《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）——第一部分公铁水《高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆机理与整治技术》

1 项目名称: 高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆机理与整治技术

2 完成单位: 中国铁道科学研究院集团有限公司、 京沪高速铁路股份有限公司、 西南交通大学、 中南大学、 中国铁路上海局集团有限公司、中国铁路武汉局集团有限公司

3 主要完成人: 蔡德钩、 易忠来、 靳昊、 叶阳升、 黄俊杰、 陈晓斌、 杨怀志、 黄法礼、 孙长学、 孙武鹏、 寇东华、 苏谦、 刘秀波、 刘学文、王强

　　1项目背景

　　路基健康服役是高速铁路基础设施高安全性、高耐久性的基础,同时,高速铁路标准要求高,线路变形标准按毫米级控制。近年来,局部地区降水量和降水强度明显增加,虽然无砟轨道防排水设施齐全,但是由于长期高频列车振动、材料劣化等原因,导致无砟轨道嵌缝等防水措施部分失效,大量雨水进入至基床表层,在长期高速列车动荷载作用下,个别区段出现无砟轨道-基床表层冒浆病害。无砟轨道-基床表层冒浆病害会造成无砟轨道下部脱空,甚至会出现“三角坑冶等重度病害,如不及时整治,会严重影响高铁运营舒适性和安全性。我国有砟轨道冒浆冒泥整治技术较为成熟,但是无砟轨道结构与有砟轨道存在明显差异,整治技术不适用。而且,无砟轨道-基床表层冒浆病害是近年出现的一种典型病害形式,鲜有针对性研究,尚无相关标准规范,整治技术仍处于空白。

　　2技术概况

　　本项目从无砟轨道-基床表层冒浆作用机理、病害等级评定、病害整治技术等方面对高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆进行了系统研究,揭示了无砟轨道-基床表层冒浆产生的宏细观机理,阐明了冒浆发生发展规律,构建了无砟轨道-基床表层冒浆病害等级评定技术体系,建立了无砟轨道-基床表层冒浆整治成套技术,形成了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆机理与整治技术创新成果。研究成果已成功应用于新建路基防水嵌缝、冒浆预防性整治和冒浆病害整治。

　　3适用范围

　　课题研究成果适用于新建高铁路防水嵌缝、运营高铁线路冒浆预防性整治及冒浆病害整治,同时也适用于无砟道床层间冒浆预防性整治及冒浆病害整治。

　　4获奖情况

　　成果荣获2020年“中国交通运输协会科学技术奖一等奖冶。

　　(1)建立了基床级配碎石动态孔压、固液耦合细观力学计算模型,揭示了高速列车激励下饱和基床层瞬态高孔压形成机制与发展规律,阐明了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆产生的宏细观机理与发展规律,提出了新建高铁路基基床表层渗透型级配碎石技术要求。

　　(2)提出了基于高速铁路检测车时频分析和图像识别的无砟轨道-基床表层冒浆快速识别方法,创新了基于检测车动态检测及原位动力学测试的基床表层冒浆等级评定技术,构建了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆病害等级评定技术标准。

　　(3)研制了无砟轨道嵌缝材料、基床表层离缝填充材料及其配套设备与工艺,提出了整治效果无损快速评价方法,构建了高速铁路无砟轨道基床表层冒浆整治成套技术。

　　(一)阐明了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆机理及发展规律

　　1揭示了不同含水状态下基床级配碎石静动力特性和渗流稳定性的演变规律掌握了含水率对级配碎石静动特性及累积变形的影响机制,构建了最优含水率与饱和含水率状态下级配碎石的动静应力比,建立了综合考虑含水率、荷载作用次数、动应力水平相互耦合作用的基床表层级配碎石累积变形预测模型,明确了级配碎石渗透系数、临界水力梯度及细颗粒损失间的相关性,推导了基于对数概率回归的颗粒级配演化计算公式:

　　2揭示了高速列车激励下饱和基床表层瞬态高孔压形成机制与发展规律建立了考虑基床表层水力耦合作用的车辆-无砟轨道-路基系统计算模型,结合1颐1无砟轨道基床表层冒浆模型试验,揭示了高速列车激励下

　　饱和基床表层瞬态高孔压形成机制与发展规律。首次发现了轨道板伸缩缝及板端部位基床面01m深度内的负孔压泵吸效应破坏模式,确定了不同压实度基床表层的临界水力梯度值。

　　3揭示了无砟轨道-基床表层冒浆产生的宏细观机理与发展规律

　　(1)无砟轨道-基床冒浆的细观机理:无砟轨道基床层细颗粒迁移损失部位主要在伸缩缝、侧缝下基床表层深度01m范围,水平方向迁移速度快于竖直方向,5万列车轴次荷载后开始激发细颗粒迁移,15万列车轴次荷载后细颗粒全部损失。

　　(2)易发生冒浆填料的判定指标:黏粒或粉粒含量大于20%,渗透系数小于10伊10-6m/s;高速铁路路基基床表层防水型和渗透型级配碎石技术要求:分别为小于10伊10-6m/s和大于50伊10-5m/s。

