沧州天海钢管有限公司
 
高女士:18713650955
电    话:0317- 5100211
传    真:0317-5529163
公司网址:www.chenjiangban.com
 
新闻资讯 您现在的位置:首页 - 新闻资讯 >

高速铁路无砟轨道路基沉降修复
2019-11-25 09:56:57    点击:

当路基出现沉降需要修复时,最基本的方法是采用调整扣件到达恢复轨道结构平顺性的目的;当沉降量远远超过扣件的最大调整量时,可采用目前应用较多的三种方法,分别是调整线路法、注浆


在高速铁路建设中,当在土质路基上铺设无砟轨道时,尽管采取了较高的建设标准和有效的施工措施,路基不均匀沉降还是常难以避免,导致轨道结构难以保持良好的平顺性,高速铁路路基沉陷问题十分突出。

 

 

Snap19.jpg

 

 

图 1我国高速铁路规划网络示意图

Figure 1 A schematic diagram of China's high-speed railway planning network

当路基出现沉降需要修复时,最基本的方法是采用调整扣件到达恢复轨道结构平顺性的目的;当沉降量远远超过扣件的最大调整量时,可采用目前应用较多的三种方法,分别是调整线路法、注浆法、抬板法。

 

1、调整线路法

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_1

 

图 2调整纵断面原理示意图

Figure 2 Schematic diagram of the adjustment of the longitudinal section

对于调整线路纵断面的整治方法,该方法被动的改变线路线形以适应列车运行,一定程度上降低了列车运行的效率。

2、注浆法

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_2

 

图 3传统注浆方法示意图

Figure 3 Schematic diagram of traditional grouting method

普通注浆法是在路基中注入浆液后,改善地基土体,可达到减缓路基沉降的目的,但不能恢复原始轨道高程,不能解决根本问题。

抬板法

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_3

 

图 4底座板抬升原理示意图

Figure 4 Schematic diagram of the lifting principle of the base plate

抬板法则主要是在路基沉降量严重超标时进行,通过物理方法抬升轨道板或者底座板至轨道设计高程,在抬升后的空隙中充填满足要求的结构层以增加轨道结构自身高度。

目前较多应用的三种维修方法均有一定的缺陷,并不能针对各种轨道结构形式完美的解决问题,且不能到达到快速维修的目的。

而随着高聚物注浆技术在公路病害以及房屋基础修复方面的发展与应用,其快速维修效果已得到广泛的关注,郑州大学王复明院士等在高聚物注浆技术及理论研究做了大量的工作。

该技术也在2014年首次应用于高速铁路路基沉降修复。

 

该高聚物注浆抬升无砟轨道技术简要原理如下:在对路基沉降地段,先通过钻孔设置注浆管,将高聚物材料注入路基与级配碎石和支承层之间,注入的高聚物通过快速扩散、膨胀,实现对支撑层及上部的轨道结构抬升,同时,通过密切监控抬升高度,达到抬升轨道结构至设计高程的目的。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_4

 

图 5注浆整体抬升(单孔注浆)示意

Figure 5 Schematic diagram of the lifting principle of grouting

讲到这里,你一定很好奇,这是一种什么材料和注浆方法,有哪些特征呢?那我们就来看看他的前世今生吧!

 

自20世纪70年以来,高聚物注浆技术是逐渐发展起来的以双组份发泡聚氨酯为代表的非水反应注浆技术,早期主要应用于地基基础快速维修加固。

2004年,河南省道路检测工程技术研究中心(郑州大学王复明等)率先从美国引入该技术,并在国内道路维修、隧道、堤坝等基础工程防渗等方面进行了推广。

该技术的核心是高聚物材料及其注浆设备与技术,在注浆应用时,可分为浅层注浆抬升和深层注浆加固,其中浅层注浆技术主要用于基础如混凝土板的脱空修复及提升,深部注浆技术主要应用于道路基层、底基层、路基及结构物地基的加固。

双组份材料间的快速化学反应并伴随着体积的快速膨胀产生膨胀力,实现快速填充空洞,同时挤密周围材料。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_5

 

图 6利用高聚物注浆技术进行混凝土板抬升

Figure 10 Using polymer grouting technology to lift concrete slab

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_6

 

图 7采用高聚物注浆技术解决地基深层问题

Figure 11 Using polymer grouting technology to solve the problems of foundation

该材料和方法应用于高速铁路路基沉降修复,具有如下特点:

快硬性:高聚物注射材料15分钟后便可达到90%的强度;

膨胀性:注射的高聚物材料发生化学反应并迅速膨胀同时产生的膨胀力对周围材料具有压密作用(其自由膨胀后的固体体积比液体体积高10~20倍);

轻质性:材料膨胀后的自重只有同体积水泥浆的10%,密度变化范围在150~300 kg/m3之间,无收缩,维修后产生的附加应力小,并具有良好的弹性,不会给地基增加额外载重;

耐久性:材料具有良好的稳定性,在无阳光照射下,不会变质和分解;

防水性:材料成形后无收缩,且防水性能优良,同时对环境无污染;

快速:施工速度快,不需要养护;

微损:注浆过程中可根据需要设置钻孔数量,孔径小(1.6cm),对高速铁路轨道破坏小。

 

高聚物材料注入底座板与路基级配碎石之间后,形成具有一定厚度的结构层,将会作为路基的重要组成部分与路基共同工作受力,要求这层结构体具有足够的压缩强度及较小的变形。

该材料是否能够满足承受上部结构的荷载和列车动荷载作用的共同作用而不会破坏?在荷载作用下路基的整体变形是否满足要求?

