聚氨酯固化道床技术研究与应用

韩自力，郄录朝，王红，许永贤

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2. 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

聚氨酯固化道床技术研究与应用

韩自力1，2，郄录朝1，2，王红1，2，许永贤1，2

（1. 中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081；2. 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081）

聚氨酯固化道床是一种弹性整体道床结构，既有有砟道床良好的弹性，又有无砟轨道整体性强、稳定性好和少维修的特点。介绍道床固化技术的发展历程及我国聚氨酯固化道床技术和关键技术，阐述聚氨酯固化道床的技术优势，现场实践证明聚氨酯固化道床技术的应用对于环境保护、资源节约和工务维修具有重要意义。聚氨酯固化道床技术在我国虽已具备推广应用的条件，但在明确应用范围的同时，应进行工艺和施工装备的深化研究，进一步降低小段落铺设聚氨酯固化道床的施工成本，提高工效。

聚氨酯固化；固化道床；道床固化技术；轨道结构；工务维修

0 引言

截至2016年底，全国铁路营业里程达12.4万km，其中高速铁路2.2万km以上[1]，根据国务院批准新调整的《中长期铁路网规划》，到2020年，铁路网规模达到15万km，其中高速铁路3万km；到2025年，铁路网规模达到17.5万km，其中高速铁路3.8万km[2]。在党中央、国务院的高度重视和大力推动下，我国高速铁路实现快速发展，建成了日益完善的高速铁路运营网络，科技创新实现重大突破。与此同时，新开通运营线路出现了一些新的问题，如高铁卧铺动车组开行、货车轴重和速度提高等客货运输新形势给工务维修带来深层次的影响，进一步加大对工务安全的压力[3]。近年来，针对特殊地段需求，研发的聚氨酯固化道床，是在已经达到稳定的道床内，浇注由异氰酸酯与多元醇等组成的混合料，在道砟间完成发泡、膨胀和凝固，挤满道砟间的空隙，同时牢固粘结道砟颗粒，形成弹性的整体道床结构。聚氨酯固化道床是兼备了有砟轨道和无砟轨道优点的一种新型轨道结构，其广泛应用对工务设备维修，具有重要意义。

1 技术发展

铁路道床固化技术是在碎石道床稳定后浇注或喷洒固化材料，将散粒体道床固化成整体结构的过程，固化材料历经沥青、环氧树脂和聚氨酯材料等。沥青固化道床因可维修性差，服役寿命短，应用很少；环氧树脂材料的应用主要是防止道砟飞溅，日本在东海道新干线开通运营后进行了试验和应用，我国在秦沈客运专线进行了试验，但由于环氧树脂韧性和耐冲击损伤能力差，易发生脆性破坏，实际应用很少。

聚氨酯固化技术分为刚性粘结和弹性粘结。刚性粘结技术（聚氨酯道砟胶）起始于道床的表面粘结，目的是防止道砟飞溅，随后逐步发展成提高道床稳定性和刚度均匀过渡的结构粘结。聚氨酯道砟胶应用最多的是线路上的特殊区段，包括改善刚度均匀性的路桥、路隧、道岔前后的过渡段，提高道床稳定性的道岔区，防止横向位移的小半径曲线上，改善其稳定性和耐久性的胶结绝缘接头处。聚氨酯道砟胶在特殊地段的应用见图1。

近年来，德国、中国相继对聚氨酯弹性粘结技术进行了研究和应用，其主要目的是提高道床的稳定性和轨道性能的长期保持能力，减少养护维修工作量。聚氨酯弹性粘结技术见图2，聚氨酯固化道床示意见图3。

图1 聚氨酯道砟胶在特殊地段的应用

图2 聚氨酯弹性粘结技术

图3 聚氨酯固化道床示意图

2 发展意义

聚氨酯固化道床是一种弹性整体道床结构，既有有砟道床良好的弹性，又有无砟轨道整体性强、稳定性好和少维修的特点，且对线下基础的适应能力较强，聚氨酯固化道床技术具有良好的发展前景。

