聚氨酯在铁路道砟粘结技术中的应用综述

朱永见

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都　610031)



聚氨酯在铁路道砟粘结技术中的应用综述

朱永见

(西南交通大学高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都610031)

有砟轨道在薄弱地段的维修工作频繁、轨道几何形位保持难度大。利用聚氨酯材料将散体道砟粘结起来，可增强轨道结构并延长维修周期。通过对国外处理有砟轨道薄弱地段的聚氨酯道砟粘结技术进行分类总结，并与国内进行对比分析。结论为：(1)归纳总结了聚氨酯道砟粘结技术在国内外应用的断面粘结形式；(2)对比分析了聚氨酯道砟粘结技术在国内外新建铁路有砟-无砟过渡段的应用情况，给出了建议的过渡段粘结形式；(3)既有线宜采用道砟胶固化道床，并根据病害的位置和路基排水功能，选择影响维修的或不影响维修的断面粘结形式。

聚氨酯；道砟粘结技术；既有铁路；道砟胶

1　概况

有砟轨道具有弹性好、维修方便、造价低廉、施工速度快等优点，故在世界范围内得到了广泛应用。但在一些大机不易作业和需要频繁维修才能保持轨道良好状态的薄弱地段，有砟轨道表现出它的不适应性，如有砟-无砟接合部、受水严重侵害的软弱路基地段、道岔区、平交道口和小半径曲线地段等。把散粒体道砟用粘结材料粘结起来，即增强了轨道保持几何形位的能力，又因减小了道砟和基床的受力而减少轨道的后期沉降，可大幅减少维修工作量。

该技术所采用的材料也有很多，如沥青、环氧树脂和聚氨酯等。沥青道床对下部基础排水要求高，且热稳定性不好；环氧树脂道床抗冲击能力差，易产生脆裂；聚氨酯具有橡胶的弹性、韧性及塑料的高强度，是合成材料工业中比橡胶和塑料性能更为独特的一种新型材料[1]，在国内外铁路中被越来越多的用于道砟粘结技术。

按照粘结原理的不同，分为泡沫固化道床和道砟胶固化道床[2-3]。应用中至关重要的就是根据需要设计与之相应的断面粘结形式。本文针对聚氨酯道砟粘结技术在国内外应用的断面粘结形式进行分类总结，并与国内的应用情况进行对比分析，给出了有砟-无砟过渡段建议的断面粘结形式，对既有线应用时断面粘结形式的选择进行了分析。

2　泡沫固化道床

泡沫固化道床把粘结区域的道砟孔隙完全填充，影响了道床的排水功能，故需配套使用排水垫[2]。目前，该技术主要在德国和中国有应用，应用的断面粘结形式见图1。粘结后的道床维修性差，故该轨道结构要求下部基础稳定和施工后道床的累积变形小，并配套使用调整量大的扣件系统。

图1　聚氨酯泡沫固化道床横断面[2]

3　道砟胶固化道床

道砟胶固化道床在道砟接触的点、面及其周围进行粘结，粘结材料仅占据道砟孔隙的22%～30%，故不影响道床的排水功能[3]。根据其使用目的，分为表层粘结和结构粘结。结构粘结根据其是否影响有砟轨道传统的维修作业，分为影响维修的断面粘结形式和不影响维修的断面粘结形式。

3.1表层粘结

表层粘结是把道床的表层区域进行全部或部分粘结，其目的并非为了改善道床的力学特性[4]。故粘结的厚度较小，通常不大于10 cm，应用如防止飞砟、道床表层封闭以便于车站或轨道表面杂物的清理、一线施工或重建时临线道床的加强和边坡防护等。图2为表层粘结的横断面示意图。通过改变表层道砟的粘结区域满足不同的要求。

图2　道砟表面粘结

3.2影响维修的断面粘结形式

结构粘结的目的是为了改善道床的力学特性，粘结厚度一般为10～25 cm。通过增强轨道保证几何形位的能力和减少轨道的后期积累沉降来达到减少维修工作量的目的。如用于加强有砟-无砟过渡段接合部的薄弱区、提高小半径曲线地段横向位移的约束、提高接头的稳定性和耐久性、提高轨道的承载能力等[3-4]。该技术因将轨枕与道砟粘结在一起，从而影响了有砟轨道的可维修性。因此，施工前须保证下部基础的稳定性和轨道的几何形位精调到位。

