一种高速铁路无砟轨道沉降囊式注浆抬升修复方法

1.本发明涉及高速铁路运营维护技术领域，具体涉及一种高速铁路无砟轨道沉降囊式注浆抬升修复方法。


背景技术：

2.截至2020年底，我国高速铁路运营里程达3.8万公里，高速铁路线网基本成型。这表明我国高速铁路将会由大规模建造进入长期运营维护阶段，保障高速铁路线路安全稳定运营是我国高速铁路面临的重大难题之一。我国高速铁路大量采用无砟轨道结构，这类结构具有良好的整体性、平顺性及耐久性，但其受线下基础设施的沉降影响较大。我国现行铁路设计规范对无砟轨道线下基础设施工后沉降提出了严格的要求，其中路基一般地段施工后沉降不超过15mm，桥台台尾过渡段工后差异沉降限值为5mm。高速铁路运行速度快、密度高、运量大，加之沿线地质的差异性，岩土材料性状的区域性、多变性，环境自然营力变化的复杂性以及土工设计理论及勘察、施工技术的局限性等综合原因，使得路基在长期列车荷载作用下不可避免发生沉降变形。我国部分运营高铁线路区段内已出现了路基沉降病害，超出高速铁路设计规范要求，导致列车行经沉降区段时减速慢行，严重影响高速铁路运营安全性、舒适性及运输效率。
3.当前针对无砟轨道沉降问题的处置方法主要有三种：(1)第一种是更换扣件系统。当前线下基础沉降较小时，可采用调整扣件系统中的垫片厚度来实现对钢轨的抬升，恢复线路平顺度，但在长期动荷载作用下扣件系统难免会产生磨损从而再次产生沉降病害，且垫片厚度有限，因此这种修复方法效果不佳。(2)第二种方法是机械抬升，一般是在底座板侧边临近的封闭层开槽，安置千斤顶，通过千斤顶的顶升力实现对轨道结构的抬升，然后在采用水泥砂浆对板底进行充填。这种方法对轨道结构破坏较大，影响轨道结构的安全性，而且顶升过程难以控制，容易产生过抬或少抬现象。而采用水泥砂浆属于刚性材料，在长期动荷载作用下，基床表层中的级配碎石与之摩擦粉碎，劣化层间接触特性，不利于动力传递。(3)第三种方法是采用高聚物注浆抬升，如专利“一种用于沉降无砟轨道的注浆抬升快速修复方法(201310382596.1)”、专利“一种用于沉降无砟轨道的修复方法(201611244651.0)”及专利“高速铁路注浆抬升方法和注浆材料(201910062029.5)”都提出了采用膨胀性高聚物材料注浆抬升轨道结构。其实质是通过注浆泵将具有膨胀性的高聚物浆液注入基床表层级配碎石中，借助高聚物浆液扩散膨胀力与注浆压力抬升轨道结构。但是高聚物浆液在级配碎石中的扩散机制复杂，且伴随着浆液扩散存在着膨胀力损失，因此注浆量与抬升量的匹配关系不明确。注浆抬升作业依据经验实施，实际抬升效果与理论计算存在较大的差异，而且这种材料单价昂贵，造成工程费用增多，不宜大面积使用。专利“一种无砟轨道注浆抬升及抬升纠偏方法(201710013063.4)”提出了采用聚合物袋与千斤顶结合使用的方法对无砟轨道进行抬升纠偏。这种方法虽然可限制浆液的流动，但是须切割封闭层及从轨道板中部钻孔，对轨道结构破坏较大，且垂向钻孔注浆情况下，聚合物袋在浆液压力下反而对两侧产生较大膨胀力，垂向膨胀力不可控，抬升效果难以控制。这类方法目前也未见有实施。专
