《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）——第一部分公鐵水《高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿機(jī)理與整治技術(shù)》

1 項(xiàng)目名稱: 高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿機(jī)理與整治技術(shù)

2 完成單位: 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、 京滬高速鐵路股份有限公司、 西南交通大學(xué)、 中南大學(xué)、 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司、中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司

3 主要完成人: 蔡德鉤、 易忠來(lái)、 靳昊、 葉陽(yáng)升、 黃俊杰、 陳曉斌、 楊懷志、 黃法禮、 孫長(zhǎng)學(xué)、 孫武鵬、 寇東華、 蘇謙、 劉秀波、 劉學(xué)文、王強(qiáng)

　　1項(xiàng)目背景

　　路基健康服役是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施高安全性、高耐久性的基礎(chǔ),同時(shí),高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)要求高,線路變形標(biāo)準(zhǔn)按毫米級(jí)控制。近年來(lái),局部地區(qū)降水量和降水強(qiáng)度明顯增加,雖然無(wú)砟軌道防排水設(shè)施齊全,但是由于長(zhǎng)期高頻列車振動(dòng)、材料劣化等原因,導(dǎo)致無(wú)砟軌道嵌縫等防水措施部分失效,大量雨水進(jìn)入至基床表層,在長(zhǎng)期高速列車動(dòng)荷載作用下,個(gè)別區(qū)段出現(xiàn)無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害。無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害會(huì)造成無(wú)砟軌道下部脫空,甚至?xí)霈F(xiàn)“三角坑冶等重度病害,如不及時(shí)整治,會(huì)嚴(yán)重影響高鐵運(yùn)營(yíng)舒適性和安全性。我國(guó)有砟軌道冒漿冒泥整治技術(shù)較為成熟,但是無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)與有砟軌道存在明顯差異,整治技術(shù)不適用。而且,無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害是近年出現(xiàn)的一種典型病害形式,鮮有針對(duì)性研究,尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,整治技術(shù)仍處于空白。

　　2技術(shù)概況

　　本項(xiàng)目從無(wú)砟軌道-基床表層冒漿作用機(jī)理、病害等級(jí)評(píng)定、病害整治技術(shù)等方面對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿進(jìn)行了系統(tǒng)研究,揭示了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿產(chǎn)生的宏細(xì)觀機(jī)理,闡明了冒漿發(fā)生發(fā)展規(guī)律,構(gòu)建了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害等級(jí)評(píng)定技術(shù)體系,建立了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治成套技術(shù),形成了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿機(jī)理與整治技術(shù)創(chuàng)新成果。研究成果已成功應(yīng)用于新建路基防水嵌縫、冒漿預(yù)防性整治和冒漿病害整治。

　　3適用范圍

　　課題研究成果適用于新建高鐵路防水嵌縫、運(yùn)營(yíng)高鐵線路冒漿預(yù)防性整治及冒漿病害整治,同時(shí)也適用于無(wú)砟道床層間冒漿預(yù)防性整治及冒漿病害整治。

　　4獲獎(jiǎng)情況

　　成果榮獲2020年“中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)冶。

　　(1)建立了基床級(jí)配碎石動(dòng)態(tài)孔壓、固液耦合細(xì)觀力學(xué)計(jì)算模型,揭示了高速列車激勵(lì)下飽和基床層瞬態(tài)高孔壓形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律,闡明了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿產(chǎn)生的宏細(xì)觀機(jī)理與發(fā)展規(guī)律,提出了新建高鐵路基基床表層滲透型級(jí)配碎石技術(shù)要求。

　　(2)提出了基于高速鐵路檢測(cè)車時(shí)頻分析和圖像識(shí)別的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿快速識(shí)別方法,創(chuàng)新了基于檢測(cè)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)及原位動(dòng)力學(xué)測(cè)試的基床表層冒漿等級(jí)評(píng)定技術(shù),構(gòu)建了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害等級(jí)評(píng)定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

　　(3)研制了無(wú)砟軌道嵌縫材料、基床表層離縫填充材料及其配套設(shè)備與工藝,提出了整治效果無(wú)損快速評(píng)價(jià)方法,構(gòu)建了高速鐵路無(wú)砟軌道基床表層冒漿整治成套技術(shù)。

