曲线超高段聚氨酯固化道床施工工艺研究

楼梁伟，叶晓宇，蔡德钩，郄录朝，李书明，姚建平

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 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； 3.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

聚氨酯固化道床是在已达到稳定的新铺碎石道床内灌注聚氨酯材料，经发泡、膨胀后聚氨酯弹性材料挤满碎石道砟之间空隙所形成的膨化弹性固结整体道床结构[1]。该结构既具有碎石道床良好的弹性和可维修性，又兼备整体道床稳定性好、使用寿命长、道床维修作业少等特点[2-5]，适合于高速、重载铁路有砟轨道桥隧段和环境恶劣的特殊地段[6-7]。但目前聚氨酯固化道床技术在曲线超高段的应用较少，本文以济青高速铁路聚氨酯固化道床项目为工程背景，总结曲线超高段聚氨酯固化道床施工工艺，为今后类似工程提供参考。

1 工程概况

济青高速铁路活动断裂带DK208+597.78—DK213+150.00段设计为有砟轨道，采用聚氨酯固化道床技术(聚氨酯固化道床断面如图1所示)。其中短链 1 609.9 m，线路全长 2 942.0 m，位于新建济青高速铁路潍坊北站(DK190+990)与高密北站之间(DK255+400)路基地段。线路设计情况见表1，线路曲线情况见表2。

图1 聚氨酯固化道床断面

起始里程终止里程坡度/‰备注DK208+320DK209+28030下坡DK209+280DK212+6508下坡DK212+650DK213+6506.5上坡

表2 线路曲线情况

2 施工方法及施工过程质量控制要点

曲线超高段聚氨酯固化道床主要施工步骤为高程测量、扒砟、烘干作业、浇注作业和检验。该线路曲线超高值较大(最大超高值为155 mm)，且线路情况较为复杂，故在原有施工技术的基础上，提出了更高的要求。

聚氨酯固化道床基本施工工艺流程如图2所示。

图2 聚氨酯固化道床基本施工工艺流程

2.1 高程测量

施工前测量每根枕木中心线对应位置的内、外轨轨面高程。宜采用电子水准仪测量，每区段内选择相应的CPⅢ桩作为基准点，减小误差的累积。

2.2 扒砟

扒砟是将枕盒内的道砟扒至轨枕底以上约5 cm的位置，并在对应的浇注点位扒窝设置导流槽，道床厚度大于50 cm的地方可采用打孔的方式作为辅助。浇注时浆液沿浇注点流入枕下，将枕下受力范围内的道砟全部固结。

施工期间气温较高，应根据每日的固化施工作业量合理制定扒砟的长度，并采用间断式的方式，即每隔一段距离扒开一段，防止出现高温胀轨的现象。该项目实施过程中每隔25 m扒砟一段具有较好的效果。

2.3 烘干作业

聚氨酯固化道床技术对道砟的温度和湿度有较高的要求，其烘干作业是必不可少的重要环节。由于道床厚度及潮湿程度不一样，为保证烘干效果及功效，每天通过烘干、冷却作业及道床挖开后检查的方式(枕端、枕间分别挖开检查，检查烘干深度、道床温度)确认烘干温度、烘干时间及冷却作业时间。同时，确认道床深度，为浇注量的调整提供依据。

通常2台烘干小车同时作业(如图3所示)，每次有效的烘干数量为3根枕木/车，有效烘干时间约为10 min/次，对于道床较厚的区段(枕下道床厚度大于50 cm)或湿度较大的区段(有明显潮湿现象或道床底部有明水)，有效烘干时间不小于15 min/次。

图3 烘干作业

烘干作业的质量控制要点[8]：①道床适合聚氨酯反应的温度15～30 ℃(可用激光测温仪测试)；②道床相对湿度应低于30%(可采用湿度计测试)；③从道床侧面溢出的气体湿度应不高于20%～30%。

2.4 浇注作业

浇注作业是聚氨酯固化道床技术的核心工序，通过设置参数、调整浇注点位以及控制浇注质量，确保浇注作业满足规范要求。

2.4.1 逐枕编号及记录

该线路曲线超高段占全部施工段的85%以上，且基床表层设置4%的横坡，故道床的厚度变化较大，需要对逐根枕木进行编号，并实时记录浇注量和轨面标高，保证聚氨酯材料能够固化至道床底部，且轨面标高的变化小于规范中的要求，也便于后期的统计和分析。

2.4.2 检验聚氨酯泡沫体

聚氨酯泡沫体的日常检验至关重要，其材料的稳定性是确保固化施工的重要环节。对于现场施工而言，其起发时间、表干时间和自由泡的密度是衡量材料性能的主要指标[9]。

由于曲线超高和基床表层横坡的缘故，该线路内轨侧的道床厚度约35 cm，外轨侧厚度约50～60 cm。若材料起发时间太快，则聚氨酯材料无法渗流至底部。综合对比后，起发时间14～15 s为合理范围。聚氨酯材料不同起发时间状态对比见图4。

