板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害快速整治設(shè)備的方案設(shè)計(jì)

徐玉勝，張二海，付余

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518000;2．杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州310012)

板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害快速整治設(shè)備的方案設(shè)計(jì)

徐玉勝1，張二海1，付余2

(1．中國(guó)鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東深圳518000;2．杭州浙達(dá)精益機(jī)電技術(shù)股份有限公司，浙江杭州310012)

針對(duì)板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害頻發(fā)且傳統(tǒng)人工作業(yè)方式難以滿足病害整治實(shí)際需要的現(xiàn)狀，本文在總結(jié)病害成因和現(xiàn)行整治措施的基礎(chǔ)上，對(duì)適用于此類病害的快速整治設(shè)備和與之配套的整治技術(shù)進(jìn)行了研究，詳細(xì)闡述了快速整治設(shè)備的設(shè)計(jì)思路和相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。經(jīng)比選，認(rèn)為采用功能模塊化設(shè)計(jì)思路的方案優(yōu)于將所有裝置集成在一臺(tái)平板車上的方案。

板式無(wú)砟軌道;基床翻漿;病害整治;設(shè)備集成

隨著高速鐵路運(yùn)量的大幅攀升以及行車速度的提高，線路的負(fù)荷也不斷加大，從而導(dǎo)致各類路基病害頻發(fā)，其中基床翻漿冒泥是較為普遍和突出的一類，現(xiàn)已占到路基病害總里程的13%［1］，嚴(yán)重影響線路的運(yùn)營(yíng)品質(zhì)和行車安全。

為保證高鐵日間的正常運(yùn)營(yíng)，當(dāng)前的病害整治普遍采取“天窗修”?；卜瓭{病害整治目前基本依靠人工和非標(biāo)準(zhǔn)小型設(shè)備，存在現(xiàn)場(chǎng)安全管控難度大、作業(yè)質(zhì)量難以保證、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等諸多弊端。因此在有限的天窗時(shí)間和夜間特殊的施工環(huán)境下，需要在保證施工安全和質(zhì)量的前提下，設(shè)法提高施工效率，突出快速整治的理念。有砟軌道通過(guò)引入路基處理車等現(xiàn)代化大型機(jī)械設(shè)備，包括翻漿在內(nèi)的路基病害整治已形成以大型機(jī)械為主導(dǎo)，施工管理和技術(shù)手段較為成熟完善的一整套體系，從根本上改變了傳統(tǒng)人工作業(yè)的落后局面。板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害的整治同樣可沿襲這一思路，即針對(duì)相應(yīng)的大型機(jī)械設(shè)備和快速整治技術(shù)開(kāi)展研究，從而借助大型設(shè)備自動(dòng)化、高效化和集成化的優(yōu)勢(shì)，全面提升施工安全、作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，同時(shí)降低人工成本［2］。

1 板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害成因分析

我國(guó)現(xiàn)有的板式無(wú)砟軌道形式分為Ⅰ型板、Ⅱ型板和Ⅲ型板3種，其中Ⅰ型板和Ⅲ型板屬于單元板，底座板之間設(shè)有伸縮縫;而Ⅱ型板屬于縱連板，底座板之間縱向相連，形成整體結(jié)構(gòu)。

一般認(rèn)為，翻漿病害是基床材質(zhì)、水、列車動(dòng)載等多種因素共同作用的結(jié)果。由于上述軌道結(jié)構(gòu)的差異，對(duì)于Ⅱ型板而言，雨水僅從軌道板與兩側(cè)封閉層間的裂隙少量滲入基床，發(fā)生翻漿病害的概率相對(duì)較低［3］。對(duì)于Ⅰ型板和Ⅲ型板，外界水首先通過(guò)底座板間的伸縮縫滲入基床表層，在列車的頻繁沖擊作用下，級(jí)配碎石層中的自由水產(chǎn)生較高壓力，在引起承壓水從伸縮縫消散的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致級(jí)配碎石層中細(xì)顆粒物的流失。隨著泵吸作用的加劇，細(xì)顆粒物的流失也不斷增多，最終導(dǎo)致基床翻漿冒泥［4-5］。

2 基床翻漿病害現(xiàn)行的整治措施

針對(duì)板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害，目前較為通行且有效的整治方法是注膠法。本文以Ⅰ型板為例，詳述現(xiàn)行的整治措施。