利“高速铁路无砟轨道抬升高聚物注浆方法(201310123669.5)”提出了通过在底座板下布置土工布袋，然后往土工布袋里注入膨胀性高聚物，借助土工布袋限制浆液流动，发挥高聚物膨胀力抬升轨道结构。这种方法虽然可以避免跑浆、漏浆，有利于发挥膨胀力。但存在以下问题：其注浆孔长度即土工布袋长度与底座板横向宽度一致，在既有线上施工复杂；通长的布置方式减少了底座板与基床表层的直接接触面积，不利用动力传递；长期动荷载作用下，大面积的土工布袋与底座板反复摩擦并受到级配碎石的穿刺作用，容易破损。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题提供一种施工便利、经济节约、膨胀可控的高速铁路无砟轨道囊式注浆抬升修复方法。
5.本发明采用的技术方案是：
6.一种高速铁路无砟轨道沉降囊式注浆抬升修复方法，包括以下步骤：
7.步骤1：沿抬升修复整治区域的两端各延伸长度l0，测量线路高程与线路原设计高程数据对比，其差值为抬升量h；
8.步骤2：计算抬升力t，根据抬升力和聚氨酯膨胀力的关系，计算膨胀性聚氨酯配置密度ρ；
9.步骤3：根据步骤1得到的抬升量，按照预先设计，在底座板和封闭层接缝处布设注浆抬升孔；在底座板和轨道板侧面接缝处布设注浆填充孔；在底座板和封闭层侧面接缝，注浆填充孔对应位置，布设观察孔；
10.步骤4：在注浆抬升孔对应位置安装注浆囊管，在注浆填充孔对应位置安装注浆填充管，在观察孔对应位置安装观察管；
11.步骤5：按照预先设计布置监测控制点，对线路高程、线路线形进行监控；
12.步骤6：按照步骤2计算得到的密度配置膨胀性聚氨酯，采用注浆囊管开始注浆抬升；抬升至预定高程后停止注浆；
13.步骤7：通过注浆填充管进行注浆填充，并实时监测轨道板高程变化；
14.步骤8：注浆填充完成后拆除注浆囊管、注浆填充管和观察管，封闭钻孔部位，即完成注浆抬升修复。
15.进一步的，所述注浆囊管包括囊体及与其通过单向阀连接的注浆杆体。
16.进一步的，所述步骤2中的抬升力计算方法如下：
17.t＝g
扣
+g
轨
+f
18.式中：g
扣
为扣件自重，g
轨
为轨道结构自重，f为底座板和基床表层的粘接力。
19.进一步的，所述步骤2中的膨胀性聚氨酯配置密度ρ的计算过程如下：
20.p
f
＝aρ2+bρ+c
21.式中：p
f
为聚氨酯膨胀力，a、b、c均为系数；
22.其中，p
f
计算方法如下
23.t＝p
f
×
s
24.式中：s为囊体与底座板接触面积。
25.进一步的，所述步骤3注浆抬升孔钻设方法如下：
26.沿底座板和封闭层接缝斜向45
°
向下打钻，钻孔深度不超过抬升量；
27.注浆填充孔钻设方法如下：
28.沿轨道板和封闭层接缝斜向45
°
向下打钻，钻孔深度不超过抬升量；
29.观察孔钻设方法如下：
30.沿轨道板和底座板接缝斜向45
°
向下打钻，钻至基床表层顶面。
31.进一步的，所述注浆抬升孔和注浆填充孔错位布设；注浆抬升孔和注浆填充孔的孔径均为35mm；相邻注浆抬升孔之间的间距l1不超过2m，相邻注浆填充孔之间的间距l3不超过2.4m；观察孔的孔径为8～15mm，相邻观察孔之间的间距l3不超过2.4m；注浆抬升孔和注浆填充孔、注浆抬升孔和观察孔之间的间距均为l2，均不超过1.5m。