　　(一)闡明了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿機(jī)理及發(fā)展規(guī)律

　　1揭示了不同含水狀態(tài)下基床級(jí)配碎石靜動(dòng)力特性和滲流穩(wěn)定性的演變規(guī)律掌握了含水率對(duì)級(jí)配碎石靜動(dòng)特性及累積變形的影響機(jī)制,構(gòu)建了最優(yōu)含水率與飽和含水率狀態(tài)下級(jí)配碎石的動(dòng)靜應(yīng)力比,建立了綜合考慮含水率、荷載作用次數(shù)、動(dòng)應(yīng)力水平相互耦合作用的基床表層級(jí)配碎石累積變形預(yù)測(cè)模型,明確了級(jí)配碎石滲透系數(shù)、臨界水力梯度及細(xì)顆粒損失間的相關(guān)性,推導(dǎo)了基于對(duì)數(shù)概率回歸的顆粒級(jí)配演化計(jì)算公式:

　　2揭示了高速列車激勵(lì)下飽和基床表層瞬態(tài)高孔壓形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律建立了考慮基床表層水力耦合作用的車輛-無(wú)砟軌道-路基系統(tǒng)計(jì)算模型,結(jié)合1頤1無(wú)砟軌道基床表層冒漿模型試驗(yàn),揭示了高速列車激勵(lì)下

　　飽和基床表層瞬態(tài)高孔壓形成機(jī)制與發(fā)展規(guī)律。首次發(fā)現(xiàn)了軌道板伸縮縫及板端部位基床面01m深度內(nèi)的負(fù)孔壓泵吸效應(yīng)破壞模式,確定了不同壓實(shí)度基床表層的臨界水力梯度值。

　　3揭示了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿產(chǎn)生的宏細(xì)觀機(jī)理與發(fā)展規(guī)律

　　(1)無(wú)砟軌道-基床冒漿的細(xì)觀機(jī)理:無(wú)砟軌道基床層細(xì)顆粒遷移損失部位主要在伸縮縫、側(cè)縫下基床表層深度01m范圍,水平方向遷移速度快于豎直方向,5萬(wàn)列車軸次荷載后開(kāi)始激發(fā)細(xì)顆粒遷移,15萬(wàn)列車軸次荷載后細(xì)顆粒全部損失。

　　(2)易發(fā)生冒漿填料的判定指標(biāo):黏粒或粉粒含量大于20%,滲透系數(shù)小于10伊10-6m/s;高速鐵路路基基床表層防水型和滲透型級(jí)配碎石技術(shù)要求:分別為小于10伊10-6m/s和大于50伊10-5m/s。

　　(3)明晰了冒漿宏觀發(fā)展的三個(gè)階段:前期緩慢冒漿階段、中期激烈冒漿階段和后期脫空階段。

　　(二)構(gòu)建了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害等級(jí)評(píng)定技術(shù)體系

　　1闡明了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿發(fā)展對(duì)車軌-路服役狀態(tài)的影響規(guī)律隨冒漿發(fā)展,車體垂向振動(dòng)加速度呈現(xiàn)非線性“三段式冶增長(zhǎng);軌道板端基床動(dòng)應(yīng)力集中,冒漿病害段路基面縱向動(dòng)力分布規(guī)律畸變?yōu)?ldquo;馬鞍形冶;冒漿區(qū)域軌道板端下基床頂面振動(dòng)增加,中心部位基床振動(dòng)減小;軌道板與底座板上的動(dòng)位移對(duì)冒漿脫空長(zhǎng)度敏感,基床冒漿脫空放大的鋼軌動(dòng)位移削弱了車軌安全儲(chǔ)備。

　　2提出了基于高速鐵路檢測(cè)車的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害快速識(shí)別方法基于高速鐵路檢測(cè)車軌道幾何和圖像檢測(cè)數(shù)據(jù),提出了高低不平順時(shí)頻分析與線路表觀圖像識(shí)別相結(jié)合的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害快速識(shí)別方法。該方法能快速、準(zhǔn)確地定位冒漿病害位置,替代了傳統(tǒng)人工巡檢方式,解決了病害發(fā)現(xiàn)不及時(shí)、不全面、人員消耗量大的問(wèn)題,大幅緩解了運(yùn)維管理部門病害管理壓力。

　　3創(chuàng)新了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)提出了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),其中高速鐵路檢測(cè)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)以軌道高低動(dòng)態(tài)偏差為評(píng)價(jià)指標(biāo),原位動(dòng)力學(xué)測(cè)試以無(wú)砟軌道底座板與路基面動(dòng)位移之比為評(píng)價(jià)指標(biāo),人工觀測(cè)以原位裂縫特征和漿液分布形態(tài)為評(píng)價(jià)指標(biāo),并分別確立了病害三等級(jí)判定限值。

　　(三)建立了高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治成套技術(shù)