2.1 整治原則

根治病害需抓住以下3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié):①首先封閉相鄰混凝土底座板之間的伸縮縫以及混凝土底座板與路肩混凝土封閉層之間的縫隙，使外界水無(wú)法進(jìn)入基床內(nèi)部;②灌注高聚物化學(xué)漿，填充底座板與基床表層之間的空隙，恢復(fù)路基支撐強(qiáng)度;③增設(shè)盲管排水系統(tǒng)，引排滲入基床的水，避免浸泡路基［6］。

2.2 施工工藝

2.2.1 封堵縫隙

1)底座板伸縮縫的處理

在混凝土底座板原伸縮縫位置兩側(cè)中部橫向水平鉆孔至凸臺(tái)。將鉆孔上部原伸縮縫位置一側(cè)的填充膠合板及碎屑清除干凈并灌注聚氨酯化學(xué)漿，然后再清除并灌注另外一側(cè)，直至整個(gè)伸縮縫灌注飽滿。伸縮縫封閉過(guò)程如圖1所示。

圖1 相鄰底座板間伸縮縫的封閉處理過(guò)程

2)底座板外側(cè)與路肩封閉層間縫隙的處理

在對(duì)底座板和基床表層間的吊空區(qū)進(jìn)行處理前，在底座板外側(cè)沿縱向鉆設(shè)封閉孔(見(jiàn)圖2)，并灌注聚氨酯化學(xué)漿封閉縫隙，這樣不僅防止今后外界水侵入基床，同時(shí)也可確保底座板板底注膠時(shí)空間的密封。

圖2 封閉孔和注膠孔的布設(shè)

2.2.2 填充底座板與基床級(jí)配碎石表層間的吊空區(qū)

填充底座板與基床級(jí)配碎石表層間的吊空區(qū)是注膠法的關(guān)鍵步驟，目的是實(shí)現(xiàn)板底填充，恢復(fù)基床表層原始的密實(shí)狀態(tài)。

1)注膠孔在底座板上沿縱向設(shè)置，間距50 cm。對(duì)于底座板伸縮縫兩側(cè)吊空較嚴(yán)重的區(qū)域，可適當(dāng)加密鉆孔，鉆孔完成后及時(shí)清理并安設(shè)注膠嘴。注膠孔的布設(shè)和安裝如圖2、圖3所示。

圖3 安裝注膠嘴

2)待注膠嘴封閉強(qiáng)度達(dá)到要求后，通過(guò)快插接頭將風(fēng)管一端與注膠嘴管路連接密實(shí)，用高壓風(fēng)清孔，并擠出吊空區(qū)域內(nèi)的水及灰漿體。

3)注膠時(shí)壓力應(yīng)保持恒定，保證一次性灌注飽滿。灌注按照先底座板兩側(cè)然后板中間孔的順序進(jìn)行。

2.2.3 增設(shè)引排水系統(tǒng)

1)在底座板外側(cè)路肩封閉層下開(kāi)槽設(shè)排水盲溝。

2)排水盲溝內(nèi)放置PVC透水管，并在管壁上交錯(cuò)打透水孔，用透水土工布包裹。槽內(nèi)底部用水泥砂漿抹面，槽內(nèi)填滿中粗砂，槽頂部采用素混凝土封閉。

3)PVC透水管穿過(guò)路肩電纜槽引至路基外。底座板伸縮縫排水盲溝如圖4所示。

圖4 底座板伸縮縫排水盲溝(單位:cm)

3 基床翻漿病害快速整治設(shè)備的方案設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

基床翻漿病害快速整治設(shè)備的設(shè)計(jì)思路是借助已獲得上道資質(zhì)的軌道車或牽引設(shè)備作為動(dòng)力源，在其拖掛的平板車上集成病害整治所需的機(jī)具和裝置形成小編組，達(dá)到整治設(shè)備上道作業(yè)的目的。此種模式的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在加快上道審批進(jìn)度上，而且可以充分利用軌道車平臺(tái)提供的動(dòng)力單元及輔助系統(tǒng)，較好地解決施工現(xiàn)場(chǎng)用電、物料運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，達(dá)到事半功倍的效果。

