無砟軌道套管快速維修技術(shù)研究

吳紹利，王 鑫，吳智強(qiáng)，毛昆朋，陸方斌

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，扣件系統(tǒng)被大量應(yīng)用于各種無砟軌道。作為扣件系統(tǒng)重要組成部分的預(yù)埋套管的主要作用:①定位扣件系統(tǒng);②使道釘旋入并緊固，從而讓彈條緊扣鋼軌[1-2]。因此，如果預(yù)埋套管損壞，彈條就將無法緊扣鋼軌，扣件系統(tǒng)也就失去了它的意義。從目前調(diào)研情況來看，部分線路的預(yù)埋套管有零星損壞，主要是套管與道釘花絲。雖然由于數(shù)量少且不連續(xù)對(duì)行車尚未造成隱患，但預(yù)埋套管的維修與更換已經(jīng)成為迫不及待需要解決的問題。

更換預(yù)埋套管，國內(nèi)外都沒有行之有效的方法。根據(jù)我國高速鐵路的維修天窗點(diǎn)普遍在零點(diǎn)至凌晨4點(diǎn)的實(shí)際情況，并結(jié)合在其他領(lǐng)域已成功應(yīng)用的預(yù)埋套管更換技術(shù)，本文作者提出了如下的工藝流程。

工藝中最難的是選擇合適的水鉆和錨固膠。水鉆鉆頭不能超過預(yù)埋尼龍?zhí)坠芴螅乐勾虻杰壍腊鍍?nèi)的鋼筋，影響軌道板的力學(xué)結(jié)構(gòu)，而錨固膠必須在4 h內(nèi)達(dá)到抗拔力＞100 kN的技術(shù)要求。

圖1 更換套管工藝流程

1 水鉆選擇

我國高速鐵路無砟軌道扣件系統(tǒng)普遍選用WJ-7型扣件系統(tǒng)或WJ-8型扣件系統(tǒng)，兩種扣件系統(tǒng)的尼龍?zhí)坠芡鈴酱笮》謩e為47 mm和38 mm。由于抗撥力達(dá)到100 kN時(shí)，錨固膠產(chǎn)生的剪切強(qiáng)度遠(yuǎn)大于混凝土的抗拉強(qiáng)度(見表1和表2)，為使錨固膠的剪切力均勻施加到混凝土上，不致于傷損混凝土，故采用水鉆打圓孔。同時(shí)，考慮打孔越小，粘結(jié)面積越小，對(duì)錨固膠的要求越高的因素(見表1)。根據(jù)我國水鉆標(biāo)準(zhǔn)鉆頭，最為合適的是53 mm鉆頭和44 mm鉆頭，其對(duì)軌道板基本無損害。

表1 100 kN時(shí)圓孔外徑與錨固膠剪切強(qiáng)度的關(guān)系

表2 混凝土強(qiáng)度等級(jí)與軸向抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的關(guān)系

2 錨固膠選擇

1)傳統(tǒng)水泥

水泥混凝土澆注維修預(yù)埋套管是在公路交通和建筑施工中較為成熟的材料之一，具有施工成本低，操作簡單，易于掌握等特點(diǎn)[3]。然而公路交通和建筑施工中的預(yù)埋套管一般受力較小，新舊混凝土間的結(jié)合力不需要很大，同時(shí)水泥混凝土養(yǎng)護(hù)需要7～28 d，且澆注后需要機(jī)器搗固，以使水泥混凝土密實(shí);對(duì)于天窗點(diǎn)只有4 h的高鐵維修來說，很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使新修好的套管的抗拔力達(dá)到＞100 kN的要求。

2)硫磺錨固

硫磺錨固是鐵路既有線常用的錨固技術(shù)之一，材料為硫磺、普通硅酸鹽水泥、砂子和工業(yè)石蠟。其施工工藝一般為先倒入砂子加熱到100℃ ～120℃時(shí)，將水泥倒入加熱到130℃，最后加入硫磺和石蠟，繼續(xù)攪拌加熱到160℃，熔漿由稀變稠成液膠狀時(shí)，即可使用，使用時(shí)熔漿溫度不得低于140℃。硫磺錨固的主要優(yōu)點(diǎn)是凝固硬化快，一旦硬化便充分發(fā)揮強(qiáng)度。已暴露的缺點(diǎn)是硫磺錨固在施工過程中產(chǎn)生大量腐蝕性極強(qiáng)的酸性氣體，對(duì)施工人員的身體造成傷害。其次，硫磺的液態(tài)與固態(tài)之間溫度范圍較窄，造成熱灌漿時(shí)間短，在嚴(yán)冬很難施工。對(duì)于高鐵扣件系統(tǒng)中的預(yù)埋套管維修來說，硫磺錨固還有兩個(gè)很難克服的缺點(diǎn):①140℃～160℃的澆注溫度很有可能使尼龍?zhí)坠茏冃?，從而再次出現(xiàn)花絲等損壞現(xiàn)象;②硫磺錨固一般抗拔力只有60～80 kN，很難達(dá)到100 kN的技術(shù)要求。