　　1提出了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治成套方案

　　以阻止水進(jìn)入基床表層為整治核心,提出了“嵌縫防水修復(fù)、封閉層排水強(qiáng)化、離縫注漿填充冶相結(jié)合的多梯度無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治方案。確立了I級(jí)輕微冒漿、域級(jí)嚴(yán)重冒漿和芋級(jí)重度冒漿的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治要求與整治方法。

　　2研制出無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治關(guān)鍵材料及配套工藝與設(shè)備

　　(1)整治關(guān)鍵材料。針對(duì)高速鐵路無(wú)砟軌道長(zhǎng)連續(xù)澆筑結(jié)構(gòu)特征以及氣候環(huán)境分布,提出鐵路無(wú)砟軌道嵌縫材料技術(shù)要求,并研制出具有極高彈性與超低拉伸模量、耐老化性能及耐長(zhǎng)期周期疲勞荷載性能優(yōu)的超柔性硅酮嵌縫材料;研制出黏度臆100mPa·s,水中可快速固化且不膨脹、2h力學(xué)強(qiáng)度高、抗沖擊性能良好的環(huán)保型的低粘高強(qiáng)聚氨酯灌漿材料;研制出1d豎向膨脹率逸0.2%、抗折強(qiáng)度逸10MPa、2h即具承壓功能的高韌性微膨脹聚合物改性水泥灌漿材料。

　　(2)冒漿整治關(guān)鍵工藝及配套設(shè)備。根據(jù)天窗期快速修補(bǔ)要求及工況特性,提出嵌縫防水快速修復(fù)工藝及無(wú)砟軌道-基床表層離縫快速注漿填充工藝及關(guān)鍵工藝參數(shù)。開(kāi)發(fā)出嵌縫專用注漿槍頭和力可自動(dòng)校準(zhǔn)及保護(hù)、注漿流量可自動(dòng)調(diào)節(jié)的離縫快速注漿用自動(dòng)恒壓注漿設(shè)備。

　　3提出了無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治效果無(wú)損快速評(píng)價(jià)方法

　　提出了基于高速鐵路檢測(cè)車的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治效果的動(dòng)態(tài)快速評(píng)價(jià)方法,通過(guò)檢測(cè)整治前后軌道高低動(dòng)態(tài)偏差評(píng)價(jià)路基冒漿整治效果,適用于整治效果快速普查;提出了基于沖擊回波法和超聲波法的無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治效果的靜態(tài)無(wú)損評(píng)價(jià)方法,通過(guò)檢測(cè)整治前后無(wú)砟軌道-基床表層離縫狀態(tài)評(píng)價(jià)冒漿整治效果,可輔助高速鐵路檢測(cè)車對(duì)重點(diǎn)區(qū)域或特殊部位的冒漿整治效果進(jìn)行重點(diǎn)核查。

　　高速鐵路無(wú)砟軌道路基基床表層采用滲透型級(jí)配碎石及其技術(shù)要求的成果已經(jīng)納入《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001-2016),已在全國(guó)的高鐵路基建設(shè)中推廣應(yīng)用(見(jiàn)圖1)。同時(shí),2014年始采用項(xiàng)目研究成果,已對(duì)我國(guó)華南、東南地區(qū)范圍內(nèi)的多條高鐵線路的無(wú)砟軌道嵌縫防水及冒漿病害整治進(jìn)行成功應(yīng)用。

　　(一)社會(huì)效益

　　形成的集病害等級(jí)評(píng)定,整治方案、材料、工藝、機(jī)具,整治效果評(píng)價(jià)方法為一體的高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿病害整治成套技術(shù),可根除冒漿病害及其次生病害,填補(bǔ)了冒漿整治技術(shù)空白,為高速鐵路長(zhǎng)期健康安全服役提供保障。同時(shí),完善了高鐵路基填料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),從源頭上避免了產(chǎn)生冒漿的條件,延長(zhǎng)了路基結(jié)構(gòu)服役壽命。

　　(二)經(jīng)濟(jì)效益

　　1直接經(jīng)濟(jì)效益:成果已成功應(yīng)用于建設(shè)期嵌縫工程、運(yùn)營(yíng)期冒漿預(yù)防性整治和病害整治,取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

　　2間接經(jīng)濟(jì)效益:高速鐵路無(wú)砟軌道-基床表層冒漿整治效果有效性好、長(zhǎng)效性優(yōu),冒漿病害一次整治到位,為設(shè)備管理部門節(jié)約了大量運(yùn)維費(fèi)用。