注漿注膠技術(shù)在治理鐵路軌道板下沉病害中的應(yīng)用

孫 濤，唐世杰

（1.北京鐵路局集團(tuán)有限公司張家口工務(wù)段，河北 張家口 075000；2.內(nèi)蒙古石彤巖土工程有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014300）

唐包鐵道白草鞍隧道無砟軌道上行線局部線段軌道板滲水、翻漿，兩線間積水嚴(yán)重，在重載運煤列車頻繁運行對無砟軌道長時間的動荷載作用下，導(dǎo)致軌道板局部不均勻下沉。張家口公務(wù)段采取臨時補救措施：即在鐵軌與軌枕間加厚橡膠墊襯以維護(hù)和維持該線路的運行。為保證列車運行安全，需要對白草鞍隧道無砟軌道下沉病害進(jìn)行整治施工。

1 病害概況

1.1 隧道局部積水及其危害

唐包線白草鞍隧道山體內(nèi)地下水豐富，加之隧道兩側(cè)邊排水槽因落煤及塵土淤積排水不暢，使道床長時間浸泡在水中，在運煤重載列車運行震擊力長期作用下，仰拱底圍巖疲勞破壞加劇，碎?；蚍哿顜r石細(xì)粒被地下水沖、溶蝕帶走，最終導(dǎo)致仰拱底板圍巖形成空洞引發(fā)軌道板下沉。

1.2 隧道內(nèi)無砟軌道下沉情況

白草鞍隧道軌道板下沉病害狀況見表1。

表1 白草鞍隧道無砟軌道局部下沉情況Table 1 Sinking situation of local sections of the ballasteless tracks in Baicaoan Tunnel

1.3 軌道下沉臨時補救措施

表1 所列路段采取維持鐵路運行的應(yīng)急措施是：在鐵軌與軌道板間加塞橡膠板以彌補軌道板下沉量，但這種方法所彌補的下沉量是有限的，當(dāng)加塞橡膠墊厚度＞50 mm 時，因軌道固軌螺栓有限長度無法固定線軌，對行車安全造成極大威脅。

2 軌道板下沉整治方案的確定及實施條件

2.1 整治方案的確定

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查后，采用國內(nèi)較為成熟的注漿加固路基（地基）工藝技術(shù)，能完全滿足該線路病害治理恢復(fù)路基承載能力的質(zhì)量要求［1-4］。

參考和借鑒國際上注膠擠密地基土及注膠抬升路基（地基）病害治理實例，在多次鐵路路基擠密加固和路面抬升成功施工的基礎(chǔ)上，確定采用注膠方案抬升軌道板。

2.2 整治病害的用時條件

鐵路線路維修通常是利用行車運營間隔時間經(jīng)調(diào)整后集中某一段時區(qū)（天窗點）進(jìn)行。唐包線為貨運線，施工占用“天窗點”定在上午 8：00—11：30。日施工時長僅210 min。

2.3 整治病害的施工場地條件

隧道內(nèi)行車線路數(shù)量確定了隧道截面設(shè)計尺寸，除蔽車洞有一定空間存放物資及小型施工設(shè)備機(jī)具外，大型機(jī)具設(shè)備須“天窗點”內(nèi)即進(jìn)施工，到點即出隧道，不影響線路正常運營行車。因此場地條件只允許小型注漿機(jī)具和材料進(jìn)洞施工及存放，注膠機(jī)具為車裝移動式設(shè)備，須動用線路機(jī)車及平板掛車在“天窗點”內(nèi)即進(jìn)即出隧道進(jìn)行注膠施工。

3 注漿注膠治理軌道板下沉的機(jī)理

3.1 注漿充填仰拱底圍巖孔洞、孔隙

本次白草鞍隧道軌道板下沉治理工程主要工藝之一是加固仰拱底部破碎圍巖。從軌道板下沉現(xiàn)象分析認(rèn)為：仰拱底部圍巖在重載列車行車沖擊震動荷載作用下和地下水流作用下已形成局部空洞、孔隙，要阻止軌道板繼續(xù)下沉，必須加固仰拱底破碎圍巖，恢復(fù)其應(yīng)有的強(qiáng)度。采取注入壓力水泥漿充分充填仰拱底圍巖的空洞、孔隙，并根據(jù)被注巖體孔隙度的大小合理調(diào)整漿液水灰比及速凝劑加入量，達(dá)到水泥漿飽和充填仰拱底破碎圍巖孔洞、孔隙并水泥漿速凝固化后達(dá)到加固仰拱底碎裂巖體的目的，恢復(fù)路基承載能力［5-9］。

3.2 注膠抬升下沉軌道板機(jī)理

白草鞍隧道軌道板下沉治理工程主要工藝之二是向軌道板底部充填層頂部接觸面間注入高強(qiáng)度發(fā)泡樹脂4.75#雙液膠體使其產(chǎn)生各向同性膨脹力頂舉軌道板恢復(fù)原位。A、B 雙液發(fā)泡劑注入至軌道板與充填層界面時，其產(chǎn)生各向膨脹力可達(dá)0.7 MPa，合理設(shè)計施鉆注膠孔并注入A、B 雙液高強(qiáng)度發(fā)泡樹脂4.75#就能在其界面處產(chǎn)生多點向上推舉力，其合力將向上抬升軌道板至設(shè)計抬升高度。

