高速铁路无砟轨道突发灾害及应急抢修技术

易忠来 杨志强 靳昊 姜子清 刘浩 谢永江

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.中国铁道科学研究院集团有限公司 高速铁路轨道系统全国重点实验室， 北京 100081

自2008年京津城际铁路开通以来，我国高速铁路建设快速发展。无砟轨道因具有高平顺性、高稳定性、维修作业少的优点，被我国绝大多数高速铁路采用。截至2022 年底，我国高速铁路运营里程已超过4.2万公里，占世界高速铁路的70%以上，未来还将继续发展。

无砟轨道主要由水泥基材料和钢筋组成，整体稳定性和耐久性较好。TB 10005—2010《铁路混凝土结构耐久性设计规范》规定无砟轨道道床板、底座板设计使用年限为100年，而轨道板、支承层设计使用年限为60年。

工程实践表明，在冻融循环、酸雨等因素长期作用下高速铁路无砟轨道整体服役性能良好［1］。然而，除环境中侵蚀因素长期作用外，无砟轨道还可能面临火灾、水害、地震、高温、撞击等突发自然灾害作用，不仅会给无砟轨道结构带来严重伤损，更有可能威胁到高速列车运行安全，从而影响到正常运营秩序［2］。

2018 年10 月德国科隆—法兰克福高速铁路因列车着火，对Rheda型无砟轨道造成了严重损坏（图1），严重影响了线路正常运营。2013年6月柏林—汉诺威—科隆高速铁路某区间发生洪水灾害，无砟轨道路基产生较大变形（图2），洪水退去之后对受损严重区段进行了近一周的应急抢修。2004 年10 月日本中越地区发生6.8 级地震，造成日本新干线脱轨。现场调研发现，地震造成约1.6 km 高架桥上板式轨道及钢轨、扣件伤损，部分区间钢轨错位；隧道内基底隆起，轨道板和仰拱伤损等，经过近5 d抢修全线才恢复通车。

图1 科隆—法兰克福无砟轨道道床板严重伤损

图2 柏林—汉诺威—科隆无砟轨道路基严重损害

近年来，我国极端气象事件增多，无砟轨道突发灾害的防治越来越重要。2012 年，原铁道部发布了铁运〔2012〕83 号《高速铁路无砟轨道线路维修规则》，为无砟轨道线路维修提供了技术方案和作业要求，然而该规则未考虑突发灾害情况下无砟轨道的应急处置及抢修技术。不同于常规环境侵蚀因素影响下无砟轨道伤损逐渐累积过程，突发灾害引起的无砟轨道伤损程度更高，维修难度更大。

目前，国内外对无砟轨道耐久性伤损产生原因、影响因素及整治技术研究较多［3-4］，但对突发灾害引起的无砟轨道伤损甚至断道情况鲜见报道。本文梳理了无砟轨道运营过程中可能产生的突发灾害类型，探讨了无砟轨道突发灾害应急抢修技术，给出无砟轨道应急抢修技术发展方向，为突发灾害条件下我国无砟轨道应急抢修提供参考。

1 无砟轨道突发灾害伤损

1.1 突发灾害类型

根据前期调研结果，无砟轨道突发灾害主要由火灾、水害、地震、高温和撞击引起。高速铁路无砟轨道突发灾害类型见表1。

表1 无砟轨道突发灾害类型

火灾发生时，高温易导致水泥基材料内水化产物分解，破坏水化产物的稳定性［5］，导致混凝土开裂、剥落、层间离缝。同时，高温作用下内部钢筋、螺栓金属晶体结构发生转变，导致钢筋抗拉强度大幅降低，无砟轨道结构承受荷载能力明显下降，裂缝、变形等伤损程度加剧［6］。洪水或短时间内强降雨时，大量地下水富集容易引发无砟轨道路基不均匀沉降，导致无砟轨道混凝土裂缝，同时伴随层间离缝和上拱［7］。我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带的交会部位，高烈度地震作用下无砟轨道容易因下部基础变形较大而产生裂缝、层间离缝和变形［8］。连续高温天气时无砟轨道结构存在较大温度梯度。较大的温度梯度会使轨道板或道床板在服役过程中翘曲变形，导致无砟轨道上拱和开裂，影响高速列车的舒适性和安全性。在外部异物撞击作用下，无砟轨道易产生部分缺损，影响无砟轨道结构整体服役性能［9］。