我们来看看这些研究,也许可以解决你心中的疑问。

★高聚物材料的力学特性

 

材料的应力应变关系:

高聚物材料弹性阶段所对应的极限应力大约在0.25MPa~7.3MPa之间,而铁路路基表层所承受的荷载应力一般在100KPa~200KPa的范围内,所以材料的强度是足以满足路基强度要求的。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_7

 

图8 不同密度聚氨酯材料的压应力——应变关系

Figure 12 Compressive stress and strain relationship of polymer with different density

弹性模量与密度关系:高聚物材料的弹性模量与密度具有相关性,当密度在0.3g/cm3 ~0.4g/cm3之间时弹性模量受密度的影响较大。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_8

 

图 9 聚氨脂泡沫的弹性模量与密度关系

Figure 13 The relationship between elastic modulus and density of polyurethane 

循环压缩加载下的疲劳性能::国内外对高聚物材料疲劳特性研究较少。清华大学联合郑州大学等单位借助扫描电镜对高聚物材料在循环压缩加载下的微观结构演化和疲劳性能进行了研究。在力控制模式的正弦荷载反复施加下,试件的应力-应变响应如下图所示。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_9

 

图 10 聚氨酯材料在循环作用下动态应力应变关系

Figure 14 Dynamic stress-strain relationship of polyurethane under cyclic action

研究表明,聚氨酯材料导致疲劳破坏的阈值随密度的增大而减小,对于 0.3g/cm3的情况,阈值范围为应力水平α∈(0.7,0.8);对于0.5g/cm3的情况,α∈(0.6,0.7)。

当应力水平低于疲劳该比值时,聚氨酯材料不会发生疲劳破坏,有可能出现循环硬化的情况;材料的疲劳损伤的宏观表现为垂直于荷载方向的鼓出;微观表现为泡壁上裂纹的扩张和棱边屈曲。

当材料的密度为0.3g/cm3时,其无侧限抗压强度值约为5.6MPa,根据循环压缩加载下的疲劳性能的研究和材料应用于铁路路基的最小限制,为了避免材料出现疲劳破坏,材料的应力水平建议不超过3.4MPa。

★动力学性能评价

 

浙江大学边学成教授和郑州大学王复明教授采用等比例尺足尺实验模型对注浆方法和注浆后路基的动力特性进行了研究。

根据实际足尺实验模型,测试注入材料后路基内部的动土压力以及路基整体的刚度变化。

相关链接:浙大学者获茅以升科技奖 他让中国高铁的基础更稳健

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_10

 

图 11 高速铁路无砟轨道路基动力模型

Figure 15 Dynamic model of high-speed railway ballastless track subgrade

通过在轨道板上施加一定数值的激振力。同时在轨道板和底座上设置振动传感器,测试记录轨道结构的竖向位移响应,测试结果如图所示:

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_11

 

根据测试结果,充填高聚物注浆材料之后,在动荷载的作用下,由于材料的弹性变形使竖向位移较注浆前有所增大;研究表明路基经过填充抬升后路基抬升后轨道结构的刚度下降了15%。

轨道-路基体系的整体刚度发生了弱化,但是减小幅度有限;对得到数据进行曲线处理后得到轨道路基体系的共振频率,发现对共振频率基本没有变化。

★ 长期荷载作用下路基特性的比较

 

注入高聚物材料后,相应的在路基结构上增加了一结构层,该结构层是否会在列车长期荷载作用下发生较大的变化,因此本实验采取一定的激振方法来模拟列车移动荷载,研究路基在上万次循环荷载的作用下,路基的沉降变形和轨道-路基系统的动刚度的变化,图3.8中给出了累积沉降与路基抬升前后的对比。

实验表明路基抬升前后沉降发展律基本相同,路基在上万次循环荷载的作用下,沉降趋于稳定。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_12

 

图 13 抬升前后的路基沉降比较

Figure 17 Comparison of subgrade settlement before and after polymer injection

采用聚氨脂泡沫填充材料来抬升无砟轨道路基,基本不会影响路基的长期累积沉降特征;路基与无砟轨道混凝土底座之间实施填充注浆后使得从路基中的动应力有所减小,并在路基内部中分布更均匀。

高压化学注浆技术应用到高速铁路路基抬升工程中是很强的可行性,能基本满足无砟轨道路基的技术要求。高聚物注浆材料从理论上讲可以达到提升轨道结构的目的,路基经过填充抬升后轨道-路基体系的整体刚度发生了弱化,但是减小幅度有限。

