满，注浆材料结构致密、强度较高。

图6 冒天山隧道内无砟轨道注浆抬升修复现场

图7 现场钻芯取样检查

2)大西客专永济北站无砟轨道沉降修复工程

大西客运专线永济北站位于山西省运城市境内，站内线路设计为4股道。1，2股道为正线，3，4股道为到发线。各线轨道均为CRTSⅡ型双块式无砟轨道结构。线路建成后，由于路基的不均匀沉降，永济北站1～4线轨道在80 m长范围内均出现较大的不平顺性问题，线路局部最大沉降量超过50 mm。

2014年3月至4月，采用无砟轨道结构整体注浆抬升技术对永济北站沉降的无砟轨道进行修复(图8)。修复后，线路平顺性得到明显改善。图9为各线路注浆抬升前后高程对比。在随后进行的联调联试测试过程中，该线路区段轨道结构的各项动力响应均无异常。

图8 大西客专永济北站无砟轨道注浆抬升

图9 永济北站各线路注浆抬升前后高程对比

8 结语

本文所介绍的无砟轨道整体注浆抬升技术具有修复速度快、效果好、施工相对简单，适用于天窗点施工，对既有线路结构基本不造成破坏等特点，是目前在不影响轨道结构受力及行车安全的情况下，对沉降区无砟轨道修复整治的一种快速简易、切实有效的方法，在已开通运营的既有线无砟轨道沉降修复领域应用前景广阔。

采用本技术进行无砟轨道整体注浆抬升时，除了施工过程的精细操作、严格监控、精心把控外，应根据不同的无砟轨道型式(CRTSⅠ、CRTSⅡ型板式无砟轨道，双块式无砟轨道，道岔区无砟轨道等)，采用与之匹配的注浆材料及其工艺参数，以保证修复整治效果。

［1］张家海.CRTSⅠ型板式无砟轨道抬升修复技术研究［J］.上海铁道科技，2013(4):71-73.

［2］易小明，张顶立，逄铁铮，等.房屋注浆抬升实践与监测分析［J］.岩土力学，2009(12):3776-3782.

［3］王涛，王鑫，吴绍利，等.我国板式无砟轨道的维修与部件更换研究［J］.铁道建筑，2014(11):157-160.

［4］石明生.高聚物注浆材料特性与堤坝定向劈裂注浆机理研究［D］.大连:大连理工大学，2011.

［5］边学成，程翀，王复明，等.高速铁路路基沉降高聚物注浆修复后动力性能及长期耐久性的试验研究［J］.岩土工程学报，2014，36(3):562-568.

［6］张宝文.高速铁路软黏土地基压密注浆及劈裂注浆试验研究［D］.成都:西南交通大学，2013.

［7］苏进岩.双液注浆抬升技术在建筑结构纠倾处理中的应用［J］.城市建设理论研究，2013(23):1-6.

［8］牛草沣.无砟轨道道岔沉降区注胶抬升处理技术［J］.建材与装饰，2013(40):158-160.

［9］唐智伟.注浆抬升机理与抬升效果预测方法研究［D］.北京:北京交通大学，2006.

Key technologies of remedying settlement of high speed railway ballastless track by lifting whole structure and jet-grouting under it

ZHENG Xinguo，LIU Jing，LI Shuming，XIE Yongjiang，ZENG Zhi，YANG Dejun，WENG Zhicai，LIU Xianghui
(Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Subgrade settlement is found to be the major defect for some ballastless lines in China，as fastening adjustment can no longer ensure the smoothness of the line，which leads to the speed-limit operation of the train. Under such background，Out indoor scaled test and in-situ full-scale modeling were carried to study the material，equipment and technique applied in the grouting of ballastless track.This ground-breaking study builds full-sized model to simulate the situation and conducts destructive test，so as to examine the lifting effect of the grouting procedure.Thanks to such effort and the best practice accumulated in previous projects，the workflow for overall grouting of ballastless track is proposed，where the grouting method for graded crushed-stone layer is applied.The approach is able to lift the track structure smoothly to its previous level，as it takes use of the grouting pressure occurred and the swelling force of the grouting material，and any minor irregularity can be mended in fastening adjustment.It needs to be noted that the reparation can be carried out within the possessive interval for construction，in other words it does not disrupt the operation plan.Compared with the traditional cement-subgrade grouting technique，the new approach promises straight-forward workflow and limited secondary defects，in the mean time，it stands out in its flexibility in scheme arrangement，precision in quality control，lightness and size of the equipment applied.The paper gives a systematic overview on the key technology in the grouting of ballastless track settlement，as it covers the lifting principles，grouting material，equipment and tools，engineering technique，technical features and the best practice arrived from in-situ application.It in tends to contribute its due part to the reparation and treatment of balastless track settlement.

Ballastless track;Subgrade;Settlement;Reparation;Grouting;Lifting

U238;U213.2+44;U216.42

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.01.21

1003-1995(2015)01-0093-05

(责任审编 李付军)

2014-09-16;

2014-10-25

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2013G008-D);中国铁道科学研究院基金项目(2011YJ84，2011YJ86);上海铁路局科研项目(HHKZ2013-01)

郑新国(1974—)，男，湖北天门人，副研究员，硕士。