1.2 突发灾害伤损等级

为突发灾害后掌握无砟轨道伤损程度，制定应急抢修技术方案，对无砟轨道突发灾害等级进行划分。

1）突发火灾

混凝土出现网状裂缝、剥落及局部钢筋伤损是无砟轨道突发火灾的主要特征。根据无砟轨道突发火灾伤损形式及其影响，可将伤损等级划分为四级，见表2。其中，d为剥落深度。

表2 突发火灾时无砟轨道伤损等级判断标准

2）突发水害

突发水害时，无砟轨道容易产生轨道上拱、偏移及脱空。根据突发水害伤损形式及其影响，可将无砟轨道伤损等级划分为四级，见表3。其中：h、w分别为轨道板或道床板上拱量、偏移量；u为轨道板或道床板下部脱空量。

表3 突发水害时无砟轨道伤损等级判断标准

3）突发地震

突发地震时，无砟轨道出现混凝土局部裂缝、贯通裂缝、轨枕挡肩缺损和几何变形。根据无砟轨道突发地震伤损形式及其影响程度，可将伤损等级划分为四级，见表4。

表4 突发地震时无砟轨道伤损等级判断标准

4）突发高温

突发高温导致无砟轨道轨道板或道床板上拱变形，可将轨道板或道床板上拱量作为无砟轨道突发高温伤损程度的评价指标。根据轨道板或道床板上拱量及其影响程度，将突发高温伤损划分为四个等级，见表5。

表5 突发高温时无砟轨道伤损等级判断标准

5）突发撞击

根据无砟轨道突发撞击伤损形式及其影响，可将伤损划分为四个等级，见表6。

表6 突发撞击时无砟轨道伤损等级判断标准

2 应急抢修技术

2.1 应急处置措施

无砟轨道发生突发灾害时须要采取应急处置措施。无砟轨道的应急处置措施应遵循分级处置、协同应对的原则。根据无砟轨道突发灾害伤损程度，从无砟轨道抢修方法、放行列车条件等方面提出适当的应急处置措施。

1）突发火灾

针对不同等级突发灾害，采取相应的应急措施并确定对应的放行列车条件。伤损等级为Ⅰ级时，列车可按设计时速正常通行。伤损等级为Ⅱ级时，应及时更换伤损扣件，对失效预埋套管进行改锚，并按列车时速不低于160 km 通过要求调节轨道平顺性。同时，每间隔两根轨枕安装轨距拉杆对钢轨进行加固，建议列车限速120 km/h 通行。伤损等级达到Ⅲ级和Ⅳ级时，应临时封闭线路，对伤损无砟轨道更换处置，直至无砟轨道的稳定性、平顺性满足要求。

2）突发水害

伤损等级为Ⅰ级时，应按列车时速不低于200 km通过要求调节轨道平顺性，列车限速200 km/h 通行。伤损等级为Ⅱ级时，应在无砟轨道下部脱空处采用塑料垫板临时支撑，按列车时速不低于160 km 通过要求调整轨道平顺性，列车限速160 km/h 通行。伤损等级达到Ⅲ级时，无砟轨道应采取临时支撑措施，可采用特殊扣件，按列车时速不低于120 km 通过要求调节轨道平顺性，列车限速120 km/h 通行。伤损等级达到Ⅳ级时，应采用钢垫板临时支撑或灌注修补材料填充，可采用特殊扣件，按列车时速不低于80 km/h 通过要求调整轨道平顺性，列车限速通行。

3）突发地震

伤损等级为Ⅰ级时，无砟轨道伤损程度较小，列车可限速200 km/h 通行，并根据天窗安排及时进行无砟轨道维修作业。伤损等级为Ⅱ级时，若存在连续轨枕挡肩缺损，需对挡肩缺损处进行修补，更换伤损扣件，对失效预埋套管进行改锚。同时，按列车时速不低于120 km 通过要求调整轨道平顺性，列车限速120 km/h 通行。伤损等级达到Ⅲ级或Ⅳ级时，应临时封闭线路，对伤损无砟轨道予以更换。