目前影響作業(yè)效率的瓶頸主要體現(xiàn)在鉆孔環(huán)節(jié)上。以Ⅰ型板為例，單塊板的注膠孔和封閉孔共有近70個(gè)之多，人工鉆孔不僅效率低，而且各個(gè)鉆孔的質(zhì)量難以保持一致，鉆孔過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的卡鉆現(xiàn)象，也會(huì)大大降低作業(yè)效率。此外，目前施工監(jiān)測(cè)同樣依靠人工完成，為了確保注膠不會(huì)對(duì)軌道幾何狀態(tài)產(chǎn)生影響，注膠作業(yè)前、中、后都要采用電子水準(zhǔn)儀對(duì)線路的軌距、水平、方向、高低等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅環(huán)節(jié)多，而且由不同的作業(yè)組承擔(dān)注膠和監(jiān)測(cè)作業(yè)，不利于信息的及時(shí)傳遞和反饋。鑒于上述問(wèn)題，本文嘗試從鉆孔和監(jiān)測(cè)2個(gè)環(huán)節(jié)入手，充分利用大型設(shè)備的機(jī)械化、集成化優(yōu)勢(shì)提升作業(yè)效率，從而達(dá)到快速整治的目的。

3.2 方案比選

3.2.1 方案1

該方案的工作原理是將鉆孔裝置、注膠裝置和自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)集成在一臺(tái)平板車上，平板車到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后停在作業(yè)位置，此時(shí)鉆孔裝置開(kāi)始打孔，之后自動(dòng)下管套實(shí)施注膠，整個(gè)作業(yè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有效解決了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞、反饋不及時(shí)的問(wèn)題。

1)優(yōu)點(diǎn):能夠整治較長(zhǎng)的病害區(qū)段，基本與平板車長(zhǎng)度相近，可大幅提升作業(yè)效率。

2)缺點(diǎn):①在平板車上直接集成病害整治所需的各類裝置會(huì)改變平板車的原有用途，必須重新向鐵總提出申請(qǐng)，得到審批后方可上道作業(yè)，程序繁瑣且周期長(zhǎng);②封閉孔間隔30 cm，兩側(cè)注膠孔間隔50 cm，按16 m的平板車計(jì)算，僅單側(cè)就需要布置55個(gè)封閉孔和32個(gè)注膠孔，若兩側(cè)同時(shí)開(kāi)展鉆孔注膠作業(yè)，從機(jī)械設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，設(shè)備在工作中易出現(xiàn)故障;③現(xiàn)行的施工工藝要求在中間位置間隔打孔，但考慮到平板車的核心結(jié)構(gòu)梁恰好也位于中間位置，造成中間的鉆孔難以布置;④工藝要求注膠孔直徑在8～20 mm，深度約30 cm，但平板車距軌面的高度約為1.4 m，鉆孔裝置布置在平板車上會(huì)增加鉆頭的工作長(zhǎng)度，導(dǎo)致鉆孔過(guò)程中鉆頭的擺動(dòng)幅度不易控制;⑤自動(dòng)下管功能不易實(shí)現(xiàn)，由于注膠孔最小孔徑僅有8 mm，難以通過(guò)中空鉆頭實(shí)現(xiàn)鉆注一體作業(yè)。

基于上述原因，在與相關(guān)專家進(jìn)行多次研討和反復(fù)論證后，提出了以下功能模塊化的設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 方案2

該方案采用了功能模塊的設(shè)計(jì)理念，即按照翻漿病害整治的作業(yè)流程將整治設(shè)備劃分為3個(gè)主要功能模塊:鉆孔車、注膠車和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。為了提高設(shè)備的集成化程度，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將安置在注膠車上。鉆孔車和注膠車的布置示意見(jiàn)圖5、圖6。

3.2.2.1 工作原理

1)鉆孔車借助安裝在鉆架上的排鉆可同時(shí)鉆設(shè)封閉孔、注膠孔以及中心孔，完成一組鉆孔后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)鉆孔車自動(dòng)行走至下一組孔位實(shí)施鉆孔作業(yè)，如此往復(fù)。

2)鉆孔車完成一組鉆孔任務(wù)后，注膠車下管對(duì)封閉孔注漿密封，一次可完成14個(gè)孔的注膠作業(yè)，之后進(jìn)入下一組孔位，再完成下一批封閉孔的注漿密封，如此往復(fù)。

3)完成所有封閉孔的注漿后，注膠車返回初始作業(yè)點(diǎn)開(kāi)始板底注膠。注膠順序?yàn)橄茸⒅行目?，再注兩?cè)孔。

在整個(gè)注膠過(guò)程中，集成在注膠車上的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將根據(jù)工務(wù)部門(mén)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)對(duì)線路的軌距、水平、方向、高低等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與注膠量和注膠壓力的聯(lián)動(dòng)。當(dāng)線路參數(shù)變化接近設(shè)定值時(shí)，注膠裝置將通過(guò)降低注膠壓力減小注膠量或停止注膠，從而避免人工操作存在的精準(zhǔn)性差的問(wèn)題。

