聚氨酯碎石道床在既有线路基病害整治中的应用

李鹏飞孙万军张志国杨高舰吕鹏

1.中建交通建设集团有限公司，北京 100071；2.石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄050043

既有铁路路基受填料土体特性、下卧土层性质以及含水率等因素影响，路基不均匀沉降病害非常普遍。当基床受地面水或地下水侵蚀时就会出现软化，再经过列车动载的反复作用，使得泥浆容易沿道床道砟的空隙向上层涌出，造成线路出现不均匀沉降，严重影响行车的平顺性与安全性［1-2］。

聚氨酯材料因优异的物理力学性能、良好的环境适应性和耐久性，已在结构防水层方面得到了广泛应用。近年来，研究发现聚氨酯级配碎石结构层还具有良好的防水能力和较高的抗压能力，这种技术被引入到既有线路基病害处理，这种技术有望成为处理有砟道床翻浆冒泥的一种主要方法，具有广阔的发展前景［3-4］。谢康等［5］通过室内模型试验，对水环境动载耦合作用下聚氨酯级配碎石层的变形规律进行了研究，得出聚氨酯掺量达8%、碎石孔隙率达2%时，聚氨酯级配碎石层变形较小，有良好的力学特性和防水效果。王希云［6-7］依托包神重载铁路翻浆冒泥整治，通过室内试验与现场试验确定聚氨酯胶凝级配碎石的材料配比，对其力学性能和防水性能进行了研究，并通过现场测试验证了整治效果。关于聚氨酯碎石处理既有线路基翻浆冒泥的文献还很有限，而且主要集中在其相关性能研究方面，在实际路基整治工程中也仅处于个别试点应用阶段。

本文结合山东省大莱龙铁路扩能改造工程，探索将聚氨酯碎石结构层用于翻浆冒泥整治。因目前尚无相关规范和成熟的技术控制指标直接套用，且未见文献对采用此类方法整治翻浆冒泥的相关施工工艺进行详细介绍，所以本文重点对该法的施工工艺和质量控制进行介绍，可为推广该法应用提供借鉴。

1 工程概况

大莱龙铁路于2005年建成通车，以货运为主，为进一步促进山东省北部沿海地区经济发展和黄河三角洲的开发，于2018年12月开始进行扩能升级改造，拟将年运货能力由1 900万t提升至3 000万t。

既有大莱龙铁路路基基床底部存在地下水浸泡软化区段，在列车荷载反复振动下有基床已出现翻浆冒泥。经现场检测统计，一标段存在以上问题的共计31段，合计460 m，约6 089 m2，均需要进行加固处理，以避免出现不均匀沉降和引起脱轨事故。为减少对既有道床的扰动，控制要点施工时间，减少对既有线营运停运的干扰，本工程提出采用5 cm砂垫层、双层防水土工布、8 cm厚聚氨酯混合料对翻浆冒泥局部地段进行防水抗渗处理，并一定程度地提高其承载能力，以保证行车的平稳和安全。

2 路基病害机理与新型加固整治技术

2.1 病害机理

①大莱龙铁路位于山东省境内德州—龙口—烟台铁路中段，地质、砂石填料材质严重影响到路基基床的质量，且土体中夹杂有一些吸水能力强、透水性差的组分。②该段铁路离海较近，路基易受降雨和地下水的影响，一旦吸入的水量过多，路基土体就会变得疏松，形成泥浆。③在列车荷载反复动力作用下，路基土体将持续产生变形而造成挤压破坏，由于水量过多随之出现翻浆冒泥。

2.2 新型加固整治技术

2.2.1 加固原理

聚氨酯碎石是以满足性能要求的聚氨酯合成材料为胶黏剂，以级配碎石为填充骨料，按适当比例充分混合，经自然拌和、快速固化而形成的一种高分子复合材料。经研究证明，适当的配合比可以保证该材料具有较高的黏结强度、较强的抗酸碱性、抗紫外线以及抗老化能力，而上下包裹的防渗土工布则加强了结构的防水性能。