32.进一步的，采用高精度多点视频动静态位移检测系统对线路高程、线路线形进行动态监控；所述监测控制点布置在钢轨外侧扣件边承轨台上；抬升修复整治区域内，监测控制点间隔不超过2个轨枕间距；抬升修复整治区域两端临近轨道板上设置的监测控制点，间隔为3个轨枕间距；在监测控制点上设置高精度靶标。
33.进一步的，所述步骤6中的注浆抬升过程中，注浆顺序从沉降量最大的区域，沿线路两侧往两端同步开始抬升。
34.进一步的，所述步骤7中注浆填充过程中，注浆顺序沿两侧定向同步注浆填充；注浆填充过程中，实时通过观察管监测浆液扩散情况，当有浆液从观察管溢出时，停止临近注浆填充孔的注浆填充作业；
35.实时监控轨道板的高程变化，当轨道高程变化超过1mm时，停止注浆填充，降低注浆压力，重新开始注浆填充，直至注浆填充完成。
36.进一步的，还包括以下步骤：
37.注浆抬升达到预定目标后恢复扣件系统，进行轨道调整；通过全站仪对轨道线形进行复测，获取监测控制点的新高程和新坐标；与抬升前原始数据对比，得到抬升效果。
38.本发明的有益效果是：
39.(1)本发明通过理论计算结合室内试验确定了抬升力、抬升所需聚氨酯密度，具有理论支撑，更为可靠；
40.(2)本发明采用囊式注浆，注浆囊管的囊体部分很好的限制浆液扩散流动，避免了浆液的跑浆、漏浆及膨胀力消散现象，充分发挥了聚氨酯膨胀性能，提高了抬升效率和精确度；
41.(3)本发明中的注浆囊管按照设计点位安装，并注浆抬升，可实现轨道结构定点精确抬升，提高了抬升效率和精确度；
42.(4)本发明中的抬升孔位和观察孔位均布设于封闭层上，仅在底座板上钻取注浆填充孔，对轨道结构破坏性小；
43.(5)本发明中的注浆囊管插入基床表层的深度有限，对基床表层的扰动较小，对基床表层和底座板的接触特性影响较小；
44.(6)本发明创新了抬升工艺，工序简单，设备轻便化，节约人力资源，减少工程费用，可实现天窗内高速铁路无砟轨道沉降快速精确抬升修复。
附图说明
45.图1为本发明线路线形测量区域示意图。
46.图2为本发明注浆抬升孔、注浆填充孔、观察孔及监测点位平面布置图。
47.图3为本发明注浆抬升孔、注浆填充孔、观察孔间距平面示意图。
48.图4为本发明中注浆抬升孔布置横断面示意图。
49.图5为本发明中注浆填充孔和观察孔布置横断面示意图。
50.图中：1
‑
轨道板，2
‑
底座板，3
‑
注浆抬升孔，4
‑
观察孔，5
‑
注浆填充孔，6
‑
监测控制点，7
‑
基床表层，8
‑
注浆囊管，9
‑
封闭层，10
‑
注浆填充管，11
‑
观察管，12
‑
高精度靶标，13
‑
钢轨。
具体实施方式
51.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
52.一种高速铁路无砟轨道沉降囊式注浆抬升修复方法，包括以下步骤：
53.步骤1：沿抬升修复整治区域的两端各延伸长度l0，测量线路实际高程与线路原设计高程数据对比，其差值为抬升量h；
54.具体实施过程中l0取50m，采用电子水准仪和全站仪测量线路高程与坐标数据，最终确定的抬升量为2cm。
55.步骤2：计算抬升力t，根据抬升力和聚氨酯膨胀力的关系，计算膨胀性聚氨酯配置密度ρ；注浆囊管8包括囊体及与其通过单向阀连接的注浆杆体。抬升力计算方法如下：
56.t＝g
扣
+g
轨
+f
57.式中：g
扣
为扣件自重，g
轨
为轨道结构自重，f为底座板2和基床表层7的粘接力。本实施例中经过计算抬升力为197.2kn。