3)環(huán)氧樹脂

環(huán)氧樹脂是一種重要的熱固性樹脂品種，以其具有優(yōu)良的電絕緣性能、耐化學(xué)腐蝕性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和粘結(jié)性，被廣泛應(yīng)用于航空、公路交通和建筑等領(lǐng)域[4]。環(huán)氧樹脂的主要優(yōu)點(diǎn):①力學(xué)性能高，內(nèi)聚力強(qiáng)，分子結(jié)構(gòu)致密;②粘結(jié)性能優(yōu)異;③固化收縮率小，一般為1% ～2%。但是，環(huán)氧樹脂也有其極大的不足:①固化后材料偏脆，抗剝離、抗開裂、抗沖擊性能差，很難滿足扣件系統(tǒng)需經(jīng)歷長久疲勞使用的要求;②對(duì)極性小的材料(如聚乙烯、聚丙烯、氟塑料等)粘結(jié)力小，即便先進(jìn)行表面活性處理，對(duì)部分市售的環(huán)氧樹脂抗拔力測試也很難達(dá)到100 kN技術(shù)要求。

4)乙烯基聚酯樹脂

乙烯基聚酯樹脂，簡稱乙烯基樹脂，是含有不飽和雙鍵的特殊結(jié)構(gòu)的不飽和聚酯樹脂，也是目前國外開發(fā)研究較快的新一代膠黏劑。其具有如下優(yōu)點(diǎn):①良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，與標(biāo)準(zhǔn)型環(huán)氧樹脂相當(dāng);②粘結(jié)強(qiáng)度高，與傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂相比，其延伸率更高，粘結(jié)強(qiáng)度大大提高;③優(yōu)異的動(dòng)態(tài)載荷性能，具有更好的耐疲勞性能和耐沖擊性能;④固化時(shí)間穩(wěn)定，受環(huán)境溫度影響小。最大的缺點(diǎn)是固化收縮略大，但可通過合適的填料彌補(bǔ)。

最終采用的TG系列無砟軌道維修材料，是一種預(yù)埋尼龍?zhí)坠芨鼡Q材料，為乙烯基樹脂，分為樹脂、固化劑和填料三組份?？刹僮鲿r(shí)間為20 min，在內(nèi)徑為53 mm情況下，50 min即可達(dá)到100 kN的技術(shù)要求(表3)，在10～100 kN間300萬次疲勞荷載后，抗拔力仍 ＞100 kN(表4)。

表3 澆注時(shí)間與抗拔力關(guān)系

表4 疲勞荷載次數(shù)與抗拔力關(guān)系

3 維修工藝

圖2是TG材料在無砟軌道上的應(yīng)用實(shí)例，并現(xiàn)場測試其抗拔力，總計(jì)用時(shí)3 h，其中前三步用時(shí)1 h。具體維修過程如下:

1)松開受損預(yù)埋套管前后兩處扣件的道釘，并拆除受損預(yù)埋套管的扣件系統(tǒng)，露出尼龍?zhí)坠?

2)用套管定位裝置定位尼龍?zhí)坠?，并?biāo)記在軌道板上;

3)根據(jù)扣件類型選擇鉆頭，取出受損尼龍?zhí)坠?

4)吸出孔內(nèi)殘水，并烘干;

5)根據(jù)材料說明，配制TG樹脂，并倒入孔內(nèi);

6)旋入尼龍?zhí)坠埽⒏鶕?jù)軌道板標(biāo)記重新定位;

7)25 min后，拆除定位裝置;

圖2 TG材料現(xiàn)場維修工藝流程

8)1 h后，測試抗拔力，并組裝扣件系統(tǒng)，恢復(fù)軌道結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

對(duì)于無砟軌道扣件系統(tǒng)中預(yù)埋尼龍?zhí)坠艿木S修，國內(nèi)外都沒有良好的方案。本文針對(duì)無砟軌道預(yù)埋套管的維修工藝進(jìn)行了探討，提出了較為可行的維修方案，對(duì)方案中的鉆頭和錨固膠選取兩個(gè)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，并結(jié)合材料進(jìn)行了實(shí)例試驗(yàn)，效果良好。

[1]何華斌.無砟軌道技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社，2009.

[2]張科強(qiáng)，趙旭清.武廣鐵路客運(yùn)專線雙塊式軌枕預(yù)制質(zhì)量控制[J].鐵道建筑，2010(1):23-25.

[3]李世華.道路橋梁維修技術(shù)手冊(cè)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

[4]陳平.環(huán)氧樹脂[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.