在列车荷载作用下聚氨酯级配碎石层具有整体振动耗能能力，通过产生弹性变形而降低级配碎石动应力和动荷载变形幅值，具有良好的耗能和应力吸收作用。此外，掺加合适比例的聚氨酯材料可以保证聚氨酯级配碎石层足够致密不渗水，从而获得良好的防水能力，可以有效防止水分侵入级配碎石层，起到隔离渗水侵蚀路基的综合作用。

2.2.2 加固方法

针对有砟轨道路基基床翻浆冒泥病害，传统的整治方法主要采用增设排水砂垫层加防水土工布等换隔措施，虽在一定程度上能起到防排水作用，但不能有效改善线路路基基床的刚度和承载能力，且整体性不强，耗能作用有限，基本不能减少列车荷载在路基土体中所产生的动应力和沉降幅值。基于此类整治方法，本工程采用一种能够在天窗点完成施工的聚氨酯胶凝碎石复合层，该结构层由厚度0.05~0.08 m的聚氨酯胶凝碎石和上下包裹的防渗土工布组成，如图1所示，既能改善整体基床强度和刚度，也能较均匀地扩散基床土体内的应力，减小列车荷载在路基中产生的动应力，又具有协调层间变形和防渗功能。

图1 聚氨酯碎石混合料防水层结构

3 聚氨酯碎石复合层施工技术

3.1 施工工艺流程及进度

大莱龙铁路扩能改造工程主要分布在5个区间，为准确复核地质资料，检验设备、工艺等是否适宜，保证路床翻浆冒泥治理的质量，取运营里程K376+516—K376+524作为试验段先行施工。为确保能在有限的6 h封锁天窗点内完成施工，一个施工段（6 m）的整治工作进度如图2所示，施工整治流程如图3所示。

图2 一个施工段（6 m）施工进度组织

图3 施工整治流程

3.2 关键施工技术

3.2.1 测量轨顶标高及安装千斤顶

封闭线路且路基整治施工开始后，去除施工段线路两侧道砟，并及时测量两侧轨顶标高。一般每间隔5~7根轨枕在两侧轨枕下加设一对小型液压千斤顶，保证破底清筛后轨道系统保持在原有标高和几何位置不变，同时为破底清筛腾出空间。千斤顶安装时应确保此处道砟已清理至设计开挖深度，防止千斤顶受开挖影响。

3.2.2 破底清筛

在千斤顶的支撑下，轨道体系维持在原有位置和几何状态下，开始破底清筛轨枕下方翻浆冒泥，直到设计标高，开挖并清筛道枕下方全部碎石。开挖面务必要平整，不得有凸起道砟，以免刺破后续铺设的土工布，出现渗漏薄弱点。挖至设计标高后，严格按设计要求做好横向排水坡，一般坡度以3%~5%为宜。对于开挖出来已被污染的道砟，现场装袋后临时存放于线路两侧，并使用平板小车运离。用尺子检查破底开挖深度是否满足规定要求。

3.2.3 聚氨酯碎石结构层施工

在破底路基上铺筑5~8 cm厚砂垫层，砂垫层应捣鼓平整，不能有大块石子，防止其棱角刺破上铺的土工布而出现局部渗漏水。施工中若刺破土工布务必立即进行修补或者更换。铺设的第一层土工布，其宽度宜较路基面宽0.4 m，以利于向上反折。

根据单次搅拌量将聚氨酯、碎石进行配组。聚氨酯A组分和B组分按比例进行配制，施工前按单次搅拌所需用量将配比好的聚氨酯分装为3份存放在搅拌机旁待用。碎石要求干燥、洁净、粉尘含量低，施工前同样按单次搅拌所需量将配比好的碎石装袋，分3份堆放在搅拌机旁待用。其中，一次封锁每个搅拌机需要搅拌3桶，每次投料1份。聚氨酯用量应严格按试验所得其占碎石比例进行控制，一般为5%~9%，具体与聚氨酯材料性能和碎石级配有关，通过准确称量控制各组分比重，将聚氨酯AB组分倒入碎石搅拌机中搅拌均匀。

