浅谈客运专线路基结构与填料标准

浅谈客运专线路基结构与填料标准摘要：文章就路基表层防水、强化基床表层和路基填料标准三个主要问题，介绍了日本、德国、法国等在高速铁路路基结构设计中的处理方法，同时与我国客运专线铁路设计暂行规定进行比较，并提出相关建议。关键词：客运专线、路基、沥青混凝土、填料。1、前言为了满足铁路运输达到“高速、重载、大运量”的要求，近年来我国研究人员对高速铁路的路基结构和填料标准进行了系统的试验研究，制定了时速300公里的铁路设计暂行规定，为修建客运专线做着前期准备工作。在这一系列的研究中，国外修建高速铁路的成功经验是值得我们借鉴的。国外修建高速铁路较早的国家有日本、法国和德国，他们都经过了较长时间的实践和发展过程，如世界上第一条高速铁路是日本1960年修建的东海道新干线，1964年10月开通运营，由于没有经验，道碴和基床的厚度、填筑材质和铺设工艺等都存在问题，1965年路基出现下沉、基床翻浆，后花了近两年的时间采用土质更换、铺设土工纤维布等措施进行了整治。1976年日本国铁成立了路基研究会，系统地制定了设计标准，提出加大原有路基断面、强化路基基床表层、设置路桥过渡段等措施，提高了线路质量和运营速度，1992年对路基规范又进行了局部修改，减薄了基床表层的厚度，运营速度达到了270km/h。德国1971年开始修建从汉诺威—维尔茨堡的国内第一条高速铁路，2002年修建第一条客运专线，其中有140km长的地段运营速度达300km/h。德国1982年颁布“德国铁路土工建筑物规范”，1992年第四次修改，制定了时速230km/h的路基结构标准，1999年又对230km/h的路基结构进行了局部修改，同时又加入了时速300km/h高速铁路路基断面结构的内容。法国于1976年修建从巴黎到里昂的TGV全国第一条高速铁路，1983年建成，时速为270km/h，获得了设计经验后，又进行了一系列的线路上部结构和路基强化措施，如采用加强型道床结构、提高路基及道碴的材料质量等措施，以改善轨道性能，降低基床上的动荷载，列车最高为世界记录515.3km/h。分析我国高速铁路的路基设计，有很多需要解决的细节问题，限于篇幅，本文就国内、外填土路基设计中的几个关键问题，如路基表层防水处理、强化路基基床和选择路基填料等，介绍日本、德国和法国的路基结构设计特点，综合评价他们的设计标准，并与我国目前客运专线铁路暂行规定进行比较，供有关人员参考。2、路基表层设置防水层修建在自然界中的土质路基，除受列车的动应力作用外，还受到自然界中的不利气候和地质条件的影响，如果防护不当，雨、雪会很快会从路基表面和边坡进入土体，导致基床的变形、隆起、翻浆冒泥或冻胀等病害，严重响行车安全。对于基床表层的防水问题，目前已考虑在时度为300km的路基表层增设了5～10cm厚的沥青混凝土层，其参数的设计和施工程序正在研究之中。对于路基表层的防水问题，国外研究得较早，如以前苏联为首的铁路合作组织，在1965年制定了“关于增强路基基床承载力的建议”，认为基床变形最普遍的原因是由于大气降水使路基湿度增大，土壤物理力学性能改变，从而造成承载力的下降，因此认为，在加强路基表层强度的同时，还应在基床与道床之间铺设防水复盖薄层。关于隔水层的材料，经试验研究采用了天然沥青、沥青掺砂混合物、沥青橡胶粉混合物、细粒砂与胶泥残渣混合物等，均有明显的隔水效果。联邦德国从1970年开始对路基病害进行防治研究，提出在非渗水性基床和道碴之间增设20cm厚的具有过渡性能的路基保护层（PSS），该层由严格的级配碎石碾压而得，要求渗透系数≥10-6m/s，这样一般的雨水基本不会渗入基床，而在雨水较多的区域或在既有线的改建中，可在保护层下面用小的碎石碴或粗粒砂与粘接材料混合进行稳定，也可在砾或砂中间铺设塑料隔水层，以此提高路基刚度，消除了基床病害和冻害（见图1）。法国路基防水所用的材料和设置位置与德国相似，即在路基表面级配碎石层下设置防污层，防污层由纯砂中间铺合成毡垫或土工纤维布进行防水防污。