纵连板式无砟轨道台后锚固体系超量变形原因与整治

郑新国 潘永健 黄安宁 朱星盛 张立刚 刘克飞 刘竞

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.中国铁路上海局集团有限公司南京桥工段，南京 210008；3.京沪高速铁路股份有限公司，北京 100038；4.中国铁路乌鲁木齐局集团有限公司，乌鲁木齐 830037

由摩擦板及端刺结构组成的台后锚固体系是纵连板式无砟轨道结构路桥过渡段轨道结构的重要组成部分，其稳定程度对约束桥梁区段轨道结构纵向荷载对路基区段轨道结构的影响以及保证纵连轨道结构整体稳定性意义重大［1-4］。某纵连板式高速铁路线路的Ⅱ型端刺结构台后锚固体系随季节温度出现超量伸缩变形，最大变形量达2 cm，导致在夏季高温季节台后锚固体系的过渡板挤压路基段支承层，诱发轨道结构上拱，经现场监测发现其上拱量可达数毫米［5］。为恢复台后锚固体系理论设计状态及锚固力，保证轨道结构稳定性及耐久性，亟待探寻台后锚固体系超量变形原因，并提出针对性整治方案。本文结合具体工点，采用冲击回波法对锚固体系的脱空情况进行无损检测，根据检测结果对锚固体系变形超限原因进行分析，并根据运营高速铁路线路天窗施工的工况特征与稳定性要求，研究提出了端刺区结构受力体系原位恢复技术方案、施工工艺及配套注浆材料，以期恢复台后锚固结构的稳定性能，进而提升纵连板式无砟轨道的服役性能。

1 锚固体系变形超限原因初探

1.1 台后锚固结构脱空现场检测

为探明纵连板式无砟轨道台后锚固体系出现超量变形的原因，采用冲击回波法对超量变形的路桥过渡段台后锚固体系的摩擦板下及端刺底部脱空情况进行无损检测。

冲击回波法［6］的基本原理是当被测对象存在缺陷时，冲击弹性波信号会在缺陷处产生反射；通过对信号的提取及分析，结合平面成像技术可描绘缺陷的形态及空间位置。因此，当摩擦板与路基或端刺底部与路基粘接良好时，激发的弹性波在结构界面处无反射；当摩擦板与路基或端刺底部与路基粘接不好时（脱空、浮浆层等等缺陷），激发的弹性波在结构界面处存在反射。

1）测区划分

摩擦板与路基间脱空检测选取1处超量位移的台后锚固结构区域进行测试，共划分3个纵向测试区域。测区划分方法是沿线路横向将路肩和线间未被无砟轨道覆盖的三部分摩擦板划分为3个纵向测试区域（如图1中蓝色阴影所示），每个测试区域面积为68 m2，总测试面积为204 m2。测点间距为50 cm，测线间距为50 cm，在测试过程中避开端刺区域。

图1 测区划分

端刺底部与路基间脱空检测选取1处超量位移的和1处未见明显异常的台后锚固结构的主端刺区域进行对比测试。每个台后锚固结构的主端刺区域未被无砟轨道覆盖的三部分区域共计48 m2作为1个测区（如图2中红色阴影所示）。测点间距为50 cm，测线间距为50 cm。

图2 大端刺平面成像

2）现场检测

因摩擦板的厚度为400 mm（局部600 mm），主端刺结构总厚度为3 100 mm。为平衡测试精度及信号强度，摩擦板下脱空检测采用0.1 kg小激发锤进行弹性波激发，主端刺底部脱空检测采用5 kg大激发锤进行弹性波激发。检测结果云图缺陷判定依据：存在红色区域则判定为脱空，蓝色及绿色区域则判定为不存在脱空。

摩擦板下脱空测试结果（表1）显示，三个测区中最小脱空比例为53.4%，最大为62.1%，整个台后锚固结构区段摩擦板下平均脱空比例达到58.5%。

表1 摩擦板下脱空测试结果

从超量位移和未见明显异常的台后锚固结构的主端刺底部脱空检测平面成像图（图2）可以看出，相比于无明显异常的台后锚固结构大端刺来说，存在超量位移的台后锚固结构大端刺底部区域检测结果明显可见更大范围的缺陷区域。从检测结果（表2）中也可以看出，无明显异常的台后锚固结构大端刺底部脱空比例仅为5.2%，存在超量位移的台后锚固结构大端刺底部脱空比例达到55.8%。