58.膨胀性聚氨酯配置密度ρ的计算过程如下：
59.p
f
＝aρ2+bρ+c
60.式中：p
f
为聚氨酯膨胀力，a、b、c均为系数，可根据室内膨胀力实验确定；
61.其中，p
f
计算方法如下
62.t＝p
f
×
s
63.式中：s为囊体与底座板2接触面积，可根据室内注浆单点抬升模型试验确定。
64.本实施例中经过计算聚氨酯膨胀力p
f
为880.51kpa，计算膨胀性聚氨酯配置密度为0.25g/cm3。
65.步骤3：根据步骤1得到的抬升量，按照预先设计，在底座板2和封闭层9接缝处布设注浆抬升孔3；在底座板2和轨道板1侧面接缝处布设注浆填充孔4；在底座板2和封闭层9侧面接缝，注浆填充孔4对应位置，布设观察孔5。
66.注浆抬升孔3孔径35mm，相邻注浆抬升孔3间距l1最大不超过2m。这种布置方法可以避免对底座板2产生较大的破坏，另一方面可以使注浆囊管8伸入到底座板2的下方。钻设注浆抬升孔3过程如下：沿底座板2和封闭层9接缝斜向45
°
向下打钻，钻孔深度不超过抬升量。
67.注浆填充孔4孔径35mm，相邻注浆填充孔4间距l3最大不超过2.4m。结合轨道结构设计图纸并使用钢筋扫描仪探明钢筋分布，以免钻孔时损伤钢筋。同时注浆填充孔4与注浆抬升孔3错开布设，呈梅花形分布。沿轨道板1和底座板2接缝处斜向45
°
向下打钻，钻孔深度不超过抬升量。
68.观察孔11孔径8～15mm，孔间距l3不超过2.4m；沿轨道板1和底座板2接缝处斜向45
°
向下打钻，钻至基床表层7顶面即可。注浆抬升孔3和注浆填充孔4、注浆抬升孔3和观察孔11之间的间距均不超过1.5m。
69.步骤4：在注浆抬升孔3对应位置安装注浆囊管8，在注浆填充孔4对应位置安装注浆填充管10，在观察孔5对应位置安装观察管11；注浆囊管8包括囊体和注浆杆体。注浆囊体8为高强度土工合成材料制成，囊体与注浆杆体通过单向阀连接，其中注浆杆体直段长度为b1不小于轨道板1侧面和底座板2边缘间距b2，外径为30mm，其抗刺破强度不小于1.5mpa，抗拉强度不小于2mpa。将注浆囊管8沿注浆抬升孔深入至底座板2偏中部位置。注浆填充管10插入至基床表层7中的垂向高度h不超过抬升量。为防止浆液在注浆压力下沿注浆填充管10和孔洞的间隙外流，采用速凝高分子材料进行封闭。观察管11选用与观察孔5孔径相等的聚丙烯、聚氯乙烯材质管，将其沿观察孔5插入至基床表层7即可。
70.步骤5：按照预先设计布置监测控制点6对线路高程、线路线形进行监控；抬升过程中的动态监测是评估抬升效果的必要手段，受天窗点作业时间限制，为提高作业效率，采用高精度多点视频动静态位移检测系统对线路高程、线路线形进行全面全时动态监控，该检测系统精度不小于0.1mm。监测控制点6布置在钢轨13侧扣件边承轨台上。抬升修复整治区域内，监测控制点6间隔不超过2个轨枕间距；抬升修复整治区域两端临近轨道板1上设置的监测控制点6，间隔为3个轨枕间距；在监测控制点6上设置高精度靶标12，平面监测网以cpⅲ点作为基准点。
