國外鐵路道床瀝青層的應用

郭 晨

(中國土木工程集團有限公司，北京100038)

自從19世紀鐵路和蒸汽機車出現以來，鐵路的發展已經橫跨三個世紀。其中，在過去的四五十年里，鐵路道床中熱拌瀝青層的使用在鐵路運輸發達國家逐漸增多，拓展了傳統全顆粒道床設計，并正成為國際鐵路道床設計中的一種常見選擇。目前中國鐵路尚未在道床中使用瀝青層，但在國家“走出去”海外戰略指引下，中國建筑企業參與的某些國際鐵路工程涉及到了瀝青層的施工，這需要我們積極研究和認識瀝青層在國際鐵路道床中的應用情況。本文通過對美國、意大利、日本、法國、西班牙、德國等六個國家鐵路道床中瀝青層的應用分析，充分認識世界鐵路道床結構的發展現狀。

1 美國瀝青道床的應用

1.1 應用背景

1980年美國鐵路貨運行業解除管制以來，交通量、噸英里收入、軸荷載、載重量已發展到了前所未有的水平。這客觀上促使高質量更耐久的軌道和道床結構研究的復蘇。為了解決重噸位的貨運鐵路既有道床不穩定問題和道床維護量大的問題，幾個美國鐵路公司和瀝青攤鋪行業發展了道床內使用熱拌瀝青混合料代替部分傳統粒狀材料的設計和應用。最終這種設置瀝青層的維修方法發展成鐵路修復改造過程中普遍使用的方法，特別是在傳統道床及其路基經常維修的地方設置瀝青層，如道岔、鐵路道口、路基橋臺過渡段、缺陷檢測器、駝峰軌道、隧道內和隧道口、公路道口等。由于這種瀝青層的優越表現，道床中設置瀝青層已作為一種設計應用于新干線軌道、貨場和站場建設。

1.2 結構設計

典型的美國瀝青道床示意圖如圖1所示。瀝青層約3.7 m寬、約12.5～15 cm厚，在條件不好地段也常設計成20 cm。上層的道碴厚度通常為20～30 cm。此外延伸出兩種設計，一是下面敷設稍厚的底碴層，其上的瀝青層厚度可減小，如圖2所示；二是無面碴，由厚瀝青層當面層，兩側圍護的道碴僅起到抑制軌枕橫向和縱向位移的作用，如圖3所示。其中第一種應用最普遍，第二種次之，第三種應用最少。瀝青層成分類似于公路建設中普遍使用的瀝青層。典型的瀝青混合料的規格是普通稠密等級的公路瀝青基層混合料，其最大骨料粒徑為25～37.5 mm。

1.3 功能與優點

(1)提高道床的承載力，改善應力分布狀態；

(2)對道床起到隔水和加強的作用；

(3)減少后續道床維修次數和費用，特別是對于路基需要經常維修的地段。

圖1 美國無顆粒底碴層的瀝青道床

圖2 美國含瀝青層和底碴層的混合瀝青道床

圖3 美國含厚瀝青層和底碴層的無面碴道床

2 意大利瀝青道床的應用

2.1 應用背景

意大利國家鐵路公司一直進行著高速鐵路網瀝青道床的研究和應用。意大利的高速鐵路網由東西線和南北線組成，其中第一條高速鐵路線是20世紀70年代開始建設的羅馬至佛羅倫薩線。在施工過程中，意大利鐵路公司確定高速鐵路線路所需的支撐道碴的最低承載力為180 MPa，并提出了砂礫水泥料和瀝青混合料2種支撐材料。比較兩種施工材料，在碎石材料的節省方面和材料長途運輸等方面，瀝青混合料方案優勢明顯。同時由于瀝青混合料方案具有防止雨水滲透到路基下層、消除路堤高應力荷載和防止路堤失效、防止路堤本體最上部冷凍和解凍發生、逐漸分散由列車引起的靜態和動態應力、消除道碴污垢等功能，瀝青混合料方案應用于羅馬至佛羅倫薩線及所有新建高速線。

