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关于城际轨道路基地段无砟轨道下沉整治方案研究

发表时间：2021/4/30 来源：《基层建设》2021年第1期作者：向淼

[导读] 摘要：路基地段无砟道床发生沉降后，我们一般会分析其沉降原因，然后采取相应的整治方案。

        中铁二十五局集团第一工程有限公司广东广州 510400
        摘要：路基地段无砟道床发生沉降后，我们一般会分析其沉降原因，然后采取相应的整治方案。本文将从无砟道床发生沉降开始，对路基本体注浆方案、更换特殊扣件方案、机械抬升方案、注浆抬升方案4个方案进行比选和研究。以便给发生类似事件时，提供相关经验。
        关键词：无砟轨道；沉降；整治；化学注浆
        引言
        随着我国高速铁路运营时间及里程的增加，整体无砟轨道部分区域逐渐遇到一些特殊状况，如路基的沉降未完成、隧道由于其他原因基础的沉降变形和特殊地段低温冻胀等病害，从而导致无砟轨道整体线路不平顺，个别地段的高低、轨向不平顺超过了扣件原设计的调整范围。发生此类事件以后，我们一般会分析其沉降原因，分析是路基基础沉降或路基本体沉降，但是路基基础一般采用CFG桩、水泥搅拌桩等工艺进行加固，而路基本体则因为工后沉降、填筑方式、过渡段处理等原因出现较多问题。本文结合东莞某城际轨道项目，针对桥梁和隧道中间的路基段无砟轨道发生沉降，从路基本体沉降、更换特殊扣件、无砟轨道机械抬升、无砟轨道注浆4个方案的选取做出分析和研究，以便给其他同类事件处理提供分析和依据。
        1 工程概况
        此段路基长215.5m，基床表层填筑级配碎石，厚0.4m；基床底层填筑A、B组填料，厚2.3m；路基本体采用A、B组填料填筑，填筑高度4.6~7.5米。基地采用CFG桩加固，桩径0.5m，桩间距2.0m，正三角形布置，加固深度16.0~16.24m。桩顶铺设厚0.6m的碎石垫层内夹铺一层抗拉强度100kN/m的双向拉伸高强聚酯长丝经编土工格栅。路堤边坡坡脚外2.0m设梯形排水沟，沟身采用C25混凝土预制板拼接。此段路基从2015年3月开始精调运营至2017年10月累计下沉最大值30.5mm，已超过了扣件调整极限，若继续下沉，则无法再利用垫板作业及线路顺坡调整轨道高程，必须进行限速处理。根据已有资料分析和研究，此次无砟道床下沉为路基本体工后沉降所致。具体路基横断面图如图1所示。

        图1路基横断面图
        2 整治方案比选和研究
        2.1 路基本体注浆
        根据分析知道此次沉降是由路基本体工后沉降所致，我们第一步首先想到的是对路基本体进行加固处理，防止沉降继续。在路基下沉范围内布设注浆孔，采用斜孔分层注浆，注浆孔布置在路基表面和道床板上，道床板注浆孔位置和路基表面注浆孔位置呈梅花形布置。原则上横向断面布置注浆孔7排，即路基表面5排及道床板上2排。注浆孔孔径60mm，各自纵向间距2.6m，打孔深度至路基基底碎石垫层。注浆浆液应选择水灰比较小、凝固时间短、微膨胀的浆液或者支座砂浆浆液。钻孔时宜采用干钻或风钻，不得采用水钻。
        通过方案分析我们知道，路基本体方案虽然简单，但是可操作性不强，特别是水灰比的控制和注浆压力。路基本体经过压实和几年自然沉降以后，土体颗粒之间已经形成各自的骨架结构，贸然进行注浆，若水灰比控制不好，水进入土体可能会造成土体膨胀，破坏原有结构，对路面上的轨道可能产生上拱。而在钻孔的过程中，也会破坏土体结构，造成部分塌陷，会造成无砟轨道下沉。综上分析，在已经运营的线路上，采用路基本体注浆风险极大，可操作性不强。
        2.2 更换特殊扣件
        根据中国铁路总公司文件（铁总科技（2015）16号）文件《WJ-7和WJ-8特殊调整扣件暂行技术条件》中可知，普通型扣件高程可调范围-10mm~+26mm，WJ-8型特殊扣件最高可调范围为+27mm~+60mm，具体配置如表1所示。
        表1 WJ-8型特殊调整扣件特殊调高配置标（单位为毫米）

        更换特殊扣件后，我们可以继续观察路基下沉情况，保持线路的稳定运营。但是也存在如下不足：
        （1）无砟轨道已经下沉31mm，特殊扣件最高可调60mm，若后续下沉不可控，可能特殊扣件也不能保证线路稳定运营，不限速。而且WJ-8型特殊扣件调高超过40mm时，特殊扣件已超过混凝土挡肩的高度，扣件稳定性有所降低，需限速200km/h及以下运营。
        （2）由于中国铁路总公司文件（铁总科技（2015）16号）文件刚施行不久，且一般路基下沉范围不会很广，特殊扣件需求量不会很大，厂家制作时需要更换模具，造成特殊扣件难购买，且价格异常昂贵。
        （3）特殊调整扣件现场实际应用长期效果有待进一步跟踪观测，一般铺设后使用时间不超过3年。
        综上分析，更换特殊扣件也不能有效地解决此段路基无砟道床下沉问题。
        2.3 无砟轨道抬升
        路基本体注浆和更换特殊扣件已不能很好的解决无砟轨道下沉事件，我们只能在无砟道床上想办法，根据其他运营站段的经验，无砟轨道抬升有两种方式，一种是机械抬升，另一种是注浆抬升。
        2.3.1 机械抬升
        所谓机械抬升，就是采用植筋的方式把支承层和道床板连接在一起，然后在支撑层上钻孔设置拉杆，每个断面用横梁把拉杆连接起来，然后以10米~20米为一个单元利用千斤顶从下沉最小处往最大处开始逐步每个单元提升，经过计算后，每个一定距离设置一个吊点，在抬升的过程中，通过每个吊点千斤顶施加不同的力，使之达到设计标高后，通过钻的注浆往支撑层下面灌注快硬型砂浆。其主要步骤有封闭层切割→轨道板解锁→安装机械抬升装置→轨道板抬升→板底注浆→轨道精调。具体机械抬升示意图如图2所示。