首先，符合国家经济社会发展政策。在国家“创新、协调、绿色、开放、共享”5大发展理念中，聚氨酯固化道床技术体现了“创新”“绿色”2大方面。一是“创新”，聚氨酯固化道床作为新型轨道结构，不仅具有无砟轨道和有砟轨道的优点，而且还对2种轨道结构型式的不足进行改进，其应用将对工务设备维修带来深刻变革。二是“绿色”，聚氨酯固化道床的应用，相比有砟轨道，可大量减少日常维修道砟用量，减少石材资源的利用，减少矿山开采对环境的破坏。聚氨酯固化道床技术符合国家发展战略，有极强的生命力。

其次，符合“生态文明建设”要求。

国家将“生态文明建设”放在与经济建设同等重要的位置，并提出“生态文明建设”就是突出短板。铁路相对于其他运输方式，本就在节约能源、土地、材料、人力、时间等5个方面较有优势，随着聚氨酯固化道床的应用，将大大缓解有砟轨道线路固有的粉尘污染（清筛、捣固）、噪声污染（尤其是在市区和村镇的夜间天窗内的机械化作业，对居民生活质量影响很大）以及无砟轨道线路在环境敏感地区的振动污染，克服无砟轨道修复难、变形要求高等问题，使铁路运输更环保、更绿色，符合铁路“生态文明建设”的发展方向。

第三，顺应轨道结构现代化的大趋势，符合铁路技术政策。在不宜铺设无砟轨道的地段铺设聚氨酯固化道床，能够满足“高可靠、高稳定、高平顺”的基本要求，最大限度地减少维修工作量，解放生产力，改善工务职工的生产条件，有助于实现“扔掉洋镐”目标。

3 关键技术

为推动聚氨酯固化道床技术的发展和国产化，我国自2010年立项研究相应技术：《聚氨酯固化道床及轨道结构减振技术的试验研究》《高速（重载）铁路整体道床固化材料研究及关键装备研制》《聚氨酯固化道床关键技术及标准研究》《聚氨酯固化道床关键技术深化研究》《聚氨酯固化道床施工轨道变形控制技术及养护维修技术研究》，形成了具有自主知识产权的聚氨酯固化道床结构设计、材料制备、施工工艺和装备等成套技术，提出了养护维修方法，编制了TJ/G W115—2013《聚氨酯泡沫固化道床暂行技术条件》。2016年2月25日，聚氨酯固化道床成套技术通过了中国铁路总公司的技术评审，标志着聚氨酯固化道床技术日趋成熟。

3.1 轨道结构断面

结合我国运营条件和线路特点，根据轮轨动力响应和荷载传递特征设计的双梯形聚氨酯固化道床结构，满足道床强度、稳定性、耐久性要求，聚氨酯材料将道砟颗粒粘结在一起，在道砟承受荷载时不会产生错动、移位、破碎和粉化，极大地提高了轨道品质和使用寿命。我国铁路一般区段双梯形聚氨酯固化道床结构断面见图4。

图4 双梯形聚氨酯固化道床结构断面

3.2 固化材料

经过组分调控和现场发泡工艺，分别研发了适用于高速铁路和重载铁路的聚氨酯道床固化新材料，满足道床承载、填充、定位、减振等功能，极大地提高道床稳定性，减少道床累积变形。高速铁路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求见表1，重载铁路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求见表2[4]。

3.3 施工装备

聚氨酯固化道床施工设备由储料系统、预混系统、浇注小车和烘干冷却小车、发电机组等组成，晴好天气时，施工综合作业能力不低于200 m/8 h。采用PLC控制、无线遥控、无线网络和图像监测等手段进行作业控制。聚氨酯固化道床施工设备有效解决了道床烘干、聚氨酯浇注、轨道保压等关键施工难题，适用于我国铁路的普速线路、重载线路、高速线路及城际、地铁等有砟线路聚氨酯固化道床的施工作业。聚氨酯固化道床施工装备示意见图5。

