宽枕板式聚氨酯固化道床上拱变形试验研究

楼梁伟，刘 瑞，叶晓宇，李书明，郄录朝，徐 旸

(1.高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081；2.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； 3.北京铁科特种工程技术开发公司，北京 100081)

乌鲁木齐地铁1号线位于城市南北向主客流走廊，线路将南岭客运站、新疆大学、大巴扎、南门等大型客流集散点串联起来，为乌鲁木齐城市轨道交通的骨干道路。1号线跨越了4条地质断层，其中3条均具有活动性，需要考虑其对地铁工程的影响。

乌鲁木齐地铁1号线活动断层地段(体育馆至植物园区间DK17+880—DK18+080、八楼至大西沟区间DK11+535—DK11+765、小西沟至铁路局区间DK15+320—DK15+640)采用新型板式轨道结构，宽枕板下方铺设碎石道床，从宽枕板预设浇注孔和宽枕板四周浇注聚氨酯材料将碎石道床全部固结，形成宽枕板式聚氨酯固化道床。宽枕板式聚氨酯固化道床是一种新型的整体道床，具有弹性好、缓冲性能优越、防污性能良好的特性。宽枕板式聚氨酯固化道床不仅在一定程度上保持了有砟道床弹性良好、噪声小、维护方便等诸多优点，还提高了道床结构的整体性和稳定性，增强了道床的承载力，延长了道床的使用寿命，降低了线路养护维修的工作量，便于日常巡检和紧急情况下乘客疏散，满足研究活动断层错位时轨道结构的调整、修复要求[1]。此外，在线路基础发生瞬时空间大变形时轨道结构可以快速、便捷地修复，为活动断层区域轨道设防提供依据[2]。

道床专用聚氨酯材料的研究已逐渐成熟，但针对宽枕板式聚氨酯固化道床施工工艺的研究尚未完善。宽枕板式聚氨酯固化道床在前期浇注施工过程中出现了不同程度的轨道结构上拱现象，造成后期轨道精调困难[3-4]。因此，为进一步促进宽枕板式聚氨酯固化道床在城市轨道中的应用，有效控制施工的影响因素，本研究制作实尺模型，改变聚氨酯浇注方式，测试聚氨酯浇注发泡后道床的膨胀力及宽枕板的上拱变形量，并根据试验结果提出针对性的工艺优化措施。

1 试验模型

1.1 试验实尺模型制作

按照图1所示的乌鲁木齐地铁1号线混凝土底板及围板结构加工图的设计要求，制作试验实尺模型。

图1 混凝土底板及围板结构加工图(单位：mm)

模拟乌鲁木齐地铁1号线8大区间曲线段，并按照宽枕板式道床超高地段要求，道床采用一级水洗道砟进行填筑。轨道中心线处底砟厚度为30 cm，表面5 cm 厚度的面砟采用10～35 cm的小碎石，并按曲线外侧钢轨比内侧高120 mm进行顺坡。道砟分3次填筑，第1次 20 cm，第2次10 cm，第3次5 cm，每层填筑后采用振动夯实机对道床进行夯实。然后铺设宽枕板，最后回填宽枕板周围道砟并夯实。

1.2 变形量测量方法

该试验主要测量聚氨酯浇注完成后宽枕板的上拱变形量，测量方式分为水准仪测量和百分表测量2种。测点分布如图2所示。

图2 测点分布

1)水准仪测量：在宽枕板内侧和外侧各安装1个观测点，即测点5和测点6，并在实验室地面设置1个基准点，记录初始高程。待聚氨酯发泡完成、道床变形稳定后，记录浇注后的高程。

2)百分表测量：在宽枕板4个角各布置1个百分表，测点分别为1，2，3，4，浇注聚氨酯前将4个百分表调零，记录初始刻度。

2 膨胀力测试研究

2.1 膨胀力测试装置

为测试浇注聚氨酯时道床产生的膨胀力，在宽枕板上方安装压力测试装置。沿线路方向在钢轨中心线上方放置2根横梁，横梁通过立柱与道床底板连接，用于防止浇注时宽枕板上拱。在每根固定横梁与宽枕板之间布置2个压力传感器。膨胀力测试装置如图3所示。