3.2.1有砟-无砟过渡段

在欧洲，主要是通过改变道床的断面粘结形式来实现无砟向有砟道床刚度的分级均匀过渡。其研究认为过渡段直接造成列车动态特性增加的区域为接合部8～12 m区段，故设计时，分4段过渡，每段粘结4根轨枕。从无砟向有砟，通过改变粘结区域的深度和宽度来达到道床刚度均匀过渡的目的[4]，粘结横断面见图3。第1段粘结的区域为1、2、3和4，第2段为区域2、3和4的部分宽度，第3段为区域2和3，第4段为减小粘结厚度的区域3。

图3　国外道砟胶用于过渡段的横断面[4](单位：cm)

国内分3段进行过渡，从无砟向有砟，分别是全断面粘结、部分断面粘结和局部断面粘结[3]，粘结长度每段均相同。根据铁路运营速度的不同，粘结总长为20～45 m，通过改变道床的断面粘结形式，达到从无砟向有砟道床刚度的分级均匀过渡。粘结的横断面见图4。全断面粘结的区域为1、2和3，部分断面粘结的区域为1和3，局部断面粘结的区域为1。

图4　国内道砟胶用于过渡段的横断面

3.2.2限界问题

在匈牙利一个位于曲线地段的隧道内，道床厚度仅5～8 cm，因枕下道砟破碎和横向约束不足而造成列车超出限界，同时伴随着严重的高低和轨向问题。采用道砟粘结技术增强道床之后，解决了限界和几何形位不良问题[4]，粘结的横断面见图5。

图5　道砟胶用于解决隧道的限界问题[4](单位：cm)

3.2.3平交道口

在克罗地亚的萨格勒布有一个位于工业区的平交道口，较多的重型货车和铁路货运使得轨道变形加剧，原有铺设的橡胶面板已不能满足运能的需求，须采用混凝土面层板。混凝土面层板会增加道床承受的荷载，从而加速其变形速率，缩短轨道的维修周期。采用道砟粘结技术，将承受荷载较大的枕下道砟进行粘结，可提高道床的承载能力并减小沉降速率[4]，粘结的横断面见图6。

图6　道砟胶用于平交道口[1](单位：cm)

3.3不影响维修的断面粘结形式

随着列车速度和轴重的提高，因道床沉降和横向约束不足带来的维修问题越来越突出。为提高轨道的可使用性并延长维修周期，英国采用XITRACK技术对道砟进行三维加固。经过室内试验和仿真分析，将其用于车站、隧道、道岔区、过渡段、桥上的钢轨伸缩调节器、平交道口和软弱路基等地段。该技术最大的特点就是不影响有砟轨道传统的维修作业，包括起道、拨道、捣固和吹砟作业等，且固化速度快，10～15 s即可凝固，几分钟就可达到材料强度的50%，1 h就可达到材料强度的90%[6-8]。故该技术非常适用于既有线对工期要求紧张的地段。

3.3.1道岔区

列车通过桥梁地段的有砟轨道时，因桥梁挠曲振动，使道砟的振动加剧。随着列车速度的提高，道砟的振动更加剧烈，甚至可导致道砟的液化。为减小桥梁地段道砟的振动，高速铁路要求应采用弹性轨枕或铺设砟下弹性垫层[5]。

采用XITRACK技术可减小道砟的振动。2008年英国将该技术应用于桥梁与路基连接地段的单开道岔区，断面粘结形式见图7。实践证明，该技术可有效解决因道岔区较大的垂横向力而引起的道床空洞和沉降问题，减少转辙机处道床的病害，避免频繁的维修作业[6-7]。

图7　XITRACK技术用于道岔区(单位：cm)

3.3.2隧道地段的有砟-无砟过渡段

在地下水丰富的隧道地段，有砟轨道和无砟轨道均遭受水的侵害。这种病害在隧道出口处的有砟-无砟过渡地段更为严重，不仅造成接合部有砟侧的翻浆冒泥和轨枕空吊，还造成接合部无砟轨道上层混凝土板的破裂和扣件失效[6]。在线路大修时，采用XITRACK技术对枕下部分进行处理，处理长度为12.1 m，粘结的横断面见图8。通过无砟向有砟侧设置过渡板的厚度变薄实现断面粘结厚度的逐渐增加，粘结宽度为3.515 m；再通过减小断面粘结宽度到2.620 m来与有砟地段实现更好的刚度衔接[6]。