表2 大端刺底部脱空测试结果

1.2 变形超限原因分析

台后锚固体系锚固力主要源自摩擦板底与基床土体间摩阻力及端刺周围与基床土体间挤压力。现场无损检测发现变形超限的台后锚固体系的摩擦板与基床表层间、端刺底部与基床土体间均存在不同程度的脱空情况。摩擦板与基床表层间脱空主要因为在长期纵向往复荷载作用下，摩擦板不断揉搓基床表层土体，导致基床表层土体逐渐松散，并与摩擦板产生脱空。端刺底部及侧面与基床土体间脱空主要因为在长期纵向往复荷载作用下，端刺揉搓、挤压其周围基床土体，导致端刺周围基床土体逐渐松散并与端刺周围产生脱空。而基床土体松散，与摩擦板、端刺间脱空又进一步降低台后锚固体系锚固力，进而加剧锚固体系超量位移，形成恶性循环。

经上述分析，初步明确了台后锚固体系在长期纵向往复荷载作用下，摩擦板及端刺不断揉搓、挤压与之接触的基床土体，导致基床土体逐渐松散并在摩擦板下及端刺周围产生脱空，使锚固体系锚固能力降低，是纵连板式台后锚固体系超量变形的主要原因。

2 整治技术方案研究

结合台后锚固结构现场检测结果以及变形超限原因分析情况，根据运营高速铁路线路天窗施工的工况特征与稳定性要求，基于端刺区路基脱空的注浆改良增强原理［7］，以恢复端刺区无砟轨道结构与路基土体间的摩擦力和锚固力为目标，系统研究端刺区结构受力体系原位恢复技术方案、施工工艺及配套注浆材料，以提高路基自身对端刺的变形控制能力，使结构受力体系的摩擦力以及土体对端刺的约束锚固力有效恢复。

2.1 整治方案

针对端刺周围、摩擦板下与基床土体间脱空造成的台后锚固体系超量变形，研究提出适用于台后锚固体系恢复的静压注浆加固技术方案［8］。该技术利用气压把浆液通过注浆管注入摩擦板下和端刺周围基床土体中，浆液对端刺、摩擦板与基床土体间脱空进行充填，同时对松散基床土体进行挤密和渗透加固（如图3所示）。

图3 台后锚固体系超量变形整治前后对比

由于浆液的充填、劈裂挤密和渗透胶结作用，可以达到在消除脱空层的同时恢复甚至超越基床土体原设计力学性能，进而恢复台后锚固体系锚固性能的目的。

2.2 整治工艺

针对端刺周围与基床土体间、摩擦板与基床土体间两种工况，提出摩擦板与路基土体间采用套封管注浆工艺，端刺结构周围采用袖阀管退管注浆工艺两种整治工艺。这两种工艺的注浆孔布置如图4所示。

图4 注浆孔布置（单位：mm）

2.2.1 摩擦板下注浆加固工艺

摩擦板下注浆加固工艺主要包括钻孔、装注浆管和注浆三个步骤。

1）钻孔。按图4所示位置标记钻孔孔位，采用钢筋探测仪探测摩擦板上层纵横向钢筋并适当调整孔位以避开钢筋。采用水钻机竖直向下钻孔并穿透摩擦板，孔径为50 mm。

2）装注浆管。在孔内安装套封注浆管，注浆管通过密封套密封并将注浆管固定在摩擦板上（图5）。密封套通过压缩空气、高压水实现膨胀与收缩，也可以通过橡胶馕（套）实现压紧膨胀与放松收缩，从而实现注浆管与摩擦板钻孔孔壁的密封与固定。

图5 摩擦板下注浆加固工艺

3）注浆。调试好注浆设备，注浆材料性能测试满足要求后进行注浆，注浆压力控制在0.1～0.5 MPa，并实时监测摩擦板高程变化，当摩擦板高程增长超过0.2 mm时停止注浆。当达到设计最大注浆压力或者注浆量时完成该注浆孔的注浆，并采用微膨胀聚合物砂浆对注浆孔进行封堵。