表1 高速铁路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求

表2 重载铁路固化道床用聚氨酯泡沫性能要求

图5 聚氨酯固化道床施工装备示意图

3.4 施工工艺

聚氨酯固化道床施工分浇注前有砟轨道施工和浇注施工2大部分，稳定、清洁的碎石道床对浇注聚氨酯后的固化道床性能至关重要。与普通有砟轨道施工区别：为防止过多捣固引起道砟捣碎污染道床，同时保证道床的密实度，分层上砟整道作业宜采用“少捣多稳”的作业程序。在有砟道床精整完成、线路精度达到验收标准后，即可进行聚氨酯固化道床浇注施工。浇注施工时，首先要通过烘干冷却设备使用热风对道砟进行烘干除湿，烘干后再吹风冷却道床，最后在道床湿度、温度满足要求的前提下，采用浇注设备浇注聚氨酯材料，同时采用保压小车和施工车辆对轨道保压，形成聚氨酯固化道床。聚氨酯固化道床施工流程见图6。

3.5 养护维修

聚氨酯固化道床线路的维护，可通过扣件和抬升轨枕进行调整。在不超过调高扣件调整范围时（大调高弹条V型扣件最大调整量为50 mm），可采取轨下垫片恢复轨面标高；超过扣件调高范围时，可将轨枕与固化道床分离，轨道抬升至所需标高后，进行垫砟和浇注聚氨酯弹性体进行维修，维修作业可在天窗点内完成，不影响正常通车。聚氨酯固化道床如需拆除，可先分离轨枕，然后将固化道床挖出，运至回收站，在专用设备内进行破碎、焚化处理，燃烧排放的气体进行清洁化处理。

4 优势及应用现状

图6 聚氨酯固化道床施工流程

聚氨酯固化道床是介于有砟轨道、无砟轨道之间的第3种轨道结构，兼具有砟轨道和无砟轨道的优点：

（1）可持久保持道床良好的弹性、整体性和稳定性；

（2）养护维修工作量少；

（3）具有良好的减振、降噪功能；

（4）具有良好的防外部污染功能；

（5）可维修性好。其中，最重要的是稳定性和少维修，在高速铁路和普速铁路应用都有比较优势，尤其在一些如高速铁路特殊、特大跨度桥梁等线路区段，其技术经济优势则更为明显。

在高速铁路应用方面，时速300 km的高铁均为无砟轨道，但在一些特殊地段（长大钢桥、地质断裂带等），因无砟轨道结构不能很好地适应线下基础的复杂变形，不得已采用有砟轨道，造成维修工作量大和维修困难。

在普速铁路应用方面，散装货物运输使有砟轨道的粉尘污染十分严重，而大轴重和频繁的道床作业加剧了道砟粉化、道床板结、翻浆和道床厚度不足等问题，致使大型养路机械捣固作业困难。在隧道内受限界和构筑物影响，大型养路机械清筛难以实施，线路质量不易保持，维修工作量和维修难度大，使工务维修工作陷入污染—整治—再污染—再整治的恶性循环，设备、施工、人身安全风险高。

自2009年，我国先后在京广高速铁路武汉天兴洲特大桥、沪蓉客货共线铁路武汉江岸特大桥、龙漳客货共线铁路漳州程溪特大桥、瓦日重载铁路试验段、大西高速铁路试验段和沪昆高速铁路北盘江特大桥等线路区段铺设聚氨酯固化道床共计近7 km（见图7）。线路涵盖客货混运、重载、时速250 km和350 km高速铁路等。

截至目前，我国聚氨酯固化道床运营时间最长已达7年。从跟踪观测结果看，聚氨酯固化道床能够满足高速铁路和重载铁路运营安全性要求，能够较好地应对普速、高速和重载铁路有砟道床存在的问题。聚氨酯固化道床结构稳定、可靠，对提高线路设备质量、保证铁路运输安全意义重大。

