高速铁路道岔区无砟轨道冒浆整治技术及效果评价

温 浩,刘学文，杨怀志，易忠来，李化建，谷永磊

(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；3.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100844)

高速道岔作为重要的铁路线路设备，具有构造复杂、精度要求高、养护工作量大及修复难度高的特点，其服役状态的好坏不仅影响列车通过时的平稳性和安全性，还决定了高速铁路的运营速度。通过近几年的运营线路调研发现，道岔区已成为高速铁路无砟轨道结构的薄弱区和养护维修的重点区。

道岔区无砟轨道混凝土结构耐久性是指在预期的作用和使用、维护条件下[1]，混凝土结构及构件在设计使用年限内保持其适用性和安全性的能力。这意味着在耐久性设计之初，就应充分考虑并提出道岔区无砟轨道结构的维护和整治技术。但由于缺少道岔区无砟轨道维护与修复技术储备，在耐久性设计之初对无砟道岔整治技术考虑不足；同时，由于道岔区无砟轨道结构的特殊性以及道岔区结构受力的特殊性，使其成为无砟轨道线路的薄弱区段[2]。

道岔区无砟轨道应用环境的复杂性、道岔区结构及受力的特殊性、高速铁路维修天窗时间短等特征决定了道岔区无砟轨道伤损劣化的特殊性及其修复技术的困难性，正线无砟轨道所用整治技术亦不能或不完全能适用于道岔区无砟轨道的修复。因此，必须尽早开展道岔区无砟轨道修复技术研究，建立和完善基于不同轨道结构形式的道岔区无砟轨道整治技术及装备体系，确保道岔区无砟轨道结构安全服役。

1 道岔区无砟轨道伤损现状

以道岔板和岔枕为代表的预制道岔结构具有加工精度高、生产可控性强、成品缺陷率低等特征，在实际工程中出现问题相对较少。而充填层(自密实混凝土层、水泥乳化沥青砂浆层)以及岔区长枕埋入式道床等现浇结构伤损相对频繁。路基段道岔区板式无砟轨道的主要病害表现自密实混凝土层破损、道岔板离缝、冒浆等；桥梁段道岔区板式无砟轨道主要病害表现为水泥乳化沥青砂浆层离缝、破损等；长枕埋入式无砟道床主要病害表现为轨枕与道床板间离缝、冒浆等。道岔区无砟轨道伤损虽然位置和形式不同，但总体呈现出形式多样、形态各异、伤损发生早、伤损动态变化等特点。

2 道岔区无砟轨道冒浆病害原因分析

结合现场调研、设计及施工资料汇总分析及室内模拟试验，总结出高速铁路道岔区无砟轨道伤损主要由以下几方面原因导致：建设环节未能严格按照设计、规范施工，路基沉降或冻胀上拱，环境荷载和列车荷载的耦合作用等。而道岔区层间冒浆则多由于出现线间或路肩封闭层嵌缝材料防水失效、板间接缝离缝、砂浆层或自密实混凝土层离缝等伤损，导致水进入道岔区无砟轨道结构内部，列车通过时对自密实混凝土层或砂浆层产生的拍打作用使得层间积水携带析出物被拍出[4]，产生流浆，析出物在离缝外侧堆积，最终导致部分离缝发展为层间冒浆。图1为道岔区无砟轨道冒浆。通过对析出物取样进行X射线衍射(X-ray Diffraction，XRD)分析后(见图2)，验证了析出物主要物相有SiO2、CaCO3、钙矾石(AFt)等，属于典型的水泥水化产物。