71.步骤6：按照步骤2计算得到的密度配置膨胀性聚氨酯，采用注浆囊管8开始注浆抬升；抬升至预定高程后停止注浆；根据作业需求，定制了膨胀性聚氨酯注浆专用设备，最大输出压力为20mpa，注浆速度为2～10kg/min。该设备配有浆液计量器，可实时记录注浆量。选用具有膨胀性的双组份聚氨酯作为注浆抬升材料，选择的聚氨酯浆液具有快凝、早强特性，可根据需要调控发泡膨胀反应时间，最快可在1min内完成膨胀，20min内强度可达95％。配置所需密度的双组份聚氨酯，启动膨胀性聚氨酯注浆专用设备，调整注浆压力及浆液加热温度等参数，然后扳动注浆枪开关，将材料打入空桶内，测试发泡聚氨酯浆液的初始反应时间、发泡固化时间以及膨胀特性等自由发泡性能。确保材料初始反应时间位于5～15s之间，膨胀固化时间不大于40s，材料膨胀反应生成的固化体泡孔结构均匀，颜色和强度和室内试验结果一致。注浆顺序原则上从沉降量最大的区域，沿线路两侧往两端同步开始抬升。注浆抬升过程中，实时不间断地对轨道高程变化进行全过程监控，抬升至预定高程后即停止注浆。
72.步骤7：通过注浆填充管10进行注浆填充，当轨道高程变化超过预定值时停止注浆；注浆设备为常规注浆泵，采用高流动性聚合物改性水泥对层间间隙进行充填。将注浆泵和注浆填充管10连接，沿两侧定向同步注浆填充。注浆充填过程中，实时通过观察孔管11监测浆液扩散情况，当有浆液从观察管11中溢出时，即表面该区域层间孔隙已经填满，可停止临近孔的注浆填充作业。在注浆填充过程中，实时不间断地监控轨道板1的高程变化，当轨道高程变化超过1mm时，应立即停止注浆填充，降低注浆压力，重新开始注浆填充。
73.步骤8：注浆填充完成后拆除注浆囊管8、注浆填充管10和观察管11，封闭钻孔部位，即完成注浆抬升修复。注浆填充完成后，静置时间不超过30min，而后切割注浆囊管8及注浆填充管10，拔除观察管11。使用高强无收缩快凝复合材料对钻孔部位进行填充封闭。对
表面完好的封闭层应进行无损检测，探测其下方是否存在空洞，如存在因聚氨酯浆材固化膨胀顶升而造成的空洞，则应继续钻孔注浆、所注材料为聚合物改性砂浆，空洞填充密实后，对注浆孔进行封闭。
74.注浆抬升达到预定目标后恢复扣件系统，进行轨道调整；通过全站仪(采用高精度自动全站仪)对轨道线形进行复测，获取监测控制点6的新高程和新坐标；与抬升前原始数据对比，得到抬升效果。必要时可对个别点进行补抬施工。
75.本发明采用理论计算公式结合室内试验确定了抬升力及抬升所需聚氨酯密度的大小，技术应用有理论支撑，更为可靠。注浆囊管的囊体部分能够很好地限制浆液扩散流动，避免了浆液的跑浆、漏浆及膨胀力消散现象。充分发挥了聚氨酯膨胀性能，提高了抬升效率和精确度。注浆囊管按照设计点位安装，并注浆抬升，可实现轨道结构定点精确抬升，提高了抬升效率和精确度。注浆抬升孔位和观察孔位均布设于封闭层上，仅在底座板上钻取注浆填充孔，对轨道结构破坏性较小。本发明所用的聚氨酯可在5～10min内膨胀固化，实现抬升目的。高强度聚合物改性水泥砂浆可在30min内胶凝固化达到使用要求，满足天窗点作业时限要求。作为填充材料的聚合物改性水泥砂浆和基床表层级配碎石固化形成的结合体弹性模量适中。实现了轨道
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路基垂向刚度的均匀过渡，有利于路基结构长期动力稳定性。本发明方法创新了抬升工艺，工序简单，设备轻便化，节约人力资源，减少工程费用，可实现天窗内无砟轨道沉降的快速精确抬升修复。