4）突发高温

伤损等级为Ⅰ级时，应及时按列车设计速度通过要求调整轨道平顺性，列车以正常速度通行。伤损等级为Ⅱ级时，应按列车时速不低于250 km 通过要求调节轨道平顺性，并在无砟轨道伤损处前后区域植筋锚固，列车限速120 ～ 200 km/h通行。伤损等级达到Ⅲ级时，轨道板或道床板下部采取临时支撑措施，并按列车时速不低于160 km 通过要求调整轨道平顺性。同时，在无砟轨道伤损处前后区域植筋锚固，列车限速120 km/h 通行。伤损等级达到Ⅳ级时，应在无砟轨道下部采取临时支撑，并按列车时速不低于120 km 通过要求调整轨道平顺性。同时，应在无砟轨道伤损处前后区域植筋锚固，列车按限速80 km/h通行。

5）撞击伤损

伤损等级为Ⅰ级时，应及时更换伤损扣件，按列车时速不低于250 km 通过要求调节轨道平顺性，列车限速200 km/h 通行。伤损等级为Ⅱ级时，应更换伤损扣件，在严重缺损区段安装轨距拉杆对钢轨进行加固。同时，按列车时速不低于200 km 通过要求调节轨道平顺性，列车限速160 km/h 通行。伤损等级达到Ⅲ级时，应间隔更换伤损扣件及修补轨枕挡肩。在严重缺损区段安装轨距拉杆对钢轨进行加固，按列车时速不低于160 km 通过要求调节轨道平顺性，列车限速120 km/h 通行。伤损等级达到Ⅳ级时，应更换伤损扣件，间隔修补轨枕挡肩。若预埋套管失效，则进行改锚，并在受损区段安装轨距拉杆对钢轨进行加固。同时，按列车时速不低于120 km 通过要求调节轨道平顺性，列车限速80 km/h通行。

2.2 发展方向

1）高性能应急抢修材料

由于高速铁路呈条带状且露天服役，无砟轨道应急抢修材料应具有高早强、大流态、低收缩、强黏结、高耐久特征［10-11］。目前常用的高速铁路无砟轨道应急抢修材料有聚合物水泥基材料、注浆修补材料、硅酮嵌缝材料，适用于无砟轨道混凝土缺损的修补、内部裂缝的填充、伸缩缝修补等［12］，基本满足我国大部分地区高速铁路无砟轨道应急抢修迫切需求。然而，由于我国高速铁路跨越范围广，不同地区环境条件差异极大，天窗作业时间短，导致实际工程中仍存在修补材料适应性差、工作性能不足、长期耐久性难以保证等问题。针对不同的无砟轨道突发灾害类型，研发环境适应性强、工作性能好、长期耐久性能好的高速铁路无砟轨道应急抢修材料对于高速铁路无砟轨道的应急抢修至关重要。

2）高效率整治装备

当高速铁路无砟轨道遭受突发灾害时，往往伤损较大，严重时甚至造成列车中断运行，需要尽快恢复运行。整治装备的可靠与安全会影响到应急抢修效率，而目前应急抢修以人力为主，研发适用于高速铁路无砟轨道的大型机械化养护维修装备是无砟轨道应急抢修的迫切需求。

整治无砟轨道突发灾害伤损时，一般需要先清除原有伤损部位，目前无砟轨道混凝土破除仍以电镐为主，劳动力需求大，施工效率低。轨道板、轨枕、道床板内部钢筋密集，采用绳锯切割难以避免破坏内部钢筋。高压水射流技术在岩石破碎方面应用效果较好［13］。将高压水射流技术应用于无砟轨道的应急抢修，有望在不破坏钢筋的前提下实现对伤损混凝土的破除，具有较好发展潜力。

3 结论及建议

1）高速铁路无砟轨道突发灾害类型包括火灾、水害、地震、高温、撞击等，主要伤损形式是剥落、裂缝、上拱、离缝、钢筋失效等，突发灾害对无砟轨道的平顺性、高速列车运行的舒适性与安全性提出严峻挑战。

2）高速铁路无砟轨道突发灾害应急处置措施包括限速通行、轨道精调、天窗时间修补、轨道部件替换等。突发灾害发生时，应根据突发灾害伤损等级确定相应的应急抢修措施。无砟轨道伤损程度高，难以快速抢修时，应封闭线路进行整治。

3）高速铁路无砟轨道应急抢修技术应在抢修材料和整治装备上进行产业创新与升级，研发环境适应性强、工作性能好、长期耐久性能好的无砟轨道修补材料、无砟轨道突发灾害应急抢修用大型机械化养护维修装备是将来的发展方向。