图1 道岔区无砟轨道冒浆

图2 析出物XRD分析

3 道岔区无砟轨道冒浆整治技术

为确保道岔区无砟轨道结构耐久性，实现在设计服役周期内安全服役，对道岔区无砟轨道冒浆整治技术开展系统研究。通过对选取的试验观测点进行现场调研和跟踪观测后发现，道岔区无砟轨道冒浆伤损常伴随以下伤损中的一种或几种同时出现：道岔板与充填层离缝、充填层与底座板离缝、转辙机位置砂浆破损、自密实混凝土层或砂浆层冒浆、线间封闭层与道岔板间接缝嵌缝材料失效、板接缝嵌缝材料失效、转辙机部位积水等。

3.1 道岔区无砟轨道冒浆整治思路

针对上述道岔区无砟轨道冒浆病害，通过理论分析、实验室试验、线下试验段工艺性试验和线上试验，采用离缝注浆+防水封闭+排水疏堵的整治思路进行修复。具体整治思路为：先采用侧面注浆为主，顶面注浆为辅的方式进行道岔板板底离缝注浆；对支承层与基床表层间离缝注浆；然后对线间封闭层与道岔板间接缝、路肩封闭层与底座板或支承层间接缝以及道岔板间接缝进行防水封闭；对支承层混凝土排水坡进行打磨，排水疏堵；最后进行轨道精调。

3.2 道岔区无砟轨道冒浆整治工艺

1)道岔板板底离缝注浆

采用以侧面注浆为主，顶面注浆为辅的方式进行道岔板板底离缝注浆。①侧面注浆孔设置间距以50～100 cm为宜，钻头与道岔板板底保持水平，确保注浆孔与道岔板板底离缝形成注浆通道，注浆管宜采用透明耐压软管。②顶面注浆孔设置：对于预制板式道岔，建议顶面注浆孔设置在道岔板灌注孔处，每块道岔板有2～3 个灌注孔；对于长枕埋入式道岔，建议在道床板避开钢筋位置钻孔，钻孔深度以钻透道岔板即可。离缝注浆过程中采用全站仪或电子水准仪对道岔板高程及平面进行实时监测。

2)支承层与基床表层间离缝注浆

支承层和基床表层间离缝注浆采用从支承层外露部分顶面竖向注浆的方式进行。钻孔深度以钻透支承层为准，钻孔间距设置不宜大于100 cm。注浆材料不宜为可发泡材料，防止将支承层顶起。

基于极值估测的哈密电网直流偏磁风险评估方法研究………………………………………… 杨文胜，马鹏，王亮（3-52）

3)接缝处防水封闭

对所有可能形成通道使水进入道岔区无砟轨道结构内部的接缝进行防水封闭，主要包括线间封闭层与道岔板接缝、路肩封闭层与自密实混凝土底座板或支承层间接缝、道岔板与道岔板间横向接缝。将接缝内原嵌缝材料清理干净，达到接缝两侧混凝土干燥且无灰尘状态，根据需要设置嵌缝板，并在顶面嵌填有机硅嵌缝材料。

4)支承层混凝土排水坡打磨

对于宽出道岔板外侧部分的支承层混凝土排水坡，若无法保证积水向外排出，则需进行打磨，确保支承层横向排水坡满足接缝处不积水的要求，防止雨雪水倒灌进入离缝内部，实现道岔冒浆区域的排水疏堵。

5)轨道精调

精调钢轨，使其满足平顺度要求。

3.3 道岔区无砟轨道冒浆整治材料的选用

道岔区无砟轨道冒浆整治中主要涉及3种材料：道岔板离缝注浆材料、离缝封边材料和硅酮嵌缝材料。

由于道岔区无砟轨道结构的特殊性，不宜采用正线无砟轨道离缝注浆材料对道岔区冒浆病害进行整治。道岔板离缝注浆材料宜选用双组份低黏度树脂材料。该材料黏度及表面张力较低，黏度小于 50 mPa·s，可以渗透到细小的离缝中；具有快速固化和振动条件下固化的特性，凝胶时间小于10 min，2 h抗压强度大于10 MPa，可在较短的天窗时间内完成修补，并达到通车要求；具有较好的环境适应性，在较低温度(-10 ℃)下仍能较快固化以及在潮湿环境中固化；具有较高的黏结强度、抗拉强度和抗压强度，7 d黏结强度大于5 MPa，7 d抗压强度大于70 MPa，且具有较好的弹韧性，可以对结构起到较好的填充补强作用。