2.2 結構設計

意大利的高速鐵路瀝青道床橫截面如圖4所示。路堤本體不超過50 cm厚度，具有40 MPa的最低承載力。路堤上為厚度30 cm、最低承載力80 MPa的超壓層。超壓層由沙/礫石混合物組成，能承受高速列車施加的重復荷載。超壓層以3.5 %橫坡設置，能作為防滲層以幫助攔截和分流地表水。瀝青底碴層填筑在超壓層上，厚度為12 cm，寬度約為14 m，由含0.25 cm最大骨料粒徑的瀝青混合物組成，具有200 MPa的最低承載力。

圖4 意大利高速鐵路橫斷面示意

2.3 功能與優點

(1)由于提高了承載力和均勻性，提高了安全性和結構的可靠性；

(2)降低路基疲勞，從而減少下部結構壽命周期內的成本；

(3)在縱向剖面上增強了軌道承載能力的均質化，更好地限制了道碴；

(4)改善了排水從而減少了道碴的污染；

(5)降低整個軌道的振動水平從而降低噪音；

(6)相比傳統全顆粒道床設計減小了厚度。

3 日本瀝青道床的應用

3.1 應用背景

為了建設高速鐵路，1960年以來日本在某些試驗段使用瀝青道床。1970年后帶道碴覆蓋層的瀝青道床已經是新建鐵路的一個標準了，在高速鐵路和常規鐵路上廣泛應用。在1978年制定的《土工結構物設計標準》提出的兩種強化基床表層的方法，一種是路基表層采用強度高又不透水的水硬性級配高爐爐碴碎石層，另一種就是級配碎石層上鋪5 cm厚的瀝青混凝土。

3.2 結構設計

日本瀝青道床根據性能等級劃分有兩種類型。一種是無碴瀝青道床，如圖5所示，混凝土軌枕直接設置在瀝青混凝土底座板上。瀝青混凝土底座及其下層的級配良好的碎石層厚度均為15 cm。它被認為是質量最高的道床，它能阻止軌道沉降、鋼筋混凝土基礎的破損、疲勞損傷、開裂、收縮、熱應力等。主要用于高架橋鐵路和隧道鐵路上，顯著特點是噪音低。

圖5 日本無碴瀝青道床

另一種類型是有碴瀝青道床，如圖6所示，瀝青混凝土層厚度為5 cm，其上的道碴厚度為25～30 cm，其下層的級配良好的碎石層厚度為15～60 cm。這種設計中的瀝青層有利于分散荷載和排水，已經在日本使用超過30年。設計時主要考慮的是軌道的沉降和瀝青的疲勞損傷問題。

圖6 日本有碴瀝青道床

3.3 功能與優點

(1)作為防水層，有助于降低與路基涌水造成的道碴污染有關的后續維護成本；

(2)為道碴提供穩固的支持并減少軌道的不平順。

4 法國瀝青道床的應用

4.1 應用背景

2007年TGV東線第一段巴黎至斯特拉斯堡試驗最高時速達到574.8 km，創造了鋼輪式高速鐵路新的世界紀錄。法國在這條線上設置了一條3 km長的含瀝青底碴層試驗段，開展四年的現場測試以確定瀝青底碴層是否能成為未來高速鐵路下部結構設計的一種選擇。

4.2 結構設計

法國高速鐵路試驗段有碴瀝青道床如圖7所示。傳統橫斷面由30 cm道碴和其下的20 cm底碴組成。道碴和底碴鋪設在50 cm厚的石灰巖骨料上。而有碴瀝青底道床去掉了50 cm厚石灰巖骨料，代之以14 cm厚的瀝青底碴和20 cm厚的調節層。

圖7 法國有碴瀝青道床

該試驗段先壓實20 cm調節層，施工方法是在路基14.5 m總寬度上鋪設1.5 kg/m2比例的液態瀝青面料層再覆蓋細碎石。面料層的目的是保護調節層免受施工車輛的影響，同時改善寒冷或潮濕等的惡劣天氣的地面排水條件。然后以兩個5.35 m寬的分別鋪設總寬度10.7 m的瀝青底碴層，壓實度需要達到96 %。最后以一層0.8 kg/m2比例的液態瀝青封存，并以細骨料覆蓋瀝青底碴層。