4 注漿工藝的實施

4.1 注漿工藝流程及注漿孔布置

注漿工藝流程見圖1，注漿孔布置見圖2、圖3。

圖1 注漿工藝流程Fig.1 Grouting process

圖2 注漿注膠孔平面布置Fig.2 Layout plan of the grouting and glue injection holes

圖3 注漿孔剖面布置Fig.3 Sectional layout of the grouting holes

4.2 注漿孔施工及注漿管安裝

采用?30 mm 金剛石薄壁取心鉆頭及輕型高速鉆機(jī)鉆進(jìn)注漿孔，其鉆深至仰拱底0.5 m 以深。之后在注漿孔內(nèi)安裝注漿管，注漿管直徑25 mm，管底1 m 段鉆 ?4 mm 出漿孔 10 個，鉆孔上半 0.3 m 孔段管環(huán)隙灌漿封堵［10-12］。

4.3 注漿工藝參數(shù)

4.3.1 漿液水灰比的控制

本次注漿主材料采用PO 42.5 普通硅酸鹽水泥，制漿用水是隧道排水槽內(nèi)山泉水，水灰比控制在0.85～1.20，主要取決仰拱下巖石孔隙幾何尺寸及孔隙率大小，其次地下水及活動程度也是決定漿液凝固速度的主要因素。

在孔隙度較大且地下活動水豐富區(qū)域注漿時，注漿量大且注漿壓力小，此時應(yīng)立即減小漿液水灰比至0.85～0.95，同時加入水泥量2% 的速凝劑HZC-1。如堵漏效果不佳，可采取間歇加入水泥量5%～10%的水玻璃（模數(shù)為1.5～3.0）。觀察堵漏效果以便隨時調(diào)整HZC-1 及水玻璃加量，以便達(dá)到理想的注漿效果。

在孔隙度較小且無地下活動水區(qū)域注漿時，應(yīng)采用較大水灰比（0.95～1.1）的水泥漿，并加入水泥量5%的減水劑（亞甲基二奈磺酸鈉）以改善漿液的可注性和提高注漿量。

4.3.2 注漿泵量、壓力的調(diào)整

在注漿壓力允許情況下（≤0.3 MPa），注漿泵量取較大值，以提高注漿效率，具體控制如下。

（1）通常情況下以100 L/min 泵量初注約20 min，如孔口壓力上升幅度較?。?.3 MPa 以下），則采取減小漿液水灰比至0.9 以下并續(xù)注觀察：如泵壓上升但在注漿允許范圍內(nèi)，可持續(xù)注漿；隨注漿時長及注漿量增加泵壓逐漸升高，要維持泵壓0.3 MPa 以下須降低注漿泵量，直至降低至10 L/min 以下即可終止注漿。

（2）注漿漏失嚴(yán)重，減小漿液水灰比至0.85 及加速凝劑HZC-1，如止漏效果不佳時，可適量加入水玻璃混合漿液試注，保持泵壓0.3 MPa 以下，如孔口壓力逐漸升高可逐步減少水玻璃加入量并持續(xù)注入混合漿液，直至注漿量＜10 L/min 即可終止注漿。

（3）當(dāng)仰拱底被注巖體孔隙率較小時，注漿泵量控制在30～50 L/min，孔口壓力控制在0.3 MPa 以下，應(yīng)適當(dāng)加大漿液水灰比至0.9～1.2，并加入減水劑（亞甲基二奈磺酸鈉NNO），采取多次間歇式注漿法（間歇時間5 min）續(xù)注，直至注漿量＜10 L/min（注漿壓力達(dá) 0.3 MPa）方可終止注漿［13-16］。

5 注膠工藝的實施

5.1 注膠流程及注膠孔布置

注膠流程見圖4，注膠孔布置參見圖2。

圖4 軌道板注膠抬升流程Fig.4 Glue injection process for lifting the track plate

5.2 注膠孔的施工

采用?25 mm 金剛石全面鉆頭鉆進(jìn)成孔，鉆至設(shè)計深度344 mm（穿透軌道板并加深至充填層100 mm）；之后安裝注膠封口栓塞，封口栓塞用錘擊法擠壓進(jìn)入注膠孔口。

5.3 注膠抬升軌道板

用注膠車裝載注膠使用的全部設(shè)備、器材、膠體材料，并由鐵路平板機(jī)車牽引至注膠施工線段，注膠雙液泵工作參數(shù)為：單液泵量35 L/min，注膠額定壓力3.0 MPa。接好壓膠槍與注膠栓塞后即可開始注膠抬升下沉軌道板。注膠抬升軌道板施工要點如下。