图8　XITRACK技术用于无砟-有砟过渡段

3.3.3钢轨伸缩调节器

XITRACK技术应用于钢轨伸缩调节器区，可解决因伸缩区轮轨垂横向力过大而引起的道床空洞和沉降问题，提高轨道的安全性，减少维修工作量，其粘结断面形式与道岔区类似。

3.3.4限界问题

列车通过车站或隧道时，需与车站站台或隧道边界保持一定的安全距离。安全距离的实现有3种方式：一是由设计的道床断面来实现，为软约束；二是对道床肩砟进行额外的堆高，为中等约束；三是不允许轨道有横向位移，为强约束。采用XITRACK技术，可实现强约束，使轨道的横向位移限制在1.5 mm以内。该技术已成功应用于英国的格罗夫山隧道(2007)和霍克顿站(2009)[7，10]，见图9。通过粘结区域1、2、1和2来分别解决横向、垂向、横向和垂向的限界问题[10]。

图9　XIRACK技术用于解决限界问题

3.3.5软弱路基地段

瑞利波在软弱路基地段的传播速度较小，限制了高速列车的正常运行。采用加固路基或减小路基的振动均可使列车的速度恢复正常。加固路基的方法有换填土、水泥和灰土稳定、采用混凝土桩等，但这些处理方法均费时费钱；采用XITRACK技术把松散的道砟粘结起来，通过减小道砟的振动来减小路基的振动，从而使列车速度恢复正常[7]。

以位于英国西海岸线Gravel Hole的软弱路基为例，采用XITRACK技术时的情况见图10。该路基由软弱黏土组成，且地下水位很高，列车通过时的位移超过8 mm，故将速度从200 km/h限速为125 km/h。采用XITRACK技术进行处理，处理的横断面见图11。采用50 mm砂垫层+土工布+300 mm道砟粘结处理层+300 mm未处理层。处理后列车速度恢复到了200 km/h，对应的最大位移约4 mm，满足行车安全性要求，且不影响线路的正常维修[7]。此外，英国针对常用的黏土路基地段的轨道结构形式，对采用XITRACK技术后的轨道沉降规律进行了室内疲劳试验。结果表明，采用XITRACK可显著改善路基的受力状态，大大减少其塑性变形，从而大大减少轨道的后期累积沉降[11]。

图10　英国Gravel Hole的软弱路基[7]

图11　软弱路基处理的横断面

3.3.6横向约束不足地段

道岔区和软弱路基的曲线地段作用有较大的横向力，轨道方向难以保持，需要频繁的维修才能保持轨道良好的几何状态。采用XITRACK技术对肩砟进行处理，处理之前需先调整好轨道的几何形位，轨道即可持久保持良好的轨向，且不影响轨道的起道维修[9]，粘结的横断面见图12。

图12　XITRACK技术用于肩砟加固(单位：cm)

3.3.7平交道口

2004年，英国Purfleet深水码头的一个拥有大量公路和铁路货车通过的平交道口，因路基软弱和地下水位较高，轨道病害一直持续不断。通过对各种处理方案的比选，最终选择了XITRACK技术，设计的横断面见图13。截止到2013年4月，该平交道口运营情况良好，粘结的区域还没有进行过维修作业[12]。

图13　XITRACK技术应用于平交道口(单位：cm)

4　对比分析

目前，在国内新建铁路中，在一些桥隧地段试用了泡沫固化道床，应用形式与德国类似，这里不再作对比分析。

针对道砟胶对道床参数的影响，国内已做了一些室内和现场测试[13-14]，并在一些有砟-无砟过渡段试用了道砟胶固化道床，但其应用形式与国外差别较大，对此将作详细分析。在防飞砟地段和既有线一些边坡防护地段应用了表层粘结技术，与国外相比，国内在既有线应用很少，下文将对既有线应用道砟粘结技术时断面粘结形式的选择作详细分析。