4.3 功能與優點

(1)保護路基免受道碴壓壞和雨水侵蝕，保護路基不受凍害影響；

(2)使路基土受力均勻，提高路基整體穩定性；

(3)路基填料標準要求高、整體剛度大，降低了道床整體厚度。

5 西班牙瀝青道床的應用

5.1 應用背景

西班牙鐵路公司在馬德里-巴利亞多利德高速客運專線和巴塞羅那-法國邊境高速客貨線進行了1 km長瀝青底碴層試驗段研究。該試驗段全面配備了眾多變形測定器、土壓力盒、溫度傳感器和土壤濕度傳感器，在客貨混合交通條件下商業運行4年進行監控(高速列車300 km/h，貨運列車最高速度120 km/h)，以確定是否用于未來規劃建設的超過2 000 km高速線路。

5.2 結構設計

西班牙高速鐵路瀝青道床結構如圖8所示。該試驗段的結構設計是由一層12～14 cm厚的瀝青底碴施加在一層最小厚度為35 cm的形成層或防霜凍層，并進行連續四年的監測試驗。

圖8 西班牙高速鐵路瀝青道床

5.3 功能與優點

(1)作為防水層，使路基土體常年或永久保持最佳含水率，極大降低路基病害；

(2)道床整理性能好，有效控制不均勻沉降，在高速列車下減弱軌道的振動；

(3)有效降低道床結構的維修成本。

6 德國瀝青道床的應用

6.1 應用背景

德國最早的瀝青無碴軌道系統建于20世紀70年代。隨著軌道下部結構的發展，為了降低維護成本和節約天然資源，德國鐵路局開展了傳統有碴軌道設計的替代方法。最終確定了無碴軌道板設計方案，特別是適用于德國新的高速列車軌道設計。

6.2 結構設計

德國GETRAC是目前最新的瀝青無碴軌道系統，如圖9所示。由混凝土軌枕或板式無砟軌道和26～35 cm厚的瀝青層組成。GETRAC軌道系統的最主要特征是使用瀝青支持層為混凝土軌枕提供直接支撐。軌枕通過特殊的混凝土錨塊彈性地連接到瀝青層上，混凝土錨塊將來自軌盤的縱向和橫向作用力轉移到瀝青層上，維持適當的軌道幾何線形而不需要面層道碴。

GETRAC系統有A1和A3兩種不同的設計。GETRAC A1采用了2.6 m長的正常寬度的預應力混凝土枕。GETRAC A3采用了2.4 m長的略寬預應力軌枕，適用于如既有隧道等狹小的空間。此外GETRAC A3的設計中使用的混凝土軌枕有一個較大支承面可以減小軌枕和瀝青之間的單位接觸壓力，從而減少了所需的5 cm厚瀝青層。這更利于既有隧道升級改造時滿足凈空高度要求。

圖9 德國鐵路Getric瀝青道床

6.3 功能與優點

(1)提高道床防護能力，降低路基維修成本；

(2)GETRAC系統便于簡單快速安裝，適用于緊急快速維修，大量用于高速鐵路的升級改造。

7 小結

綜合以上六個國家鐵路道床瀝青層的應用情況可見，瀝青層應用的出發點在于兩點。一是從降低既有鐵路維修次數和成本出發，提高路基的防水、防霜凍、防不均勻沉降能力，減少道碴的磨耗，提高軌枕和鋼軌的疲勞壽命。二是從建設高速鐵路需要出發，強化基床表層，提供整體性能更好的道床，有效保持軌道的幾何線形。

[1] Buonnano, A.(2000) The Use of Bituminous Mix Subballast in the Italian State Railways. 2nd Eurasphalt&Eurobitume Congress Barcelona

[2] G. ROSE, JERRY. S. ANDERSON, JUSTIN. “Long-term performance of asphalt underlayment trackbeds for special trackbed applications.”

[3] G. ROSE, JERRY. TEIXEIRA, P.F. E. RIDGWAY, NATHAN “Utilization of Asphalt/Bituminous Layers and Coatings in Railway Trackbeds-A Compendium of International Applications”

[4] P.F.TEIXEIRA, P.A.FERREIRA, A.LPEZ PITA, C.CASAS, AND A.BACHILLER.“The Use of Bituminous Subballast on Future High-Speed Lines in Spain: Structural Design and Economical Impact”