        20-横梁 30-千斤顶 41、42-道床板 43-支撑层 44-级配碎石层
        61、63-拉杆 62-连接器 64、65-限位装置 71-钢轨
        图2 机械抬升示意图
        经过分析我们发现此项工艺对现场实际条件来说存在如下困难：
        （1）作业准备时间过长、完成整治时间过长
        现行工艺的主要准备工作包括：①测量、封闭层切割；②钻孔及植筋锚固；③工装的安装及固定；④千斤顶的底座制作和水平千斤顶的侧向挡块浇筑。完成此项准备工作就需要15个天窗点以上。而具体完成此项整治施工估计要3个月以上。
        （2）作业效率低、劳动强度大、极易发生延点事故
        现场施工作业时基本都要依靠人工及小型易携带工机具完成，当遇到沉降地段比较长尤其是路肩封闭层的切割、工装安装孔的钻设、工装的安装固定以及竖向千斤顶底座和水平千斤顶侧向挡块的制作等工序时费时费力，不仅作业效率低，需要工人人数多、且工人体力劳动强度大。每个天窗点仅仅只有4个小时左右，去除施工作业前后现场准备、材料清场及线路开通前的轨道精调，每个天窗点作业时间不足2个小时，若安排不当，很可能发生延点事故。
        （3）现场安全管控难度大、人工成本高
        无砟轨道结构整体抬升工艺复杂、流程多，为了加快施工进度和充分利用有限的施工 “天窗”，必将加大人力物力的投入，无形中加大了现场安全的管控难度，增加了成本。
        2.3.2 注浆抬升
        采用的注浆材料为A、B双组份高聚物聚氨酯材料的化学注浆抬升技术的原理是通过合理布置注浆抬升孔，采用高压注浆设备通过注浆管将具有良好充盈性、快速凝结及膨胀等特点的高聚物注浆材料从抬升孔中注入到支承层下的级配碎石中，其注浆材料初始反应时间15s，30分钟可达强度0.7MPa。利用注浆压力及注入浆体的膨胀力，对上部轨道结构进行快速、可控抬升，如图所示。通过注浆抬升孔的合理布置，从沉降最大区段开始抬升，依次向两边发展，逐步释放轨道内应力，避免产生新的应力造成轨道结构破损。同时根据天窗作业时长和轨道型式，合理分段、多次抬升，单次最大抬升高度不超过10mm。使两抬升孔间的轨道结构抬升至设计高度，直至将抬升区段的轨道结构全部抬升至设计高度。具体注浆抬升示意图如图3所示。

        图3 注浆抬升示意图
        在施工过程，根据现有场地要求，大型的注浆设备可以放在线路外面，每个天窗点施工只需将注浆管送入线路即可，不需像机械抬升一样，每个天窗点需重复安装顶升设备，节约每个天窗点进出场时间，大大提高效率，也便于现场管理。根据计划安排，采用注浆抬升方案预计需要16个天窗点完成所有整治，节约时间。
        根据上述4种方案的比选，只有注浆抬升安全可靠，可以快速的解决无砟道床整治问题。
        3 注浆抬升实施方案
        在准备阶段，利用天窗时间进行抬升前的准备工作，主要包括CPⅢ复测，确定扣件编号，设置坐标控制点，轨道高程、坐标测量，钻注浆孔、注浆孔，封闭层切割、凿除，适应性试验等。
        在抬升阶段，每股道从沉降最大处开始进行抬升，每次最大抬升量不超过10mm。每天抬升完成后，用轨检小车进行测量，顺平线路，确保高铁正常运行。
        每段抬升前一天，先组织人员对轨道扣件垫板进行抽换，把轨面高程降低，以确保抬升完成后轨面基本恢复至抬前状态。
        在修复阶段，对轨道进行复测、局部补抬、注浆填充、全面精调，对切割凿除的封闭层进行浇筑，施做新的伸缩缝及修复破坏的伸缩缝，对轨道周边污物、残渣进行清理等。具体注浆抬道现场实际施工图如图4所示。

        图4 注浆抬道现场实际施工图
        最后按照目标计划经过抬升后，轨道线性完好，经过轨道精调以后满足线路运营要求，抬道过程线性图如图5、图6所示。

        图5 上行右轨抬升过程图

        图6 下行右轨抬升过程图
        4 结语
        本文通过城际轨道某一段路基无砟轨道下沉为例，浅显的分析4种整治方式的利弊，沉降较大，且没有停止的趋势一般采用路基本体注浆后再采用其他方式纠正无砟道床。而沉降趋缓未完全结束时最好采用更换配件方式继续观察。在沉降趋于稳定后，注浆抬升方式主要用于结构中有缝隙层的存在，例如路基中的碎石垫层，其注浆抬升工期短，设备简单，且只需穿透第一次注浆层可以实现多次注浆抬升，注浆抬升一般在路基中使用较为方便，随着注浆材料普及，其应用也会越来越广泛。机械抬升适用于各种场合，无论桥梁、隧道、路基，只是其顶升设备装备多，天窗点内效率低，但是随着板式无砟道床的兴起，且将机械抬升设备进行组装，设备化，智能化，其利用将会越来越方便。
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