从动力学响应测试结果来看，聚氨酯固化道床在最高试验速度通过时（动车组为330 km/h，300 kN轴重货车为120 km/h），脱轨系数、减载率、轮轴横向力、平稳性指标等均符合评判标准，且在安全和平稳性等方面均有一定的冗余量[5]。

从养护维修情况看，铺设聚氨酯固化道床地段的轨道平顺性良好，试铺至今只进行过少量的扣件调高作业，而有砟轨道对比段每年都要进行一次线路捣固作业。在天窗时间短的情况下，聚氨酯固化道床线路较有砟轨道线路维修具有人员少、维修时间短和维修作业简单等优势。这种新型道床结构的应用，可有效降低线路维修成本，符合当前铁路“强基达标，提质增效”工作主题。

5 结论与建议

目前，推广应用聚氨酯固化道床已具备条件。技术标准已经颁布，固化材料实现了国产化，在成本控制上具有主动权，聚氨酯固化道床施工所需的烘干、浇注、保压设备均实现了国产化，效率进一步提升。通过对高速、重载和客货共线聚氨酯固化道床几个试验段的实际运营状态跟踪观测以及综合试验，表明聚氨酯固化道床作为一种新的轨道结构型式，在我国铁路建设中具有较好的应用前景，尤其是在以下工程中可优先考虑采用：（1）长大跨度桥梁等不适宜铺设无砟轨道的地段，以解决不得已采用有砟轨道时产生的线路养护维修问题；（2）有砟轨道线路的隧道区段以及沙害、煤尘污染严重的干线或重载铁路，采用聚氨酯固化道床可有效缓解道床板结、基床翻浆等病害，降低隧道内线路养护维修工作量；（3）铺设无砟轨道线路有减振降噪要求的地段。

为更好地推广聚氨酯固化道床技术的应用，建议继续开展聚氨酯固化道床的深化研究，尤其是在对石砟级配、清洁度标准要求、实现设备小型简易化、利于施工组织等方面进行重点研究，进一步降低小段落铺设聚氨酯固化道床的施工成本，提高工效。

[1]陆东福.强基达标提质增效奋力开创铁路改革发展新局面[J].中国铁路，2017(1)：1-7.

[2]国家发展改革委，交通运输部，中国铁路总公司.关于印发《中长期铁路网规划》的通知[EB/OL].2016-07-13）[2017-03-21].http://www.gov. cn/xinwen/2016-07/20/content_5093165.htm.

[3]康高亮.强化安全基础建设深化维修体制改革为铁路运输经营和建设夯实基础[J].中国铁路，2015(1)：1-7.

[4]中国铁路总公司.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.

[5]中国铁道科学研究院.聚氨酯固化道床成套技术及应用研究总报告[R].北京，2016.

责任编辑李葳

Study and Application of Polyurethane Curing Technology for Railway Bed

HAN Zili1，2，QIE Luchao1，2，WANG Hong1，2，XU Yongxian1，2
（1. Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；2. State Key Laboratory for Track Technology of High-speed Railway，Beijing 100081，China）

As an elastic monolithic structure, polyurethane cured railway bed provides the advantages of ballast bed–good elasticity–and that of ballastless bed–structural integration, stability and less frequent requirements for maintenance. The paper outlines the development of the curing technology and points out the key techniques for polyurethane curing. On this basis, it looks into the technical advantages of the polyurethane cured railway bed and verifies on site the significance of such technologies in regard to environmental protection, resource saving and track maintenance. The technique is now ripe for industrial application nationwide, however as the scope for such application has been clarifies, it is necessary to have further study on the technique and equipment applied, so as to cut the construction cost of bed lay-out by small section and improve working efficiency.

polyurethane curing；cured bed；curing technology for railway bed；track structure；track maintenance

U213.7

A

1001-683X（2017）05-0001-06

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.001

中国铁路总公司科技研究开发计划项目（2013G005）

韩自力（1965—），男，研究员。

E-mail：han206@rails.cn

2017-03-25