重载铁路翻浆病害聚氨酯半刚性层整治技术现场试验研究

王希云

(神华包神铁路集团有限责任公司，内蒙古包头 014000)

铁路翻浆冒泥病害在国内外一直属于“老大难”的问题[1]。我国既有线重载铁路在建设时由于设计水平低、施工技术差，并且“重桥轻路”的思想根深蒂固。同时随着重载铁路轴重、速度以及运量不断提高，重载铁路沿线翻浆冒泥病害频繁发生，严重影响线路的质量，使线路维修工作量增加、缩短线路使用寿命[2-4]。

传统的有砟轨道路基基床翻浆冒泥病害整治主要采用排水砂垫层加防水土工布、半刚性封闭层，砂垫层加防水土工布方法具有施工工艺简单，能够起到防水和排水作用，但存在土工布易破裂、不能改善基床强度、刚度、不能减少列车荷载在路基中产生的动应力等问题，因此，用于铁路路基翻浆冒泥整治，耐久性较差。半刚性或全刚性封闭层材料主要包括土工合成材料、水泥混合料、沥青混合料，其中土工合成材料在浅埋条件下存在材料性能老化且修复困难等问题；水泥混合料由于温缩和干缩而普遍会产生开裂无法满足防渗要求，并且需要一定的养护时间，无法满足天窗时间施工的要求。沥青混合料整体来说，整治效果较好，具有防渗和减震的作用。但是，沥青混合料容易出现离析严重、沥青与集料黏附性不足、裂缝和施工破坏等问题严重，还有施工工序考虑不周等，亟需一种新型防水路基基床，能够在天窗期间快速施工完成路基翻浆冒泥病害的整治。

结合包神铁路路基整修设计项目，拟在道床下方增设新型聚氨酯碎石防水基床，探究新型聚氨酯级配碎石防水基床在整治铁路路基翻浆冒泥的效果，以期对铁路路基翻浆冒泥整治较以往的方法取得更好更长久的效果。

1 工程概况

磁窑湾站位于陕西神木县大柳塔镇，站场于1989年5月竣工，根据运营生产力提高的需要，并于2004年4月到2005年5月进行了扩能改造。路基基床底部为煤矸石填料，其抗水性能差，遇水易变软，在降水或地下水浸湿软化作用下，土体强度急剧下降，在列车动荷载反复振动作用下液化成泥浆，轨枕在列车经过时产生上下振动，对于形成泥浆的基床土体产生向上的“泵吸”力，泥浆通过道床向外窜出，夏季翻浆冒泥，冬季病害严重，严重危及行车安全。

2 聚氨酯胶凝碎石整治技术

2.1 聚氨酯胶凝碎石复合半刚性层

聚氨酯碎石复合半刚性层由加厚防水土工布、聚氨酯混合料层(厚度0.08 m，3%排水坡)，防水土工布以及砂垫层(厚度0.03 m)组成，见图1。聚氨酯碎石混合料层由聚氨酯胶水和级配碎石搅拌而成，弹性模量较大、抗渗能力强，有利于分散和降低列车对路基的动应力和减轻基床内含水量的波动，同时有助于基床的受力分布，对路基翻浆冒泥整治具有较好的效果。

图1 聚氨酯碎石混合料防水层结构

2.2 聚氨酯胶凝碎石

聚氨酯胶水：由A组分和B组分按1∶2质量比混合而成，胶水黏度3 600 MPa·s(25 ℃)，抗压强度74 MPa，撕裂强度65 N/mm。

碎石：为了使防水联结层有较好的应力扩散和抗变形能力，并达到良好的防水能力，聚氨酯碎石混合料要形成悬浮密实结构[5-6]，同时考虑到施工方便，要求胶凝碎石无需碾压，以提高施工效率，碎石级配如表1所示。

表1 碎石设计级配

聚氨酯胶凝级配碎石：将一定量的聚氨酯胶水与碎石搅拌均匀，在模具中摊铺，无需碾压，形成强度高、弹性好、固化时间快的试块结构，见图2。

图2 聚氨酯级配碎石

2.3 材料特性试验

聚氨酯胶凝碎石主要考虑问题在于不同“胶石比”下，试块抗压强度随温度、湿度的变化规律，以设计出胶石级配良好、经济耐用的复合层，测试结果显示碎石掺9%聚氨酯胶水，固化时间快、强度大、耐久性好。试验方法参考文献[6-7]，测试结果如图3所示。

图3 不同工况下抗压强度

同时发现，9%掺胶量的碎石常温下初凝时间40 min，终凝时间为8 h，终凝回弹模量310 MPa，满足天窗点施工和受力条件。另外，试块孔隙率为2.3%，一般而言，混合料孔隙率为1%～3%时可认为基本无渗水[6]。

由图3可知，聚氨酯胶凝碎石在高温下抗压强度明显低于低温和常温下胶凝碎石强度，主要原因在于低温和常温区聚氨酯为固态，材料具有较强的物理约束和化学胶结作用，而在高温区逐渐软化，物理约束和化学胶结作用减弱，导致强度降低。另一方面采用的聚氨酯与水为非反应材料，自由水的存在使得颗粒集合间嵌挤力降低，导致浸水后聚氨酯胶凝碎石抗压强度下降，浸水后内部水分含量较少，对强度的软化作用有限[8-10]。