4.1有砟-无砟过渡段

由图4知，国内应用于有砟-无砟过渡段的断面粘结形式是影响维修的，但与国外相比又有所不同，主要表现在断面粘结形式、粘结长度和分级数目。

4.1.1断面粘结形式

对比图3和图4可知，断面粘结形式在第一段类似，粘结的区域也最大。因有砟-无砟接合部地段的刚度差异和沉降差异最大，在这个区域进行最大程度的加强是合适的。国外在粘结第一段之后，枕底的道砟已不粘结，而主要是通过改变肩砟的粘结宽度和轨枕之间的粘结区域达到刚度的逐级过渡；国内主要是通过粘结肩砟及边坡与否达到道床刚度的分级过渡。

4.1.2粘结长度和分级数目

国外分4段实现道床刚度的逐级过渡，每段4根轨枕，粘结总长约10 m。国内分3段实现道床刚度的逐级过渡，每段长度均相同。根据运营速度的不同，粘结长度为20～45 m。从设计的角度来说，国内在粘结长度方面考虑了列车速度的影响，具有一定的合理性，但粘结长度明显高于国外，分级数目却不如国外多。

4.1.3建议的有砟-无砟过渡段粘结形式

将枕下道砟粘结一定的厚度不仅提高了道床的刚度，还极大地减小了粘结区域及整个轨道结构的后期积累变形，在控制粘结区段的后期累积沉降方面是有利的，更易保证轨道的少维修性。但边坡的粘结无论从功能上还是从后期累积变形的控制上，都是没有必要的。此外，为与有砟轨道在刚度和沉降方面有较好的衔接，与有砟道床衔接处枕下粘结厚度应适当降低。

通过对比分析道砟胶固化道床在国内外新建铁路的应用情况，结合XITRACK技术已做的室内疲劳试验，给出国内应用于有砟-无砟过渡段建议的断面粘结形式：普速铁路分3段进行粘结，粘结的横断面见图14，第1段粘结区域为1、2和3，第2段为1和3，第3段为减小粘结厚度的区域1；客专和高速铁路分4段进行粘结，前两段与普速相同，第3段为区域1，第4段为减小粘结厚度的区域1。

枕下粘结厚度应根据设计并结合施工时道床的状态进行确定，道床密实性好的时候可适当减小粘结厚度，否则，应增大粘结厚度。参照铺装轨道的经验[15]，为有效控制道床的后期累积沉降，粘结的最小厚度不宜低于15 cm。

关于过渡段的粘结长度，目前国内采用的显得保守，应通过动态测试并结合动力学仿真进行确定。

图14　建议的断面粘结形式

4.2既有线断面粘结形式的选择

既有线采用道砟粘粘技术时，应从对道砟的要求、施工性、病害位置及排水功能等方面入手，选择合适的粘结材料和相应的断面粘结形式。

4.2.1对道砟的要求

泡沫固化道床对道砟的要求最高，国内均要求为特级材质和一级道砟级配[11]，故其主要适用于新建铁路。道砟胶固化道床对道砟的要求相对较低，即使道床有些许脏污也影响不大，故其在新建铁路和既有铁路中均得到了大量应用。

4.2.2施工性

泡沫固化道床的施工工艺最为复杂，需要较多的大型设备配合并中断运营；就道砟胶固化道床而言，影响维修的粘结形式的施工相对简单，不需要移除钢轨、轨枕等部件，施工时只需短时轮流封锁单线，不用全部中断交通，施工快捷；不影响维修的粘结形式的施工相对繁琐，需先将粘结区域以上的道砟和轨道部件移除，当粘结区域的道砟脏污严重或排水不良时，还要进行换砟并对排水功能进行修复，故施工时需封锁线路几天，施工速度相对较慢。

4.2.3断面粘结形式的选择

综合分析各道砟粘结技术对道砟的要求和施工性，考虑到既有线施工要求中断交通的时间尽可能的短，故既有线应用该技术时，宜采用施工方便快捷并对道砟质量要求较低的道砟胶固化道床。

既有线采用道砟胶固化道床时，应根据病害的类型采用相应的断面粘结形式。当病害位于道砟层且路基排水条件良好时，因下部基础稳定，应采用对道床扰动最小的影响维修的断面粘结形式；当病害位于路基或者路基与道床的接合部时，应采用不影响维修的断面粘结形式，并修复道床和路基的排水功能。

5　结语

(1)归纳总结了聚氨酯道砟粘结技术在国内外应用的断面粘结形式。

(2)对比分析了聚氨酯道砟粘结技术在国内外新建铁路有砟-无砟过渡段的应用情况，指出了国内应用中的不足，给出了建议的过渡段粘结形式。

(3)既有线宜采用道砟胶固化道床，并根据病害的位置和路基排水功能，选择影响维修的或不影响维修的断面粘结形式。

(4)为聚氨酯道砟粘结技术在国内新建铁路和既有铁路的推广应用提供参考。

[1]徐培林，张淑琴.聚氨酯材料手册[M].北京:：化学工业出版社，2002.

