无砟轨道高速铁路沉降整治技术探索及案例分析

无砟轨道高速铁路沉降整治技术探索及案例分析北京高铁工务段王亚宁2013年10月目录一、前言二、国内外无砟轨道下沉修复技术三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术四、抬梁提升法整治桥梁下沉技术五、扣件调整法整治无砟轨道下沉技术六、结论一、前言高速铁路沉降问题一直以来是影响高速铁路行车平顺性、舒适度、安全性的重大问题，如何有效的处置高速铁路沉降病害是工程建设单位和设备维护单位关注的重点，尤其是无砟轨道高速铁路，由于轨道结构的限制，在沉降整治工作上成为难点和焦点问题。根据无砟轨道高速铁路沉降病害的现实状况，分析研究国内外的整治经验，以我国已开通运营的无砟轨道高速铁路沉降整治为依托，总结提炼目前处置无砟轨道沉降病害的可行性方案，并对已经实施的沉降整治案例进行分析，初步摸索出无砟轨道沉降整治措施。二、国内外无砟轨道下沉修复技术我国高速铁路无砟轨道运营中，由于区域沉降，地下采水、采矿，在高铁周边施工开挖基坑或堆载，原高铁施工预压期短，周边环境变化等因素的影响，部分无砟轨道局部地段出现不同程度的下沉现象，致使轨面局部不平顺。路基地段造成级配碎石层与支承层间产生脱空，轨道板与路基面封闭层间离缝，桥梁地段造成桥墩的不均匀下沉。当无砟轨道沉降量较小时，普遍采用轨下垫板的扣件调整方案来满足线路的平顺性。当沉降量较大超过扣件的调整能力时，将会影响到列车的舒适度，严重时会影响到列车运行的安全。为此，必须在扣件调整能力达到极限前采取可靠的无砟轨道抬升措施，保证无砟轨道线路的平顺性。经广泛了解，目前国内外采取的无砟轨道抬升技术主要有：二、国内外无砟轨道下沉修复技术新建未运营的高铁无砟轨道沉陷，通常采取在轨道板与支承层之间灌浆或灌注混凝土抬升。即先将轨道扣件打开并打起钢轨和轨道板，使轨道板与支承层分离，然后在支承层上灌浆或灌注混凝土，待灌注层达到强度后，恢复线路但该施工方案对轨道板与钢轨均进行大变形扰动，涉及到设备进出场、场内转移，操作效率较低，环节较多、工序复杂，完成最小单元的抬升施工需要10h以上的天窗时间，在运营线上施工难度大。如下图所示。二、国内外无砟轨道下沉修复技术采用木墩支承钢轨采用木墩支承轨道板二、国内外无砟轨道下沉修复技术沪杭客专某路基段CRTSⅡ型无砟轨道局部发生沉降，曾采用在地基内高压注入水泥浆的方式加固地基，并对无砟轨道产生一定量的抬升，但在施工后不久便产生较大的沉降，该方案目前尚不成熟。广珠城际某路基段CRTSⅠ型无砟轨道局部发生沉降，采用在轨道板下垫树脂砂浆垫块抬升轨道，线下试验已完成，目前尚未在线上实施。二、国内外无砟轨道下沉修复技术工务部门在运营维护过程中不断总结，并研究应对线路不均匀沉降的方法，目前已经实施且效果较好的整治方法有路基注浆抬升、扣件调整、桥梁抬升三种方法，上述方法已经在运营高速铁路进行实施，通过后期观察效果良好。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术注胶抬升无砟轨道路基下沉的主要原理是用专用高压设备，在无砟轨道支承层下注入4.75#A、B双组份高强发泡树脂材料，材料快速反应固化后，使轨道抬升到设计高度。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(一)技术方案1．注胶设备注胶设备主要由注胶主机、恒温管、输料泵、注胶枪等组成。注胶主机可定比例输出双组分材料，能提供达13.78MPa的注胶压力来保证注胶材料的输送距离（最长可达120米）和密实抬升下沉的路基；能灵活设定双组分材料和恒温管的加热温度且具备完善的过温、过压保护功能。注胶主机的高压状态下使抬升时板下空洞填充密实。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术注胶主机注胶主机控制面板在封闭的空间内，双组分材料反应后充满空间，形成致密的刚性固结体。在开放的空间，双组分材料反应后流动并形成泡状凝结体。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术2.注胶材料注胶材料采用双组分的结构型聚氨酯泡沫，具有固化反应快、强度高、粘度小、耐久性强、安全环保、与土壤和混凝土粘接良好、能在潮湿环境正常工作并挤排掉积水的优点。注胶材料膨胀后膨胀抬升能力足以抬起40m厚的混凝土板。