如图4所示，沥青混凝土抗压强度数值来自文献[5]，说明聚氨酯胶凝碎石对温度变化较沥青混凝土适应性好。

图4 抗压强度对比

由图4可知：虽然聚氨酯胶凝碎石在高温时抗压强度衰减较多，但在同等高温度下远比沥青混凝土抵抗变形能力高出很多。

3 聚氨酯胶凝碎石整治施工工艺

瓷窑湾站场岔区翻浆冒泥试验段翻浆区域共50 m，如图5所示。考虑人员和设备数量因素，以及工作面的大小等因素，将50 m施工试验段分为4个施工天窗进行施工，第一个施工天窗点用来做试验段的侧面清筛和轨枕间道砟清筛；第二个施工天窗点施工长度为15 m，以保证在4 h的施工天窗时间内完成翻浆冒泥的整治工作；第三个施工天窗点分成两段，施工长度一共17 m；第四个施工天窗点完成剩余的18 m长度。经过现场施工验证，该分配方案确实可行，能在有限的4 h封锁天窗时间内完成分段的翻浆冒泥整治工作。

图5 施工天窗分段施工

施工工艺流程如图6所示。

图6 施工整治流程

4 现场试验分析

4.1 现场行车试验研究

为了研究整治效果，选取C80002型号(轴重20 t，载重80 t)神华自备列车货车进行测试，参考文献[11]分别在下行线严重翻浆地段以及正常地段轨枕端部安装加速度计，以测试行车过程中轨枕振动响应，检验路基翻浆冒泥整治效果，为新材料用于线路翻浆冒泥整治提供参考和依据，见图7。

图7 加速度计现场布置

未整治之前，严重翻浆地段和正常地段轨枕振动加速度时程曲线见图8。

图8 速度80 km/h重载货车轨枕振动加速度时程曲线

由图8(a)可知，货车通过严重翻浆地段轨枕振动加速度幅值为20.84～41.24 m/s2，幅值均值为30.25 m/s2；由图8(b)可知，货车通过正常地段时轨枕振动加速度幅值为2.67～3.25 m/s2，幅值均值为2.53 m/s2，时速80 km下同一轴重的满载货车通过严重翻浆地段和正常地段的轨枕加速度相差很大，加速度幅值均值相差11.96倍。现场开挖道砟后发现严重翻浆地段道砟板结和轨枕脱空等病害，列车行驶中轨枕振动剧烈，而轨枕位移变形大，加速度上下幅值变化较大。

整治12 h之后，聚氨酯胶水已完全固化，聚氨酯层已能达到最大强度，此时列车限速45 km/h，严重翻浆处轨枕加速度时程曲线如图9所示。

图9 速度45 km/h严重翻浆地段轨枕振动加速度时程曲线

由图9可得：轨枕振动加速度幅值1.32～3.25 m/s2，均值为1.53 m/s2，整治效果显著，但因施工中聚氨酯混合料摊铺不均匀、道砟捣固不充分等，导致线路整体不密实，从而轨枕的振动较剧烈。

整治7 d后，货车恢复常速80 km/h，聚氨酯整治试验段通过若干趟货车后，聚氨酯胶凝碎石层整体稳定，严重翻浆处轨枕加速度时程曲线如图10所示。

图10 时速80 km严重翻浆地段轨枕振动加速度时程曲线

由图10可知：轨枕振动加速度幅值1.22～1.28 m/s2，均值为1.25 m/s2，相比于整治前，加速度幅值降低了24.2倍，轨枕的振动趋于稳定，相较整治前得到稳定改善，效果较好。相比于正常地段加速度幅值均值降低2.02倍，可见有较好的减振效果。

综上可知，其因聚氨酯胶凝碎石层强度大、弹性较好，设置聚氨酯胶凝碎石层使得路基结构的减振效果显著，随着重载货车的轴重以及速度日趋增大，在路基基床上增设聚氨酯胶凝碎石加强层，可提高列车行驶的平顺性，延长铁路使用寿命。

4.2 现场长期观测

施工过程中于聚氨酯结构层顶部和底部设置沉降观测点，并采用高精度水准仪开展结构层长期沉降监测。其中S1置于聚氨酯结构层底部，S2置于聚氨酯结构层顶部，测试结果见图11。

图11 试验段路基沉降监测

由图11可知：设聚氨酯胶凝碎石加强层后，路基总沉降为17.89 mm，其中聚氨酯结构层产生13.21 mm的压缩变形，同时发现聚氨酯结构层沉降主要发生在施工后7 d之内，但是后期沉降保持稳定，同时经过雨季后，根据现场工务人员反馈，没有产生翻浆病害，可见增设聚氨酯胶凝碎石加强层可有效整治翻浆病害。

5 结论

提出一种基于重载铁路基床表层增设聚氨酯胶凝碎石加强层的结构，并对其进行材料力学特性、施工工艺以及行车测试等现场试验研究。主要结论如下。

(1)级配碎石掺9%聚氨酯胶水，孔隙率低、固化时间快、强度大、耐久性好，且混合料常温下初凝时间40 min，初凝强度5.4 MPa，满足天窗点施工和受力条件。

(2)半刚性结构层在包神重载铁路瓷窑湾站翻浆冒泥整治试验工点得到运用，施工工艺合理有效，能在

有限的4 h封锁天窗时间内完成分段的翻浆冒泥整治工作。

(3)现场行车试验显示加强层具有较好的减振效果，减少线路维修工作量，增加线路使用寿命，现场长期监测证明采用聚氨酯胶凝碎石结构层整治翻浆冒泥病害效果显著，且后期沉降保持稳定。