有砟道床表层胶结封闭技术

靳昊 罗慧刚 董延东 易忠来 李化建

（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.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100）

重载运煤专线有砟道床煤粉侵入问题较为突出，特别是隧道进出口处，当列车经过隧道时会形成强大风力，大量煤粉被吹落至线路上，在列车引起的轨道振动下渗入道床内部。经现场调研发现，隧道外侧50 m至隧道内侧1 000 m范围内煤粉侵入道床问题最为严重，且隧道全长范围内有砟道床均受煤粉侵入影响，隧道地段道床板结速率大于一般地段，大幅增加了运煤线路隧道内有砟道床的维修工作量。运营维护部门需定期（1次/年）对隧道内有砟道床进行清筛工作，大机清筛的成本高（约1 700元/延米），隧道内环境恶劣，人工作业的劳动强度大，对身体健康危害大。

朔黄铁路曾尝试采用橡胶预制板覆盖封闭道床，阻止煤粉侵入，但是橡胶预制板铺设较为困难，拼接和固定难度大，需现场裁剪拼装，施工效率低，而且橡胶预制板长期服役时易出现局部破裂、固定失效、拼接处离缝等问题，导致封闭失效，甚至存在整体“揭起”的风险。同时，封闭后的道床排水功能受限，大量雨水无法迅速排出。养护维修时需将橡胶预制板拆除后进行，道床捣固维修不便捷，易破坏封闭的整体性。

近年来道床固化技术发展迅速，现有研究多以提高有砟道床稳定性、刚度、横纵向阻力等性能为主。道床固化形式也以对轨枕下部道床及整体道床黏结为主［1-3］。目前，鲜有防止杂质侵入道床内部的道床表层胶结封闭技术的相关研究报道。因此，本文对此进行研究。

1 有砟道床表层胶结封闭结构

为防止煤粉等细颗粒物侵入，须对有砟道床表层进行封闭处理。由于道砟间空隙较大，喷涂至道砟上的黏结材料仅占道砟空隙的22%～30%，难于对煤粉等细小颗粒进行有效阻挡，故须对表层道砟进行级配优化。在有砟道床表面铺设小颗粒石子，减小道砟间的孔隙尺寸，提高胶结材料封堵率，减少煤粉侵入道床的数量和速度。同时，小颗粒石子通过胶结材料牢固黏结在有砟道床表层，可防止其进入道床内部，对道床性能造成影响。有砟道床表层胶结封闭结构如图1所示。

图1 有砟道床表面胶结封闭结构

2 试验

2.1 小颗粒石子匹配性试验

为有效减少道砟间空隙尺寸，选用粒径5～10 mm和10～20 mm小颗粒石子，采用不同方式铺设测试道床封闭效果。胶结材料用量1 kg/m2，小颗粒石子用量5 kg/m2。试验结果见表1。

表1 小颗粒石子匹配性试验结果

由表1可见：铺设粒径5～10 mm小颗粒石子的道床封闭效果最佳，在不影响正常排水的情况下可实现道床封闭功能的长效性。

2.2 胶结深度试验

合理控制道床表层胶结深度是确保胶结封闭有效性的关键。通过分析胶结深度与防煤粉侵入效果的相关性，确定最佳的胶结深度。有砟道床表层铺设粒径5～10 mm小颗粒石子，小颗粒石子用量5 kg/m2。试验结果见表2。

表2 胶结深度试验结果

由表2可见：铺设粒径5～10 mm小颗粒石子后，道床胶结深度不低于4.5 cm时，道床封闭功能的长效性良好，18个月时道床内部也未见煤粉侵入迹象。从容余度与经济性综合考量，道床表层胶结封闭深度宜为5～8 cm。

3 胶结材料性能要求

有砟道床胶结材料主要包括沥青、环氧树脂、醋酸乙烯酯乳液、聚氨酯等。沥青固化道床的排水能力差，可维修性低，材料的耐老化性能严重不足，服役寿命较短。环氧树脂材料和醋酸乙烯酯乳液主要用于有砟道床表面胶结，防止道砟飞溅。日本东海道新干线和我国秦沈客运专线分别采用环氧树脂和醋酸乙烯酯乳液进行了有砟道床防飞溅试验［4-5］。结果显示：2种材料的耐老化性能较差，长期暴露在户外易失效，故实际应用较少。

聚氨酯具有橡胶的弹性、韧性及塑料的高强度，是合成材料工业中比橡胶和塑料性能更为独特的一种新型材料，已被广泛应用于道床固化［6-9］。聚氨酯胶结材料包括发泡聚氨酯和聚氨酯道砟胶［10］。其中发泡聚氨酯的性能与道床表面胶结封闭需求存在较大差异。而现有的聚氨酯道砟胶可维修性差，维修时只能采用溶剂将材料逐层溶胀后，再进行捣固，维修效率低、成本高，且溶剂对环境和人员身体也存在较大危害。此外，聚氨酯道砟胶早期力学强度和黏结强度不足，无法满足天窗期养护维修要求。同时，其对道砟清洁度和湿度要求较高，环境适用性差。

基于此，应在聚氨酯道砟胶基础上，从可工作时间与早期强度的匹配性、强度与柔顺性的匹配性、耐老化性能等方面，结合TJ/GW 116—2013《聚氨酯道砟胶暂行技术条件》［11］，对聚氨酯胶结材料提出技术要求，见表3和表4。

表3 工作性能要求

表4 物理性能要求

4 施工工艺

道床表层封闭施工应在煤粉侵入前或大机清筛后，且道床几何状态稳定后进行。道床表层胶结封闭工艺为：有砟道床表层清理→轨枕与钢轨防护→聚氨酯胶结材料喷涂→现场清理。

1）有砟道床表层清理

如有砟道床较清洁，可采用鼓风机将有砟道床表面杂质吹扫干净；如道砟较脏污，则采用清洁道砟对表层道砟进行替换，并捣固密实。

2）轨枕与钢轨防护

采用塑料膜包住钢轨，并用塑料绳将其捆绑牢固，然后采用特制钢模将轨枕罩住，防止聚氨酯胶结材料污染轨枕和钢轨，见图2。

图2 轨枕和钢轨防护

3）聚氨酯胶结材料喷涂

采用覆盖面积大、均匀性好、厚度易控制的“伞”状喷涂方式。喷涂分2次进行，每次胶结材料用量约0.5～1.5 kg/m2，见图3。

图3 聚氨酯胶结材料喷涂

4）现场清理

拆除防护，将材料、设备、杂物等搬离，清扫现场。

5 应用效果

道床表层胶结封闭技术在朔黄铁路石河口隧道出口处长40 m（双线）试验段进行了现场应用。施工2年后，胶结封闭区段有砟道床内部仍较洁净，未有明显的煤粉侵入迹象，有砟道床未出现板结病害，见图4。

图4 施工2年后胶结封闭区段有砟道床内部情况

6 结论

1）有砟道床表层胶结封闭效果好，防煤粉侵入有效。小颗粒石子粒径宜5～10 mm，胶结深度宜5～8 cm。

2）聚氨酯胶结材料黏度低、固化快、早期强度高、断裂伸长率适中，满足胶结封闭道床天窗期施工和后期养护维修的要求。

3）道床胶结封闭工艺操作简便，适用于运营线规模化施工，也可用于胶结封闭道床养护维修后的二次封闭。

4）胶结封闭道床防煤粉侵入长效性好，可将清筛周期大幅延长。若定期配合吸尘车等养护，可实现免清筛，经济效益显著。