[2]中国铁路总公司科技管理部.TJ-GW115-2013聚氨酯泡沫固化道床暂行技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[3]中国铁路总公司科技管理部.TJ-GW116-2013聚氨酯道砟胶暂行技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[4]Stjepan Lakuši，Maja Ahac，Ivo Haladin.Track stability using ballast bonding method[J].Slovenski Kongres O Cestah In Prometu，Portorož，20-22.oktobra, 2010:332-340.

[5]国家铁路局.TB 10621—2014高速铁路设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2014.

[6]Woodward P K，Kacimi A E，Laghrouche O，et al.Application of polyurethane geocomposites to help maintain track geometry for high-speed ballasted railway tracks[J].Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)，2012，13(11)：836-849.

[7]Woodward P K，Kennedy J，Medero G.Improving the safety of the railway track infrastucture using insitu polyurethane geocomposites[R].School of Built Environment，Heriot-Watt University，Riccarton，Edinburgh: 2009.

[8]Woodward P K，Kennedy J，Medero G.Three-dimensional track reinforcement using polymer geocomposites[C]∥Proceedings of the 2009 American Railway Engineering and Maintenance of Way Association (AREMA)，Chicago Illinios USA: 2009.

[9]Woodward P K，Kennedy J，Medero G，Banimahd M.Application of in-situ polyurethane geocomposite beams to improve the passive shoulder resistance of railway track[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2012，226(3)：294-304.

[10]Woodward P K，Kennedy J，Medero G，Banimahd M.Maintaining absolute clearances in ballasted railway tracks using in situ 3-dimensional polyurethane GeoComposites[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part F: Journal of Rail and Rapid Transit，2012，226(3)：257-271.

[11]J.Kennedy，P.K.Woodward，G.Medero，et al.Reducing railway track settlement using three-dimensional polyurethane polymer reinforcement of the ballast[J].Construction and Building Materials，2013 (44)：615-625.

[12]Woodward P K，Thompson D，Banimahd M.Geocomposite technology: reducing the railway maintenance cycle[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers，Transport Journal，2007，160(3):109-115.

[13]王斌，包进荣，杨冠岭，等.道砟胶对道床参数的影响研究[J].铁道标准设计，2010(11):14-16.

[14]朱永见，亓伟，陈攀.道砟胶对过渡段道床参数的影响规律研究[J].铁道科学与工程学报，2016，13(1):34-39.

[15]许琰，李家林.沥青道床新型轨下基础[J].铁道建筑，1980(1)：4-9.

Overview of Polyurethane Application in Ballast-bonding of Railway

ZHU Yong-jian

(MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031, China)

Track maintenance work is frequently conducted in weak sections of ballasted track，and the track geometry is difficult to maintain.Track structure can be strengthened by bonding ballast with polyurethane geocomposites，and maintenance cycle can also be extended.This paper classifies and summarizes polyurethane ballast-bonding practices in weak sections of ballasted track overseas and compares them with the applications in China.The results include the summary of the ballast-bonding section forms used at home and abroad，the comparison and analysis of the applications of polyurethane ballast-bonding technology in new line of the transition zone between ballasted and ballastless sections with suggested bonding form for the zone.The existing railway should use ballast glue to consolidate ballast bed and choose suitable bonding section form depending on the location of defects and drainage function of subgrade.

Polyurethane; Ballast-bonding technology; Existing railway; Ballast glue

2016-03-02；

2016-04-19

朱永见(1987—)，男，博士研究生，研究方向为高速重载轨道结构及轨道动力学，E-mail：zyjian1987@163.com。

1004-2954(2016)10-0031-05

U214.2

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2016.10.008