聚氨酯固化道床技术在大西高速铁路中的应用

0引言

轨道是铁路的主要技术装备之一，是行车的基础[1]，我国主要存在有砟轨道和无砟轨道2种轨道结构型式。无砟轨道具有整体性强、稳定性好、轨道几何形位易于保持等优点，经过多年科技创新攻关和运营实践，我国已形成了多种无砟轨道结构体系，技术水平达到世界领先，是铁路长大隧道和时速300km及以上高速铁路采用的主要轨道结构。有砟轨道具有弹性好、工程投资低等优点，但仅在时速200~250km高速铁路普遍采用，在设计时速300km及以上的高速铁路的长大桥、地质活动断裂带等特殊区段，因下部基础变形等条件限制铺设有砟轨道(但限速250km/h运行)。相比于世界领先水平，我国高速铁路有砟轨道技术研究应用尚存在一定差距。根据国内外应用现状及相关研究和试验，有砟轨道按300km/h及以上速度设计并运营时，面临着道砟飞溅、道床稳定性弱、道砟易粉化、轨道几何形位变化快等诸多挑战。2010年以来，针对我国铁路建设和运营需求，开始研究聚氨酯固化道床技术，先后通过《聚氨酯固化道床关键技术及标准研究》《聚氨酯固化道床关键技术深化研究》和《聚氨酯固化道床施工轨道变形控制技术及养护维修技术研究》等项目，研发形成了具有自主知识产权的高速铁路聚氨酯固化道床结构设计、材料制备、施工工艺和装备、养护维修等成套技术[2]，成果首次在大西高速铁路综合试验段进行应用考核。

1结构设计

聚氨酯固化道床是在稳定的碎石道床内浇筑聚氨酯混合液，在道床内部完成发泡、膨胀，填充道砟孔隙的同时牢固粘结道砟，形成弹性整体的道床结构[3]。其受力骨架还是碎石道砟，因此在设计时既要充分考虑其功能性，还要兼顾经济性，满足道床强度、稳定性、耐久性等基本性能要求，并有利于道床自身的排水、施工及养护维修，减少聚氨酯固化材料用量从而降低工程造价。根据轨道强度检算理论，轨枕视为支承在弹性基础上的短梁，其主要支承部分为轨枕两端，中间部分不支承或部分支承，轨枕传递到道床顶面的应力在向路基面传递时，会有一定的扩散，其应力扩散角一般为35°。在此基础上通过理论计算和仿真分析，并综合考虑其他因素，提出大西高速铁路双梯形聚氨酯固化道床结构(见图1)。

该结构采用60kg/m钢轨、IIIC枕配套弹条V型扣件，道床厚35cm，道床顶面低于承轨面40mm，且不高于轨枕中部顶面。道砟采用特级水洗道砟，固化道床为双梯形，道床顶面固化宽度不小于850mm，道床底面固化宽度不小于1150mm，且两双梯形之间最小间距不小于200mm，道床与下部基础间铺设排水板(三维复合排水网，见图2)。聚氨酯原材料包括异氰酸酯、聚醚多元醇组合料、催化剂，按《聚氨酯固化道床暂行技术条件》(铁总科技〔2013〕143号)的规定选取。聚氨酯固化道床结构轨道高度见表1。

2施工工艺

大西高速铁路聚氨酯固化道床施工工艺包括有砟轨道铺设施工和聚氨酯浇筑施工2道工序。

有砟轨道道床施工配备道砟运输车、装载机、平地机、压路机、风动卸砟车、机械化整道作业车组等主要设备，施工时为了道床稳定且避免过多的捣固将道砟捣碎，采用少捣多稳的施工工艺[4]，施工流程见图3。

有砟轨道精调精整合格后进行固化施工，聚氨酯道床固化施工主要配备道床烘干和浇筑设备[5]、机车(牵引质量≥360t)、轨道车(牵引质量≥120t)各1辆、路用平板车5~7节(NX70或NX17BK型集装箱平板，换长1.5)。施工时按照施工前准备、扒砟、确定烘干及浇筑工艺、烘干、浇筑作业、保压、回填道砟的先后顺序进行施工，施工工艺流程见图4。

为了评估该工艺条件下的道床固化效果，采用刚度仪检测道床的刚度、道床横向阻力和纵向阻力，浇筑前后聚氨酯固化道床刚度测试结果见表2。

由表2可知，与浇筑前相比，聚氨酯固化道床的刚度均有增加，K171+579—K172+45聚氨酯固化道床刚度增加71%;K238+896—K239+787聚氨酯固化道床刚度增加31%，聚氨酯固化道床刚度在浇筑后接近有砟轨道道床刚度的最优设计值，说明固化道床在浇筑以后就能有较好的弹性。由于在大西高速铁路聚氨酯固化道床施工中增加了3t的保压小车，对轨道及时保压，有效控制了膨胀力[6]，道砟粘接紧密，固化道床表现出良好的状态。