离缝封边材料宜选用高分子树脂砂浆类或速凝砂浆类材料，能够适应在立面或直角面施工，不流挂；固化速度快，并可在低温条件下快速固化，固化时间30 min；黏结强度高；性能符合TG/GW 115—2012《高速铁路无砟轨道线路维修规则(试行)》[5]的要求。

硅酮嵌缝材料应具有一定触变性[6]，既能够在水平接缝中使用，也能够在立面或曲线段接缝中使用；环境温度敏感性低，可以在-5～30 ℃环境下施工；接缝跟随性好，具有极高的断裂伸长率和弹性复原率，断裂伸长率大于800%，弹性复原率大于90%，能够满足不同温度下接缝的变形行为，可以随接缝宽度的减小而压缩，随接缝宽度的增加而延长；能够渗透到水泥基材料内部毛细孔中，与无砟轨道水泥基材料基体具有很高的黏结强度，能够达到防水、防腐蚀介质侵入的目的。硅酮嵌缝材料、嵌缝板和界面剂应满足Q/CR 601—2017《铁路无砟轨道嵌缝材料》[7]的要求。

3.4 道岔区无砟轨道冒浆整治设备的选择

道岔区无砟轨道结构与正线无砟轨道结构相比，具有如下特点：①道岔区无砟轨道是一切最不利因素的集中载体，必须保证具有足够的力学性能和稳定性；②道岔区无砟轨道铺设精度要求更高；③道岔板/道床板宽度更大。因此，适用于正线无砟轨道伤损整治的设备无法满足道岔区无砟轨道冒浆整治的需要。

注浆设备是道岔区无砟轨道冒浆病害整治过程中最为重要的装备之一，建议采用专用注浆设备进行道岔区冒浆病害整治。道岔区冒浆病害整治宜采用双组份低压注浆设备，并应具有压力及流量可控和轻便化的特点。

4 道岔区无砟轨道冒浆整治效果评价技术

铁路工务部门组织开展道岔区无砟轨道冒浆伤损整治时，由于道岔板底部离缝区域的注浆饱满度无法通过肉眼观察，属于隐蔽工程，常通过施工过程控制、外观检查、道岔板钻芯取样抽样检测等手段进行验收。这类方法不具有代表性，而且还会对道岔区无砟轨道结构造成二次伤损。针对这一问题，对比选用一种适用于道岔区无砟轨道冒浆整治效果评价的技术。该技术通过无损检测手段，可在对结构不产生任何损伤的基础上实现道岔区无砟轨道离缝注浆效果评价，给工务部门进行工程验收提供一定的依据。

4.1 常规无损检测技术的局限性

伤损整治效果无损检测主要是对修复后的道岔板离缝脱空情况进行检测。常规的无损检测手段有远红外线成像无损检测技术，电磁波(雷达)检测技术，振动、超声波、弹性波等机械波检测技术等[8]。

远红外线成像无损检测技术基于不同检测材料的导热性能具有不连续性[9]，根据结构表面的温度成像来推断是否脱空。该方法可检测的脱空深度一般在10 cm之内，无法适用于厚度为20 cm的道岔板检测。

电磁波(雷达)检测技术基于不同检测材料的导电性能具有不连续性，根据发射的电磁波在不同介质面上的反射来推断是否脱空[10]。该方法受金属介质和水的影响很大，而且对空气相对不太敏感，因此，不适用于预应力钢筋混凝土道岔板板底脱空情况的检测。