★二次沉降处理

 

路基在充填高聚物材料之后被抬升,解决了初始沉降的问题,但当轨道结构初始循环加载受力之后,路基高程有所下降,即充填高聚物材料之后存在初始压密的现象。实验过程的高程监测结果见图5.4。注浆完成后至42.5万次循环荷载,轨道板变形约5mm。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_13

 

图 14试验过程的轨道板竖向位移变化

Figure 14 Variation of vertical displacement of track slab during tests

针对这种现象:修复后在列车运行期间应时刻监测路基高程的变化,并通过扣件来调整。也可以在初次注浆抬升时,可以超过设计高程1-2mm,经历初始压密后,可基本回落至设计高程,微小差值可以通过扣件进行调整。

 

 

通过上面的各类实验研究表明,高聚物浆液应用于高速铁路路基是可行的。王复明、方宏远教授等针对这种新方法,提出了以下两种抬升工艺流程:

解决方案一:水平钻孔抬升

所谓水平钻孔:即在轨道混凝土底座板下基床表层级配碎石上横向钻水平注浆孔,根据抬升高程设计土工布袋的外径,然后布置土工布袋,并在土工布袋中依次注入高聚物浆液,浆液膨胀逐渐抬升轨道结构,这种方法不对轨道板和底座板进行钻孔破坏,只对基床表层有轻微的扰动。具体详细施工步骤如下:

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_14

 

图 15 水平钻孔注浆方案

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_15

 

图16 高程检测

Figure 6 Height detection

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_16

 

图17 开挖后填充体填充效果

Figure 7 Filling effect after excavation

解决方案二:垂直钻孔抬升

所谓垂直钻孔:即在轨道结构上垂直钻孔通过轨道板和支承层,达到基床表层的级配碎石之下,该方法对轨道结构有微小的破坏,由于孔径较小,基本不会影响轨道结构的受力,对路基基床没有扰动。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_17

 

图 18 现场垂直钻孔演示

Figure 8 Demonstration of field vertical drilling

★注浆设备

 

这些材料从哪里来?——移动注浆车

郑州大学等单位集成和研发了一种集成式高聚物注浆系统。其主要载体为一注浆车,注浆设备主要由发电机、空气压缩机、注浆配比仪、储料桶、气动隔膜泵、输料管、注浆枪等组成。该设备具有经济高效、实用可靠、操作简单等特点,同时能够精细配比两组液体,配合后的液体通过高压混合,通过注浆枪注入需要抬升的轨道结构,且可根据实际情况调整注浆压力,并能自动控温等特点。

 

高速铁路无砟轨道路基沉降修复_18

 

图 10一种集成化的注浆车

Figure 9 An integrated grouting vehicle

该注浆车的缺点是:橡胶轮对不能方便于轨道上行车,后期可以考虑在轨道检测维修车上安装设备。

 

采用该注浆方法具有修复速度快、维修效果好、施工效率高等优点,同时对既有线路结构没有造成破坏,是目前一种正在快速发展的对无砟轨道结构修复切实有效的方法。

该修复方法无论是从修复材料、修复机理还是施工方式等方面都和现行的注浆抬升技术明显不同,该方法具有快捷、微创、轻质、高韧、经济、耐久等特点。

近两年来,已有多条高速铁路应用了整体注浆抬升技术对路基进行快速修复,修复效果良好。因此该技术在轨无砟道沉降修复领域具有巨大的经济、社会效益和广阔的发展应用前景。

目前,国内外对无砟轨道结构高聚物注浆抬升的研究较少,还处于起步阶段,特别是对注浆理论研究较少,且在实际应用过程中以经验为主,尚有较多的问题仍需要通过深化研究进行解决。可以从以下几方面进行深入研究:

(1)目前由于高聚物注浆技术在铁路路基中的应用还不够成熟,理论还不完善。还并没有建立一系列完整有效的注浆检测方法和效果评价体系。其中注入材料的分布状况、注入材料的密实度、注浆材料的连续性是重点关注方向。

(2)高聚物浆液在注浆压力和自身膨胀力耦合作用下浆液的扩散理论还未建立;需要进一步研究浆液材料的流动特性,如浆液粘度的时变特性;浆液流动过程和周围介质的耦合作用等。

(3)在注浆抬升过程中如何控制底座板中线的偏移,目前并没有想关措施。

(4)目前,缺乏高聚物材料疲劳特性相关的资料。高聚物材料应用于铁路路基时,长期受列车动荷载的影响,因此研究材料在长期荷载作用下的疲劳特性是有必要的。

每一个新生方法的应用和推广,特别是工程新技术新方案,因为没有经受时间的长期考验,可能会在实践有一些问题逐渐暴露出来,因而会受到来自方方面面的条件限制。随着高聚物注浆技术的在铁路修复中逐渐推广和应用,其注浆理论、施工方法和工艺将会越来越完整和成熟,将会形成系统的注浆方案,为解决工程病害提供坚实的理论和实践基础。

上一篇:超高层塔楼沉降观测施工方案
下一篇:最后一页

【返回】