最后将搅拌好的聚氨酯碎石料均匀摊铺到土工布上方，经实验室强度试验验证，摊铺厚度8 cm即可满足强度要求。摊铺平整并等待40 min，待聚氨酯碎石混合料初凝后再进行第二层土工布的摊铺，宽度应保持与路基面同宽，且两次铺设土工布搭接长度至少应为0.1 m。

4 聚氨酯碎石复合层质量控制

4.1 材料质量控制

1）碎石材料

粗粒料采用5.0~9.5 mm粒径，细粒料采用中粗砂，所用碎石材料粒径应符合表1中级配碎石要求。

表1 级配碎石要求

2）聚氨酯材料

聚氨酯材料因其组分性能和制成工艺不同，其性能指标也差异较大。根据聚氨酯级配碎石黏结性、防水性、承载能力等方面的要求，应注重产品的黏度、抗拉强度与断裂伸长率等性能指标，本工程建议的材料指标要求见表2。

表2 聚氨酯胶凝剂指标要求

3）聚氨酯胶凝碎石

铁路规范中尚无对聚氨酯胶凝碎石抗压强度的质量控制要求，为此，根据现场碎石进行了力学性能比较试验。依据现有研究和本工程试验结果，提出对聚氨酯胶凝碎石以100∶5.3（碎石重量∶聚氨酯重量）的比例混合均匀，静置4 h后抗压强度不小于3 MPa作为验收合格要求，同时进行透水系数检测试验，要求透水系数不超过0.5 mm/s。

施工过程中，按要求制作3块立方体聚氨酯胶凝碎石试件进行抗压强度测试，试件尺寸100 mm×100 mm×100 mm，在压力试验机上依据规范程序加载并压至破坏，3个试件测得的破坏荷载分别为46.90、45.10、45.30 kN，经计算抗压强度分别为4.5、4.3、4.3 MPa，均满足要求。

制作3块透水系数检测试件，试件为直径100 mm、高50 mm圆柱形。经检测3个试件常温下透水系数均为0，不透水，满足要求。

4.2 施工质量控制标准

聚氨酯胶凝碎石层厚度、设置范围、顶面高程、中线至边缘距离、宽度、横坡允许偏差及检验方法应符合TB 10414—2008（表3）的规定［5，8］。

表3 聚氨酯凝胶碎石层允许偏差及检验方法

本工程严格按要求进行了检测，全部满足工程质量控制标准要求。

5 结语

针对铁路既有线路基翻浆冒泥病害整治工作进行实例研究，主要结合大莱龙铁路工程探讨了利用聚氨酯凝胶碎石层进行翻浆冒泥整治的可行性，对其配比及性能指标进行了试验验证，提出了该工程的质量验收控制指标要求。对聚氨酯胶凝碎石道床体系构成、施工工艺流程、关键施工技术及质量控制要求等进行了详细说明。经试验以及实践检验证明，聚氨酯碎石结构层只要配比合适，就能保证其具有优良的整体性、足够的密实性而阻止雨水渗漏、足够的黏结性能而不会在动力作用下散开，既可以提高道床的整体刚度，也能提高整体承载能力，增加耗能能力，从而有效降低传递的动应力和不均匀沉降幅值，提高路基基床抗变形能力，优势明显。而且其施工性好，不需要拆除轨枕，也不需要专门的设备设施和振捣养护，通过人工辅助摊铺成型方式，可以在限定时间内胶结，即可获得优良的质量品质。为此，该方法非常适合在天窗点作业的运营线路基的翻浆冒泥病害整治，通过试点应用证明此项技术可以为今后类似工程提供参考，具有广泛的推广应用前景。