图1德国既有线路堤内用塑料防水层密封的工程实例另外，美国和日本采用沥青混合料进行路面防水已比较成熟，如美国很早就开始研究沥青胶结层防水技术，沥青铺设的位置也很灵活，有的铺在路基表层、将路基面全部封闭，有的只在道床部分铺设。经过多年的实践，1986年提出了一项新技术，即将道床中的底碴层用沥青胶结起来，以沥青石碴垫层代替普通的底碴层，称为“热熔混合沥青(HMA)”（见图2），该层厚约10cm，其上部仍按规定铺足碎石面碴，维持原有的设计状态。由于这种处理有助于提高道床的承载力，改善应力分布状态，对路基基床起到隔水和加强作用，同时又能使道床与路基很好的凝聚和强化，减少维修费用，深受工程人员的青睐，现已广泛使用到重载、高速、车场等项目中的道岔、平交道、桥头路基和隧道底基等工程中。图2美国热熔混合沥青层示意图日本多年来不断对路基病害的整冶进行研究，在1978制定的“土工结构物设计标准”中，提出强化基床表层的两种方法，一种是路基表层采用强度高又不透水的水硬性级配高炉炉碴碎石层，另一种是级配筛选碎石层上铺5cm厚的沥青混凝土（见图3），这样可以消除路基基床内含水量的波动、有助于基床的受力分布、固定底碴层的滑动等作用。由于沥青混凝土直接受道碴的循环冲击作用和外界温度的变化作用，必须具有足够的强度、耐久性、高温稳定性和低温抗裂性，否则会引起沥青混凝土垫层的变形、局部变薄，上部道碴嵌入、下部受拉开裂失去防水功能等现象。因此，日本对混合材料的配合比、骨料粒径级配、级配碎石的质量、马歇尔试验的标准和施工时沥青混凝土的铺设程序和压实标准等都有严格的规定。为了沥青混凝土和道床碎石之间有一定的摩擦阻力，日本采用了“加热混合式粗粒径沥青混凝土”，按照日本道路的研究，沥青表层挠度超过0.5mm开始发生龟裂，超过0.6mm整个铺筑产生龟裂，而日本在高速铁路路基设计时，基床表层允许挠度为2.5mm，这是否会导致路基表层的开裂，经试验和分析认为，按日本公路5T轮重荷载的等值接触地面半径为18cm、挠度0.5mm的条件计算挠度角，又按铁路以振动力的作用半径为1200mm、挠度2.5mm的条件计算挠度角，结果表明，铁路的挠度角比公路的小，表明路基表面2.5mm变形不会引起沥青混凝土的开裂。我国在设计基床表层厚度和底层的刚度时，是按基床表层允许变形为3.5mm的条件进行的，是否会引起沥青混凝土的开裂，还需与沥青混凝土的刚度综合进行试验。图3、日本新干线路基基床断面图（V≤270km/h）3、强化路基基床表层对于高速铁路来说，控制路基表层的变形、路基的整体沉降以及防御外界各种不利因素对路基产生的破坏是路基设计的关健问题。分析路基的受力情况，有上部轨道结构的荷载、列车运营产生的震动力和路基土的自重，我国经过多次现场实测和计算分析认为，线路状态良好时，运营速度300km/h的高速铁路路基表层最大动应力在100KPa左右，呈子数曲线沿深度递减，深约2.0m～3.0m时动应力只有表层的5～10%，可以忽略不计，因此部分国家如我国和日本将该层定为基床，厚度为3.0m，设计中加强了基该层的强度和刚度。对基床表层，因直接接触道碴的压力和气温、雨水的作用，要求其应具有更高的强度、刚度，同时又应具有耐磨性和防水性，防止道碴嵌入等功能。为此，各国对该层进行了强化处理已成共认，如日本的“强化基床表层”、德国的“路基保护层”和法国的“垫层”等，都有很高的刚度，我国路基基床也划分出基床表层，进行强化设计。对于我国所称的“基床底层”，各国也都进行了划分，但的设计的观念和称呼有所不同，如日本将“强化基床表层”以下称为基床，德国将“路基保护层”以下称为路基表层，法国将“垫层”以下1.0m范围的路基称为路基表层。为清楚地表达各国进行强化的路基表层厚度，按我国习惯将各国强化层统称为基床表层，底层称为基床底层，将其厚度列于表（1）中，从表中可以看出，各国路基基床表层的厚度基本接近，但基床底层、即基床总厚度相差较多，这是因为各国均将基床表层和底层作一整体，对刚度和厚度进行互相协调的结果。