图3 膨胀力测试装置

2.2 浇注顺序及点位

根据前期乌鲁木齐地铁1号线现场施工工艺和曲线段超高设计，确定试验中聚氨酯浇注量和浇注顺序。试验浇注顺序及点位如图4所示。

图4 浇注顺序及点位

2.3 浇注量

控制材料的温度和压力，设定聚氨酯材料的起发时间为21 s，表干时间为135 s[5]。试验浇注量见表1。

表1 试验浇注量

2.4 结果分析

由前可见，宽枕板上方共安装了4个压力传感器，测试浇注时的膨胀力时域波形。单个压力传感器的膨胀力测试波形见图5。

图5 膨胀力测试波形

由图5可知，单个压力传感器测得的最大膨胀力约为10 kN,则宽枕板式固化道床浇注聚氨酯后最大膨胀力约为40 kN，单板膨胀力与普通Ⅲ型枕固化道床相比[6]增大约1倍。采用24 kN荷载保压条件下上拱变形量为16～18 mm。分析试验结果得出，聚氨酯发泡后产生的膨胀力会持续较长时间，由于实尺模型四周为封闭状态，膨胀力只能从顶部释放，因此验证了宽枕板式聚氨酯固化道床在施工时会出现轨道上拱的现象。

3 聚氨酯浇注方式对变形量的影响

3.1 浇注批次对变形量的影响

3.1.1 浇注批次设计

图6为聚氨酯浇注顺序及点位。第1个实尺模型按照图6设置的浇注顺序及点位一次性进行浇注。为观察宽枕板间的浇注点是否会对膨胀力形成黏结约束，第2个实尺模型先浇注图6中的1—16号点，24 h后浇注17—20号点，再过24 h浇注21—30号点。

图6 浇注顺序及点位

3.1.2 浇注量

控制材料的温度和压力，设定聚氨酯材料的起发时间为19 s，表干时间为98 s[5]。试验浇注量设置见表2。

表2 试验浇注量设置

3.1.3 结果分析

图7为浇注板缝间点后和浇注板中间点后测点1—4的实时变形量。可知，当浇注宽枕板板缝间的道床时，膨胀变形微小；当从宽枕板主浇注孔浇注下方道床时，出现较大膨胀变形。由此分析得出，板缝间的聚氨酯对整个宽枕板的上拱变形量影响较小；先浇注板缝间的点位，宽枕板已经和混凝土板黏结形成约束力，则完整浇注后总体上拱变形量会减小。

图7 测点1—4的实时变形量

3.2 浇注横截面对变形量的影响

3.2.1 试验设计

该试验设计的目的是探究宽枕板式双梯形聚氨酯固化道床结构相比于全断面固化道床结构是否可以降低上拱变形量。图8为双梯形结构示意。

图8 双梯形结构示意(单位：mm)

3.2.2 浇注顺序及点位

本试验采用宽枕板下双梯形断面浇注，首先浇注1—12号点位，24 h后浇注13—22号点位。浇注顺序及点位如图9所示。

图9 浇注顺序及点位

3.2.3 浇注量

控制材料的温度和压力，设定聚氨酯材料的起发时间为15 s，表干时间为120 s[5]。试验浇注量设置见表3。

表3 试验浇注量设置

图10 测点1—4变形量随时间变化曲线

3.2.4 结果分析

实时监测显示，浇注1—12号点位后和浇注13—22号点位后测点1—4变形量随时间的变化曲线见图10。可知：①双梯形聚氨酯固化道床施工时对轨道结构的影响较小。先浇注宽枕板板缝之间的点位，产生的黏结力部分抵消了浇注宽枕板板孔后的膨胀力，当聚氨酯浇注完成后总的膨胀力减小。②双梯形聚氨酯固化道床宽枕板内侧变形量相比于外侧较大。原因是内侧道砟空隙较小，宽枕板上拱程度相对明显，但宽枕板整体变形量仍在标准范围内。

4 结论及建议

通过室内试验，研究了宽枕板式道床全断面聚氨酯浇注后单块宽枕板受到的膨胀力大小，并基于先前的浇注工艺，研究了不同的聚氨酯浇注方式对上拱变形量的影响，得出以下结论。

1)相比全断面聚氨酯固化道床，曲线超高地段道床采用双梯形聚氨酯固化道床后，上拱变形量明显减小。由于内侧道砟空隙较小，浇注过程中出现了宽枕板内侧变形量相对较大，外侧变形量相对较小的情况。

2)在曲线超高地段进行聚氨酯固化道床施工时，浇注量应严格控制，减少宽枕板内侧整体的浇注量。

3)浇注时先浇注宽枕板板缝之间的点位，24 h后再浇注板中间的点位，聚氨酯会对宽枕板进行黏结从而形成约束力，减小宽枕板的上拱变形量。及时对宽枕板进行保压，膨胀变形程度还会有所减小。

4)按照不同批次进行聚氨酯浇注试验，得出现场施工时应尽量多地分批次浇注。第1遍浇注宽枕板板缝之间的点位，第2遍浇注宽枕板中间点位，第3遍浇注宽枕板两侧点位。

5)在聚氨酯浇注时应注意保压的位置，因超高地段宽枕板内侧较低，保压时应将压力尽可能多地保留在宽枕板的外侧。