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术3.注胶抬升流程轨道抬升注胶施工流程见下表。序号作业内容1检测注胶区段及其前后50米轨道几何参数2制定抬升方案3钻孔4准备注胶设备管线保护5安装注胶管初始测量6帷幕注胶实时监测7抬升注胶实时监测8拆除注胶管轨道几何参数测量9线路精调三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术4.注胶孔布置注胶孔布设从两个方面考虑，一方面考虑注胶抬升能力的需要，另一方面考虑线路上的设施分布与板内钢筋分布情况，具体如下：(1)根据注胶材料的特性，注胶孔按梅花形布设，孔间距以1.0m左右为宜。(2)轨道、扣件、承轨台、应答器、轨道电路所占位置不能进行打孔。(3)轨道板钢筋所占位置不能打孔。(4)可利用轨道板上三个CA砂浆灌浆孔。(5)为减小对轨道结构的影响，轨道板、支承层尽量少打孔，除原有灌浆孔外，每块轨道板上打孔数量不应超过4个。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(6)控制打孔的直径，最大孔径不超过30mm。(7)两侧预留精调注浆孔，在中间孔完成轨道主要抬升量后，通过两侧的精调孔调整到位，并控制轨道的水平姿态。1287.51287.565012040°横断面布置注胶孔图三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术5.注胶一次抬升量计算在注胶抬升施工过程中，轨道板、底座板内部会产生应力，应力的大小与一次最大抬升量有关，为避免在抬升过程中对轨道板产生损坏，需要进行一次最大抬升量计算。根据有限元计算结果表明，抬升施工时，找平层处于受压状态，压应力小于混凝土的抗压强度；底座板只有一小部分处于受拉状态，拉应力比较小，不会使其破坏；轨道板在抬升点处受拉，一次抬升量由轨道板内的拉应力控制，按C50混凝土轴心抗拉强度3.0Mpa估算，最大一次抬升量应不大于22mm，初始抬升位置不应布置在II型无砟轨道板的宽接缝附近。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术6.注胶抬升控制无砟轨道注胶抬升的关键是抬升量的精确控制，为保证无砟轨道的精确抬升需采取如下措施：一是采用间歇注胶工艺，逐步抬升轨道板，达到预定的抬升量；二是实时测量，实时测量包括注胶前的初始测量、注胶过程中的动态测量、注胶抬升影响范围内的回测；三是预留材料反应剩余膨胀量；四是预留注胶抬升孔间相互影响量；五是预留精调孔，通过精调孔注胶进行二次调整。采用高精度测量仪器，并采取上述措施，无砟轨道注胶抬升的精度可控制到±1mm。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术7.运营线注胶抬升相关要求无砟轨道注胶抬升施工需利用不少于180min的施工天窗进行，施工期间线路需按不大于160km/h的速度限速运行。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(二)工程实例1.京津城际武清站CRTSII型板式无砟轨道路基下沉注胶抬升2012年5月，对京津城际武清站下行K84+276—K84+336长度60m的CRTSII型板无砟轨道路基下沉段进行了注胶抬升，此次最大抬升量10mm。具体施工情况如下：三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术L1M1R1L2M2R2L3M3R3L4M4R4L5M5R5L6M6R6L7M7R7L8M8R8L9M9R9L10M10R10L11M11R11L12M12R121287.51287.565012040°(1)注胶孔位布置注胶孔孔布置平面示意图注胶孔孔布置平面示意图三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(2)钻孔钻孔机具：钻孔机械采用TE80-ATC电锤钻，钻头直径25毫米；钻孔精度：孔间距±5mm，孔深±5mm，倾角1﹪；控制措施：用特制的边孔倾斜角度控制架精确控制钻孔角度。钻孔成型后，用特制的软式孔塞进行临时封堵。(3)注胶抬升作业①注入管安装将注胶管插入注胶孔内，注胶管露出地面的高度为80～100mm，用扳手拧紧注入管一端的螺母，使注入管另一端的橡胶管膨胀卡住孔洞使其固定，然后在注胶管上安装注胶嘴。