圖5 鉆孔車布置示意

圖6 注膠車布置示意

3.2.2.2 方案特點(diǎn)

1)鉆孔車和注膠車依靠由軌道車牽引的平板車到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)后通過(guò)平板車上的起落板導(dǎo)軌裝置下放至軌道上開(kāi)始作業(yè)，作業(yè)完成后以同樣方式返回平板車，駛離現(xiàn)場(chǎng)。該方案未改變平板車原有性質(zhì)，無(wú)需經(jīng)過(guò)上道車輛的審批程序，且基本不損耗天窗時(shí)間，方便快捷。

2)作業(yè)過(guò)程中，按工藝要求需首先對(duì)兩側(cè)封閉孔注膠，之后再返回起始作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行板底注膠。由于鉆孔車和注膠車完成各自任務(wù)所需的時(shí)間不同，實(shí)行單獨(dú)控制有利于形成流水作業(yè)，提高作業(yè)效率。

3)將鉆孔車和注膠車設(shè)置為不同的功能模塊，可有效避免鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)或擺動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響甚至損害。

綜上所述，方案2從上道審批流程及設(shè)備自身的可靠性和控制性方面均優(yōu)于方案1。

4 結(jié)論與建議

1)依靠傳統(tǒng)人工作業(yè)方式對(duì)無(wú)砟軌道進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修已難以適應(yīng)當(dāng)前高速鐵路快速發(fā)展的需要，采用現(xiàn)代化大型機(jī)械施工取代人工作業(yè)已是高鐵病害整治的大勢(shì)所趨。唯有借助大型設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化和集成化優(yōu)勢(shì)，才能從根本上解決目前路基病害整治中存在的施工安全性低、施工質(zhì)量差、作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題。

2)針對(duì)板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害現(xiàn)行整治措施存在的問(wèn)題，本文從制約作業(yè)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)入手，提出了處理此類病害的快速整治設(shè)備的設(shè)計(jì)思路，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)方案比選。通過(guò)分析2種方案各自的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為采用功能模塊化設(shè)計(jì)思路的方案2優(yōu)于將所有裝置集成在一臺(tái)平板車上的方案1。

3)本文僅對(duì)適用于板式無(wú)砟軌道基床翻漿病害的快速整治設(shè)備進(jìn)行了初步研究，雙塊式、岔區(qū)板式、軌枕埋入式等軌道結(jié)構(gòu)同樣涉及此類病害。軌道板結(jié)構(gòu)的差異將直接導(dǎo)致施工工藝的不同，進(jìn)而影響到整治設(shè)備的方案設(shè)計(jì)。因此，為了能夠整治各種軌道結(jié)構(gòu)的翻漿病害，還需要從其他幾類軌道結(jié)構(gòu)的病害成因和整治方法入手，并在此基礎(chǔ)上對(duì)相應(yīng)的快速整治設(shè)備開(kāi)展深入研究。

4)本文給出了板

式無(wú)砟軌道基床翻漿病害快速整治設(shè)備的初步設(shè)計(jì)方案，下一步將依托已取得的研究成果，通過(guò)與軌道車廠家密切合作，力爭(zhēng)在短期內(nèi)加工制造出病害整治樣車，并在完成試驗(yàn)段測(cè)試的基礎(chǔ)上盡快實(shí)現(xiàn)設(shè)備的上道作業(yè)。

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Scheme Design of Working Vehicle for Rapid Treatment of Mud Pumping Defect of Slab Ballastless Track Bed

XU Yusheng1，ZHANG Erhai1，F(xiàn)U Yu2
(1．Shenzhen Research＆Design Institute，China Academy of Railway Sciences，Shenzhen Guangdong 518000，China; 2．Hangzhou Zheda Jingyi Electromechanical Technology Co．，Ltd．，Hangzhou Zhejiang 310012，China)

Based on the summarized defect causes and treatment measures，a modern working vehicle and matching treatment measures were developed for mud pumping defect rapid treatment of slab ballastless track bed，which aimed at resolving the contradiction between low working efficiency of traditional manual operation and high frequency of mud pumping defect of slab ballastless track bed．T his paper explained and compared the design methods of rapid treatment working vehicle，and the functional modular design scheme was considered to be better than integrated design scheme．

Slab ballastless track;Bed mud pumping;Defect treatment;Integrated vehicle

U216．41+8

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．12．28

1003-1995(2016)12-0105-04

(責(zé)任審編周彥彥)

2016-06-28;

2016-09-22

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金(1451SZ6604)

徐玉勝(1967—)，男，副研究員，博士。