各国铁路路基的基床厚度（V，Km/h）表（1）国家厚度（m）中国德国（新建主干线）法国（TGV）日本（新干线）V=200V=300V=300V=230V=270V=270基床表层0.5-0.70.70.70.5-0.70.3-0.550.3-0.65基床总厚2.53.02.52.01.53.0日本V≤270（km/h）的路基断面如图3表示，日本路基“强化基床表层”的特点是路面设有5cm厚的沥青混凝土、下面为级配碎石层，其中碎石要求级配良好、最大粒径不超过50mm、小于0.075mm的细粒含量为2%～10%，压实度要求Kh≥0.95。碎石层的厚度与线路标准、基床底层的地基系数K30有关。对于高速铁路，当基床底层土的K30≥110MPa/m时，级配碎石厚为45cm，当K30为70MPa/m～110MPa/m时，则级配碎石为75cm。1992年对标准进行了局部修改，基床低层的K30的要求仍没有变，而表层级配碎石层的厚度普遍又降低了10-15cm（见表2）。分析日本路基表层、底层的厚度和刚度的设计依据，日本参照公路和机场的研究结果，并在大型实物模型试验和有限元分析的基础上，确定了表层级配碎石的变形模量E1为180MPa，路基表面允许变形是以路面不产生结构破坏、乘车舒适和不引起道床移动等为条件，定出了基床表面允许变形值定为2.5mm，然后采用公路常用的Barber假定、设路基表层和底层为双层弹性体，用近似解法求解基床表层的厚度和基床底层的刚度E2，计算结果基本与修改后的基床表层厚度相近。日本路基表层的标准厚度表（2）基床底层土质条件沥青混凝土厚（cm）级配碎石厚（cm）新干线V≤270（km/h）普通铁路V≤160（km/h）无缝线路有缝线路K30≥110（MPa/m）530（45）15（25）30（45）70≤K30＜110（MPa/m）565（75）30（50）60（75）注：括号内的数字为1992年以前采用的设计值。德国1992年对“德国铁路土工建筑物规范”修改4次后，列出了时速230km/h的新建干铁路路基断面结构，该设计在道碴和路基之间设置了“路基保护层”，保护层由细粒含量小于5%的级配良好的碎石组成，小于0.02mm含量的不得大于2%，级配应满足级配曲线D85≥10mm、以防止道碴嵌入基床表层，同时要求渗透系数K≤1×10-6m/s，防止水份进入基床。德国为了保证填料的质量，碎石必须由有资质的工厂生产，另外，施工时压实标准要求也很高，如压实度为轻型击实试验的KL=1.03，相当于我国的Kh=0.98。表层的二次变形模量EV2=120MPa、底层EV2=80MPa，相当于我国的K30=240MPa和160MPa，以此提高基床的强度、刚度、抗冻性和抗腐蚀性。路基保护层下为基床表层，由细粒含量小于5%的级配碎石和级配砂砾石组成，压实参数KL=1.00，层底EV2=60MPa。路基保护层和基床表层的总厚度根据运营速度、运营量、霜冻等级和线路维修标准综合确定。由于德国冬季严寒，所以很重视霜冻对路基的影响，规范中将全国划分成三大霜冻区，规定了级配碎石层的足够厚度，以防止路基表层的冻胀或冻裂，引起路基中的细粒土浸入道床引起线路翻浆。如运营速度为230km/h时，路基保护层厚度为25cm，填石路堤的保护层和基床表层总厚为1.3m～1.5m，填土路堤保护层和基床表层的总厚度为50cm～70cm，如将这一厚度比作我国的基床部分，则这一设计厚度比我国的路基标准要低。经过了几年的使用，1999年对规范进行了修改和补充，大幅度的增加了基床厚度，将路基保护层和基床表层合在一起，不再分开处理，基床总厚度增加到2.0m，同时列入了时速300km/h的路基结构断面，基床总厚度为2.5m，基床保护层不分霜冻等级一律为70cm（见表3），在压实标准方面，同时在基面增加了动力模量EVd的检测标准，加强路面动刚度（见图4）图4、德国新建主干线V=300km/h路基结构示意图路基基床厚度表（3