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术②注胶抬升按先两侧边孔帷幕注胶，后中心孔抬升注胶，再边孔调姿注胶的原则进行作业。边孔帷幕注胶作业采用隔三孔注一孔、分两次作业完成。中心孔注胶抬升作业采用间隔三孔进行，剩余孔作为填充注胶孔。抬升预留量为1.5mm，每次抬升前要对抬升点高程进行测量，抬升控制量为设计抬升量减去预留量、再减去前点抬升对本点的影响量。每天抬升起终点应根据当日能够完成的作业量、抬升高度的影响范围、抬升点与宽接缝的距离不小于2米的原则进行布置，不得在宽接缝处直接抬升。注胶时，要进行实时测量，全面测量轨道的抬升速率、抬升量。根据测量情况，及时调节注胶量、注胶速度、注胶孔位置。实时测量包括注胶前的初始测量、注胶过程中的动态测量、注胶抬升影响范围内的回测。通过注胶实时测量，来注胶抬升精度。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术2.津秦客专滨海北站板式无砟道岔路基下沉注胶抬升津秦客专滨海北站2号道岔为板式无砟轨道道岔，联调联试前2号道岔最大下沉量达25mm。2013年3月采用注胶抬升法对2号道岔导曲和辙叉部分DK68+916.5～DK68+952.7下沉段36.2m长的范围进行了注胶抬升。鉴于该处下沉量较大，根据抬升有限元计算，该处注胶抬升计划分两次进行，抬升区域划分如下图所示。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(1)注胶孔位布置板式无砟轨道道岔注胶孔，下图为注胶孔位横断面示意图。注胶孔位横断面示意图三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术2．注胶抬升作业首先进行边孔帷幕注胶，帷幕注胶作业采用隔三孔注一孔、分三次完成作业。单孔帷幕注胶的道床抬升量以不超过0.5mm为原则，帷幕注胶作业的抬升量叠加控制在2mm以内。中间孔注胶抬升作业，按划定的抬升区域进行，抬升孔间距控制在4～6m，横向作业顺序两侧对称抬升进行，剩余孔位作为调姿注胶孔或填充注胶孔。三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术2号道岔注胶抬升情况图三、注胶抬升无砟轨道路基下沉技术(三)注胶抬升效果检验京津城际武清站下行K84+276—K84+336段在注胶抬升前，曾多次出现动态偏差超限，均为垂加偏差。注胶抬升整治后，经过一年多的运营，线路状态稳定，没有出现动态偏差超限情况。津秦客专滨海北站2号道岔在注胶抬升整治后，经过近半年的时间，线路状态稳定。四、抬梁提升法整治桥梁下沉技术(一)技术方案近几年桥梁调高逐步向支座本身调高发展。目前梁体的顶升方式主要有两种：(1)采用支座本身自带油腔顶升，用临时支撑加以辅助；(2)采用液压千斤顶顶升；两种方式均需在梁底或墩顶加塞钢垫板来实现调高。使用该工艺整治无砟轨道高速铁路桥梁沉降的关键环节主要有以下几方面：四、抬梁提升法整治桥梁下沉技术1．顶升对桥梁结构的影响分析对于简支梁来说，其受力明确，桥梁顶升并不改变其受力状态，只是支点位置发生了变化。对于桥墩基础来说，没有附加荷载增加。基础没有附加力，故此，桥墩基础在顶梁过程中不会出现附加受力和附加沉降，桥梁结构安全。2．抬升量计算根据墩身沉降测量数据、轨道平顺性检测数据，以轨道平顺性指标和轨道线形为目标，计算每个桥墩的抬升量。四、抬梁提升法整治桥梁下沉技术3.抬梁过程监控抬梁施工过程中梁体顶升量不能一次抬升到位，需经过几个循环反复抬升。期间需对每个顶升循环的顶升量精确控制，同时对无砟轨道结构进行监测，主要的技术要求有以下几方面(1)采用液压控制系统，确保控制同步顶升。采用千分表准确测量梁体顶升高度。(2)顶升量控制顶升速率：每分钟≤1mm的上升；顶升高度：每3mm为一个顶升循环（每顶升3mm需暂停顶升作业，进行轨面实际抬高的观测并做好记录，进行钢轨、轨道板、底座板应力应变监测，分析梁部及轨道的安全性。确认结构安全后再进行下一个循环）；落梁就位：每分钟≤2mm的下落。四、抬梁提升法整治桥梁下沉技术(3)无砟轨道结构监控抬梁期间，在32m简支箱梁墩顶对应的的轨道板、砂浆层和底座板上布置应变自动监测系统。左右两条线路均进行测试,采用振弦式应变计测试轨道结构应力。梁体相对竖向位移,采取在梁端布置