机械波检测技术基于不同检测材料的力学特性具有不连续性，根据诱导振动、超声波、弹性波等在不同介质面上的反射来推断是否脱空。其中诱导振动法测试时需要诱导道岔板自由振动，不具可操作性。超声波法测试时需将探头与被测面耦合，测试效率低；此外，激发信号能量低，能量衰减快，受混凝土中骨料、钢筋影响较大，检测深度也较浅[11]。而弹性波法检测时激发的能量大，波长较长，测试范围较深，可达1 m以上。因此利用弹性波检测道岔区无砟轨道整治效果是较为理想的方法。但利用弹性波法进行检测时应选用合适的激振锥，以平衡检测深度和分辨率。

4.2 弹性波法无损检测技术原理

弹性波检测道岔区无砟轨道整治效果是利用弹性波探头或激振锥激发入射信号，当该入射信号遇到道岔板注浆不饱满区域时即会产生反射，根据该反射信号的有无和位置即可推断注浆饱满程度。

由于道岔板尺寸不同，为了实现道岔板注浆区域测点全覆盖，测点布置不宜过少，测点间距一般控制在30 cm为宜，既保证了测试精度，测试效率也可满足天窗时间内完成的需求。测点个数根据道岔板实际尺寸确定，测试结束后将所有测点采集数据进行合成，形成等值线平面图形，即可实现对道岔板注浆效果较为直接的呈现。

当道岔板与底座板(支承层)间存在注浆不饱满区域时，由于空气和混凝土道岔板的阻抗存在较大差异，当弹性波传播到注浆不饱满区域时会产生反射，通过高分辨率频谱处理方法对测试信号进行处理，提取出该处的反射信号；当没有注浆不饱满区域时，绝大部分信号会透过道岔板，反射信号较少。根据反射信号的反射位置可以判定道岔板板底注浆饱满情况，根据反射能量的强弱可以判断饱满程度。弹性波法检测道岔区无砟轨道整治效果的原理如图3所示。

图3 弹性波法检测道岔区无砟轨道整治效果原理示意

4.3 道岔区无砟轨道冒浆整治效果无损检测技术应用

采用弹性波法对一线路2组道岔(4#，8#道岔)进行冒浆整治效果的无损检测。2组道岔分别采用不同技术进行整治，其中8#道岔采用本技术进行整治，4#道岔采用其他技术进行整治，分别对2组道岔整治前后的离缝区域比例进行检测，结果见表1。可以看出，采用其他技术整治的4#道岔，整治前道岔区平均离缝区域比例为43.01%，整治后平均离缝区域比例为11.81%，离缝区域降低率达到72.5%；采用本技术整治的8#道岔，整治前道岔区平均离缝区域比例为41.18%，整治后平均离缝区域比例为1.94%，离缝区域降低率达到95.3%。可知采用本技术进行道岔区无砟轨道冒浆整治是有效的。该线路8#道岔整治前后的离缝情况见图4，可知，整治前该道岔板离缝情况为明显缺陷35.0%，疑似缺陷30.0%；整治后该道岔板离缝情况为没有明显缺陷，疑似缺陷10.0%。

表1 道岔区整治效果检测结果

注：离缝区域降低率=(整治前平均离缝区域比例-整治后平均离缝区域比例)/整治前平均离缝区域比例。

图4 整治前后道岔板离缝区域比例谱

5 结论与建议

1)高速铁路道岔区无砟轨道冒浆伤损是现阶段较为典型的伤损之一，为确保道岔区无砟轨道安全服役，提出了采用离缝注浆+防水封闭+排水疏堵的道岔区无砟轨道冒浆整治技术。

2)采用弹性波法无损检测技术可在天窗时间内实现道岔区无砟轨道冒浆伤损程度及整治效果的评价，检测精度可满足实际需求。

3)鉴于道岔区无砟轨道结构与正线无砟轨道结构相比，存在精度要求高、修复难度大等差异，正线无砟轨道伤损修复技术不适用于处理道岔区无砟轨道伤损，建议采用专用材料及专用设备处理道岔区无砟轨道伤损。