　　(3)明晰了冒浆宏观发展的三个阶段:前期缓慢冒浆阶段、中期激烈冒浆阶段和后期脱空阶段。

　　(二)构建了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆病害等级评定技术体系

　　1阐明了无砟轨道-基床表层冒浆发展对车轨-路服役状态的影响规律随冒浆发展,车体垂向振动加速度呈现非线性“三段式冶增长;轨道板端基床动应力集中,冒浆病害段路基面纵向动力分布规律畸变为“马鞍形冶;冒浆区域轨道板端下基床顶面振动增加,中心部位基床振动减小;轨道板与底座板上的动位移对冒浆脱空长度敏感,基床冒浆脱空放大的钢轨动位移削弱了车轨安全储备。

　　2提出了基于高速铁路检测车的无砟轨道-基床表层冒浆病害快速识别方法基于高速铁路检测车轨道几何和图像检测数据,提出了高低不平顺时频分析与线路表观图像识别相结合的无砟轨道-基床表层冒浆病害快速识别方法。该方法能快速、准确地定位冒浆病害位置,替代了传统人工巡检方式,解决了病害发现不及时、不全面、人员消耗量大的问题,大幅缓解了运维管理部门病害管理压力。

　　3创新了无砟轨道-基床表层冒浆病害等级评定标准提出了无砟轨道-基床表层冒浆病害等级评定标准,其中高速铁路检测车动态检测以轨道高低动态偏差为评价指标,原位动力学测试以无砟轨道底座板与路基面动位移之比为评价指标,人工观测以原位裂缝特征和浆液分布形态为评价指标,并分别确立了病害三等级判定限值。

　　(三)建立了高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆整治成套技术

　　1提出了无砟轨道-基床表层冒浆整治成套方案

　　以阻止水进入基床表层为整治核心,提出了“嵌缝防水修复、封闭层排水强化、离缝注浆填充冶相结合的多梯度无砟轨道-基床表层冒浆整治方案。确立了I级轻微冒浆、域级严重冒浆和芋级重度冒浆的无砟轨道-基床表层冒浆整治要求与整治方法。

　　2研制出无砟轨道-基床表层冒浆整治关键材料及配套工艺与设备

　　(1)整治关键材料。针对高速铁路无砟轨道长连续浇筑结构特征以及气候环境分布,提出铁路无砟轨道嵌缝材料技术要求,并研制出具有极高弹性与超低拉伸模量、耐老化性能及耐长期周期疲劳荷载性能优的超柔性硅酮嵌缝材料;研制出黏度臆100mPa·s,水中可快速固化且不膨胀、2h力学强度高、抗冲击性能良好的环保型的低粘高强聚氨酯灌浆材料;研制出1d竖向膨胀率逸0.2%、抗折强度逸10MPa、2h即具承压功能的高韧性微膨胀聚合物改性水泥灌浆材料。

　　(2)冒浆整治关键工艺及配套设备。根据天窗期快速修补要求及工况特性,提出嵌缝防水快速修复工艺及无砟轨道-基床表层离缝快速注浆填充工艺及关键工艺参数。开发出嵌缝专用注浆枪头和力可自动校准及保护、注浆流量可自动调节的离缝快速注浆用自动恒压注浆设备。

　　3提出了无砟轨道-基床表层冒浆整治效果无损快速评价方法

　　提出了基于高速铁路检测车的无砟轨道-基床表层冒浆整治效果的动态快速评价方法,通过检测整治前后轨道高低动态偏差评价路基冒浆整治效果,适用于整治效果快速普查;提出了基于冲击回波法和超声波法的无砟轨道-基床表层冒浆整治效果的静态无损评价方法,通过检测整治前后无砟轨道-基床表层离缝状态评价冒浆整治效果,可辅助高速铁路检测车对重点区域或特殊部位的冒浆整治效果进行重点核查。

　　高速铁路无砟轨道路基基床表层采用渗透型级配碎石及其技术要求的成果已经纳入《铁路路基设计规范》(TB10001-2016),已在全国的高铁路基建设中推广应用(见图1)。同时,2014年始采用项目研究成果,已对我国华南、东南地区范围内的多条高铁线路的无砟轨道嵌缝防水及冒浆病害整治进行成功应用。

　　(一)社会效益

　　形成的集病害等级评定,整治方案、材料、工艺、机具,整治效果评价方法为一体的高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆病害整治成套技术,可根除冒浆病害及其次生病害,填补了冒浆整治技术空白,为高速铁路长期健康安全服役提供保障。同时,完善了高铁路基填料技术标准,从源头上避免了产生冒浆的条件,延长了路基结构服役寿命。

　　(二)经济效益

　　1直接经济效益:成果已成功应用于建设期嵌缝工程、运营期冒浆预防性整治和病害整治,取得良好的经济效益。

　　2间接经济效益:高速铁路无砟轨道-基床表层冒浆整治效果有效性好、长效性优,冒浆病害一次整治到位,为设备管理部门节约了大量运维费用。