5.3.1 安裝注膠管及注膠栓塞

注膠孔內(nèi)導(dǎo)膠管低端應(yīng)插至軌道板注膠孔底部，使A、B 組分膠按1∶1 比例混合體直接進(jìn)入軌道板底與充填層接觸面處，注膠栓塞與導(dǎo)膠管連接后一次性植入注膠孔內(nèi)，注膠栓塞靠靜壓擠入注膠孔內(nèi)，由此擠壓結(jié)合而產(chǎn)生摩擦抗拔力平衡注入膠體膨脹向上的頂力。

5.3.2 注膠時長與頻次

注膠抬升軌道板注膠時長和頻次應(yīng)以短時多次掌握為好，通常5～10 s/次，并根據(jù)軌道板抬升值適當(dāng)增加注膠頻次，頻次間隔時長＜5 s。

5.3.3 修復(fù)注膠孔及復(fù)注膠

在設(shè)計抬升垂距較大或多次注膠續(xù)注失敗的情況下，須進(jìn)行注膠孔的修復(fù)，即取出注膠栓塞并重新鉆透注膠孔內(nèi)固化膠體，再次安裝導(dǎo)膠管及注膠栓塞進(jìn)行多次重復(fù)注膠。

5.3.4 抬升觀測及終止注膠

注膠前要在相鄰穩(wěn)定線點選定水準(zhǔn)儀觀測點并安裝好觀測用電子水準(zhǔn)儀，專人及時觀測軌道板抬升高度，達(dá)標(biāo)后立即停止注膠并用M30 水泥砂漿封堵孔口。

6 病害治理中的難點及對策

6.1 注漿孔鉆孔深度的確定

要使注漿質(zhì)量達(dá)到滿意效果，注漿鉆孔深度除設(shè)計參數(shù)要求外還須在施工中選擇5%的鉆孔加深探測驗證注漿層厚度，先行施工探測孔以確定軌道板下覆巖層破碎程度及垂直深度，并以探測孔獲取資料確定最終注漿孔鉆深。

6.2 注漿竄（漏）漿量較大及漿液可注性的調(diào)整

由于軌道板下覆巖石裂隙發(fā)育及巖石局部破碎及充水的流動性，對注入水泥漿溶蝕作用影響較大，施工中須采用帷幕注漿的順序和合理的雙液注漿工序和工藝。雙液注漿的比例要根據(jù)注漿漏失嚴(yán)重程度現(xiàn)場合理調(diào)整。其調(diào)整規(guī)則是：使調(diào)整后的水泥、水玻璃混合漿體的可注性呈容易至不容易漸變性規(guī)律，由純水泥漿注入逐漸改變?yōu)樗ＡШ枯^多的雙液注漿體。這種漿體流動度人為地漸變操作過程是破碎圍巖特別是充有動水破碎圍巖注漿固化的有效方法，它具有固化路基強(qiáng)度較高、操作容易、經(jīng)濟(jì)實用的特點。

6.3 注膠孔布置密度的確定

軌道板的下沉是隨仰拱及充填層整體一同下沉的，而軌道板的抬升過程僅僅是軌道板與充填層間多處注膠分別抬升，其充填層及下部結(jié)構(gòu)體保持下沉原位。抬升軌道板是由注入A、B 膠（高強(qiáng)度發(fā)泡樹脂4.75#）雙液混合后產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)其體積膨脹產(chǎn)生各向同性力作用的結(jié)果所致。因此，軌道板質(zhì)量越大，向上抬升力越大，注膠孔布置密度越大。本次注膠孔密度經(jīng)施工效果驗證較為合理經(jīng)濟(jì)。

6.4 軌道板抬升垂高與注膠的頻次

注膠抬升軌道板的垂直向上推力是由軌道板與充填層間注膠形成封閉空間后并A、B 膠（高強(qiáng)度發(fā)泡樹脂4.75#）混合膨脹力產(chǎn)生的各向同性力作用于軌道板底面進(jìn)而推升軌道板向上位移，這個位移量是有限不等量（一般小于20 mm/次）。因此，注膠的頻次是由軌道板抬升總量決定的，抬升總量越大，注膠頻次越多。目前，抬升總量在100 mm 內(nèi)可采用注膠工法抬升軌道板并注入膠體作為永久充填受力層使用。

7 結(jié)語

唐包線白草鞍隧道局部線段軌道板下沉整治工程已經(jīng)歷近2 年通車運行，在線路工人正常維護(hù)下該段路基運行正常、穩(wěn)定。本次注漿、注膠治理軌道板下沉病害工藝是張家口工務(wù)段引進(jìn)國外整體設(shè)備（注膠車、注膠機(jī)）、注膠材料進(jìn)行治理病害的先例，施工實踐證明，注膠抬升軌道板的工程效果良好，注膠效率較高。但注膠材料設(shè)備較重，需平板車及機(jī)車牽掛裝運配合注膠施工。治理軌道板下沉病害所需機(jī)車進(jìn)出頻次較高，治理費用也較高。

該工藝方法科學(xué)先進(jìn)，在治理下沉物體抬升復(fù)位、封閉洼陷柔性體復(fù)原等方面是有效實用的。此工藝應(yīng)進(jìn)一步總結(jié)優(yōu)化，提高其工藝水平并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。