2.4.3 浇注参数设置及点位控制

为保证聚氨酯固化道床的稳定性，需要合理设置浇注参数，并实时监控和调整。浇注点位之间的距离应根据实际情况做出调整。

结合理论分析和现场的施工经验，可得出：

1)A料温度恒定在28～30 ℃，B料温度恒定在30～32 ℃，则浇注过程中材料的稳定性良好。

2)浇注枪头A料和B料压力恒定在10～12 MPa，则泡沫体状态最优，且同条件下，B料侧的压力略大于A料侧效果更佳。

3)结合聚氨酯材料的单点扩散情况以及实际浇注的效果，各点位之间的距离在30 cm左右合适，不宜超过40 cm。

4)超高段一侧由于厚度较大，其各点位的距离应略大，其中轨道外侧两点位的距离30～33 cm适宜，保证固化后断面尺寸满足要求。

2.4.4 浇注量的控制

浇注量主要根据道床的厚度来调整，且受道床密实度及道床的温湿度影响。各点位的浇注量会根据实际情况实时修改，每根轨枕共有12个浇注点位，其中1#—6#点位与7#—12#点位相对应的浇注位置和浇注量一致,1#—3#与4#—6#点位基本呈对称分布。1#与2#点位之间的距离25～30 cm为宜，2#与3#点位之间的距离35～40 cm为宜。浇注点位布置如图5所示。

以右线DK208+800处轨枕为例(超高值为155 mm)，1#—6#点位浇注时间(浇注的流量为固定值)分别为24,17,19,14,11,12 s。其中1#—3#点位位于超高一侧，由于路基横坡的缘故，超高侧、非超高侧枕下道床厚度分别约为60,35 cm。

综上分析可知：①浇注量的大小与道床厚度成正比例关系;②2#和5#点位的浇注量通常少于其临近点位的浇注量(即2#点位的浇注量小于1#点位的,3#和5#点位的浇注量小于4#和6#点位的);③相邻点位(如1#—3#，4#—6#)的浇注量差别较小，固化后道床均匀饱满;④浇注量的调整应遵循循序渐进原则，适当微调，保证固化的连续性和稳定性。

2.4.5 保压及回填道砟

根据实际施工的需要，并结合工作效率，可每次固化3～4根轨枕后，由专人指示机车司机移动机车及车辆，采用浇注小车和预混系统平板车对固化道床进行保压。确保轨道线形变化处于规范要求内。

浇注完成后及时回填固化道床的枕盒，道砟回填后基本将聚氨酯固化道床覆盖，完成道床标准断面的整理作业，表面应采用粒径较大的道砟颗粒[10]。

2.5 检验

固化完成后必须对断面进行检验，判断固化的效果并对下一步的调整工作积累数据。同时应监测轨道线形变化。

2.5.1 固化断面检验

根据设计文件和相关的技术条件规定，固化道床横断面为双块式梯形，浇注厚度为35 cm时，其梯形顶面宽度不小于85 cm，底面宽度不小于115 cm[3]。

对于曲线超高段而言，由于道床的浇注厚度增大(厚度50～60 cm)，故所形成的梯形断面尺寸也较大，通常梯形顶面的宽度约90～100 cm，底部的宽度约125～140 cm。

2.5.2 轨面高程变形检验

以每一对CPⅢ桩为一个监测段落，对逐根轨枕进行编号，监测固化前后轨面高程变化。以右线DK209+000—DK209+100段为例，固化前后轨面高程差值变化曲线见图6(其中，负值为固化后轨面高程下降，正值为固化后轨面高程上拱)。可知，固化施工后，经保压等作业，轨面高程普遍呈现下降趋势；轨面高程变化值一般小于2 mm；内轨侧的轨面高程变形往往大于外轨侧，差值约1 mm。经分析由于曲线超高的缘故，所有设备的重心均偏轨道内侧，故内轨侧的变形值较大。

图6 右线DK209+000—DK209+100段固化前后轨面高程差值变化曲线

3 结论及建议

1)曲线超高段聚氨酯固化道床施工工艺与正线基本一致，但对烘干和浇注作业提出了较高要求。

2)烘干作业时间根据道床的厚度需调整至 15 min。

3)浇注作业应严格控制各项指标和参数，针对曲线超高的特殊情况，聚氨酯材料起发时间应控制在14～15 s。

4)浇注量与道床的厚度成正比例关系，其相邻浇注点位的浇注量差别较小。相邻浇注点位之间的距离25～40 cm为宜，不宜超过40 cm。

5)曲线超高段聚氨酯固化道床所形成的梯形断面尺寸也较大。当浇注厚度为50～60 cm时，梯形顶面的宽度约90～100 cm，底部的宽度约125～140 cm。

6)曲线超高段聚氨酯固化施工后，轨面高程普遍呈下降趋势，其变形值一般小于2 mm，但内轨侧变形一般大于外轨侧，差值约1 mm。