与浇筑前相比，2段聚氨酯固化道床纵横向阻力均有所增加，K171+579—K172+45段横向阻力和纵向阻力分别增加了116%、100%;K238+896—K239+787段横向阻力和纵向阻力分别增加了113%、60%，聚氨酯固化材料固化了碎石道砟，且与轨枕形成良好粘结，提高了纵横向阻力。

3动力学性能

在大西高速铁路综合试验段开展聚氨酯固化道床动态试验时，采集了CR400AF-0207标准动车组通过时的测试数据，动车组为8辆编组，最大轴重17t，转向架中心距17.8m，固定轴距2.5m，车轮采用LMA廓形，车轮直径920mm。试验从2015年8月31日开始，2017年8月10日结束，动车组通过聚氨酯固化道床段最高速度为286.7km/h[7]。

测试包括轮轨垂向力、横向力、脱轨系数、轮重减载率、轮轴横向力、钢轨横向位移、动态轨距扩大量等内容。测试结果评判标准参照TB10461—2019《客货共线铁路工程动态验收技术规范》中对有砟轨道的评判标准(见表3)，测试结果最大值统计见表4。

由表4可知，各项测试指标均在评判标准限值范围内。聚氨酯固化道床区段和有砟轨道对比段各项动力学测试指标数值相当。

在试验期间，利用移动式线路动态加载试验车(简称加载车)对聚氨酯固化道床区段的轨道横向稳定性进行了测试。加载车由动力加载车和仪器试验车组成，动力加载车主要实现加载功能，并进行测试设备的前端布置，仪器车主要实现试验控制、测试数据采集分析处理功能。加载车进行轨道横向稳定性测试时速度为30km/h，横向加载力为单轮50kN。聚氨酯固化道床区段动态轨距扩大量测试结果见图5，聚氨酯固化道床区段与临近的无砟轨道区段轨道横向稳定性测试结果基本一致，同样具有较好的轨距保持能力。

4振动和噪声

综合试验时，测试了聚氨酯固化道床区段及相邻无砟轨道区段的振动和噪声。测试列车通过时聚氨酯道床路基面加速度0.7~0.9m/s2，无砟轨道路基面加速度1.1~1.9m/s2，与无砟轨道相比时域减振效果2.8~7.4dB;将时域测试结果按照1/3倍频程中心频率分频程统计，结果可知聚氨酯道床在中低频段具有较好减振效果;与无砟轨道对比段相比，聚氨酯固化道床在4~125Hz频段最大减振效果16.4dB，出现在中心频率50Hz(见图6)。聚氨酯固化道床降噪效果测试结果见表5，K238+896—K239+787路基地段试验速度在100~280km/h时，相比无砟轨道区段，聚氨酯区段噪声降低0.9~2.6dB(A)。

5结论

我国自主研发的双梯形聚氨酯固化道床新型轨道结构在大西高速铁路综合试验段首次应用，并进行了试验验证。结果表明：

(1)提出的施工工艺可保证浇筑后形成设计的固化道床断面，聚氨酯固化材料和道砟粘结良好，固化后2个区段道床横向阻力分别增加116%、113%，纵向阻力分别增加100%、60%，道床纵横向阻力明显增加，有利于无缝线路稳定性;

(2)在综合试验中，动车组通过时的最高速度为286.7km/h，各项测试指标均在评判标准限值范围内，聚氨酯固化道床区段和有砟轨道对比段各项动力学测试指标数值相当;

(3)在加载车轨道横向稳定性测试中，聚氨酯固化道床区段与临近的无砟轨道区段轨道横向稳定性测试结果基本一致，保持了较好的轨距保持能力;

(4)与无砟轨道相比，聚氨酯道床路基面时域减振效果2.8~7.4dB，在4~125Hz频段最大减振效果16.4dB，噪声降低0.9~2.6dB(A)。

大西高速铁路综合试验的成功，验证了聚氨酯固化道床的良好性能，对于提升我国高速铁路有砟轨道技术，丰富高速铁路轨道结构型式具有重要意义。

参考文献

[1]郝瀛.铁道工程[M].北京：中国铁道出版社，2002.

[2]韩自力，郄录朝，王红，等.聚氨酯固化道床技术研究与应用[J].中国铁路，2017(5)：1-6.

[3]王红.铁路有砟道床聚氨酯固化技术的发展及应用[J].铁道建筑，2015(4)：135-140.

[4]赵健.沪昆高铁北盘江特大桥聚氨酯固化道床施工质量控制技术[J].铁道建筑，2017(2)：120-123，128.

[5]何国华，高春雷，王鹏，等.道床烘干冷却试验装置研究[J].铁道建筑，2016(1)：80-83.

[6]郄录朝，王红，徐旸，等.大西高铁聚氨酯固化道床施工中轨道变形控制措施研究[J].中国铁道科学，2018，39(4)：1-7.

[7]中国铁道科学研究院.大西铁路客运专线原平西至太原段高速综合试验研究报告[R].北京：中国铁道科学研究院，2017.