2.2.2 端刺周围注浆加固工艺

端刺周围注浆加固工艺主要包括钻孔、插设注浆管、注浆、提管、循环注浆五个步骤。

1）钻孔。按图4所示位置标记钻孔孔位，采用钢筋探测仪探测摩擦板上层纵横向钢筋并适当调整孔位以避开钢筋。采用水钻机竖直向下钻孔并穿透摩擦板，孔径为50 mm。

2）插设注浆管。在钻出的孔内通过锤击方式将袖阀管插入基床土体中，通过套接方式加长至设计深度。注浆管外径为30 mm。

3）注浆。调试好注浆设备，注浆材料性能测试满足要求后进行注浆（如图6所示），注浆压力控制在0.1～0.5 MPa，并实时监测摩擦板高程变化，当摩擦板高程增长超过0.2 mm时停止注浆。当达到设计最大注浆压力或者注浆量时完成该注浆孔的注浆。

图6 端刺周围注浆加固工艺

4）提管。向上提升注浆管，每次提升高度约0.5 m。当注浆管出浆孔距摩擦板底不足1 m时，为防止冒浆，采用快硬砂浆或泡沫胶封堵注浆管与摩擦板间空隙。

5）循环注浆。重复步骤（4）和步骤（5）直至注浆完成。注浆完成后，采用微膨胀聚合物砂浆对注浆孔进行封堵。

2.3 整治材料

为恢复台后锚固体系理论设计状态及锚固力，更好地配套静压注浆加固整治技术、保证整治效果，研发出了粒径小、流变性好、凝结硬化快、结石强度高的大流态高渗透活性粒子浆体，能实现在低压作业条件下密实填充脱空区域，进而有效恢复台后锚固结构的稳定性能。

大流态高渗透活性粒子浆体是以水泥为基体，经多次改性及冲、研、磨、剪等机械力的多次连续叠加和重复作用，使其颗粒细度急剧下降，比表面积迅速增大，输入能量中的大部分转换成为新颗粒的内能和表面能，使之具有更高的活性；其最大比表面积可达到4 500 m2/kg以上，平均粒径小于2μm甚至可以达到1μm以下，是广义上的纳米级材料；可注入25μm以内的细微裂缝之中，既有良好的可注性，又使被加固体的力学性能得以大幅提升。大流态高渗透活性粒子浆体虽然为无机超微细水泥基材料，但具有接近化学浆液的注入性，而且其结石强度远高于低分子化学注浆材料（表3），对地下水和环境无污染，耐久性好，与混凝土结构等寿命相当。

表3 大流态高渗透活性粒子浆体结石强度

大流态高渗透活性粒子浆体的超细粒径还决定了其具有较普通水泥浆液优异的渗透性能；由于该活性粒子材料的高比表面积及表面化学改性决定了其具有很高的表面活性，在同等条件下，使被加固的土体具有更高的力学性能。

3 结论

1）纵连板式高速铁路线路Ⅱ型端刺结构台后锚固体系随季节温度出现超量伸缩变形，最大变形量达2 cm，尤其在高温季节，其超量变形诱发轨道结构上拱，其上拱量达数毫米。

2）采用冲击回波法对路桥过渡段台后锚固体系的摩擦板、端刺的脱空情况进行无损检测，现场检测发现变形超限的台后锚固体系的摩擦板与基床表层、端刺与周围土体间存在脱空情况；该脱空是因台后锚固体系在长期纵向往复荷载作用下，摩擦板及端刺不断揉搓、挤压与之接触的基床土体，导致基床土体逐渐松散并产生脱空，使锚固体系锚固能力降低；结合无异常变形端刺的脱空检测对比分析，初步探明了该脱空是引起纵连板式台后锚固体系超量变形的主要原因。

3）为恢复台后锚固体系理论设计状态及锚固力，提出静压注浆加固填充锚固结构与路基土体间的脱空并对松散基床土体进行挤密和渗透加固的病害综合整治技术方案，可有效恢复台后锚固结构的稳定性能，提升纵连板式无砟轨道的服役性能。

4）研发出了粒径小、流变性好、凝结硬化快、结石强度高的大流态高渗透活性粒子浆体，能实现在低压作业条件下密实填充脱空区域，结实率98%以上，可有效改善被加固土体的力学性能。