高速鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結構

符慶宏，陳先華，蔡德鉤，楊 軍，楊國濤

(1.東南大學 交通學院， 江蘇 南京 211189；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081；3.中國國家鐵路集團有限公司 科技管理部， 北京 100844)

高鐵高平順性對鐵路路基的持久穩定性和變形控制提出了嚴格的要求[1]。盡管相關規范中嚴格規定了路基設計標準[2-3]，但運營期內降雨、溫度等氣候環境仍會使路基產生多種病害，降低路基的整體強度和長期穩定性，造成軌道結構不平順，嚴重威脅列車的安全運營[4]。現有無砟軌道結構路肩和線間的路基面通常設置纖維混凝土防水封閉層，然而此類剛性防水封閉層在使用一段時間后易不同程度開裂，造成防水效果不佳[5]。瀝青混凝土是一種柔性防水封閉材料，具有使用壽命長、養護成本低等諸多優點，是高鐵路基防護的一種有效措施。

德國、日本、法國、意大利、美國等已將熱拌瀝青混凝土應用于鐵路工程中，形成多種含瀝青混凝土層的軌下基礎結構型式，如瀝青混凝土墊層、強化基床表層和瀝青混凝土道床等，有效發揮了瀝青混凝土均勻分散和傳遞上部荷載、維持鐵路幾何線形、減少道砟污染、結構緩沖減振以及為路基提供持久防水保護等方面的有益效果[6-12]。如德國的GETRAC軌道結構中，采用厚15～35 cm的瀝青混凝土鋪筑于軌道板與水穩支承層之間。法國、意大利和西班牙高速鐵路中瀝青混凝土一般用于底砟層，厚度12～14 cm[8-9]。日本板式軌道中瀝青混凝土鋪設于軌道板底部CA砂漿層與級配碎石之間[11]。我國自上世紀開始，既針對傳統有砟軌道結構展開了瀝青道床的應用研究[13-14]，當前集中于高速鐵路瀝青混凝土技術的研究。如京津、遂渝和武廣等無砟軌道客運專線采用局部方案鋪設瀝青混凝土防水封閉層試驗段[15-16]；哈齊客專鋪設自密實瀝青混凝土(SCAM)局部防水封閉層試驗段，有效預防了高寒地區路基凍脹融沉等病害[17-19]；西南交通大學相關學者針對季冬區無砟軌道提出強化基床表層結構等[20-21]。

雖然國內外相關學者基于相關工程試驗段對鐵路瀝青混凝土開展了一定的研究，但國外鐵路瀝青混凝土多應用于有砟軌道底砟層結構，國內多個路基面防水層混合料(SAMI)工程試驗段的實施效果也未達預期目標，自密實瀝青混凝土雖實施效果較好，但應用成本較高。且當前高速鐵路瀝青混凝土防水封閉層主要采用的是局部方案，使得防水封閉層與底座板立面間存在接縫等薄弱環節，影響防水性能。本文提出一種高速鐵路全斷面瀝青混凝土封閉結構(FSACWSS)，因其全斷面鋪設于基床表層和底座板之間，使得底座板或構造物立面接縫等問題可以避免，整體防水性更好。該結構兼具防排水和承重功能，因此瀝青混凝土材料應具有良好的功能性、結構性和耐久性。基于此，設計了1種碾壓密實高模量瀝青混凝土材料(HEMAC)，并通過多組室內試驗評估其使用性能。最后，將該結構和材料應用于某高鐵客運專線試驗段，通過現場跟蹤監測和工后調研進一步分析了其防水封閉特性和軌道結構的動力響應等，為推廣應用提供基礎。

1 FSACWSS

1.1 結構及材料

高速鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結構是在基床表層與混凝土底座之間熱拌熱鋪一定厚度碾壓密級配瀝青混凝土，形成的層狀防水封閉結構，大致結構形式如圖1所示。與傳統局部方案中瀝青防水封閉方法相比，其顯著特點在于全斷面鋪設，整體防水性進一步得到加強。

圖1 全斷面瀝青混凝土防水封閉結構示意圖

由于瀝青混凝土采用全斷面鋪設，既是路基防排水體系的重要組成部分，也要承受上部軌道結構和列車荷載的作用，因此瀝青混凝土材料應具備如下基本功能：①致密不透水，表面應平整密實，利于水的快速排出；②具有優良的抗疲勞性能，承受列車荷載反復作用；③能在外界環境與列車荷載長期作用下保持較高的抗變形性能；④具有較高的模量以滿足結構的承載要求；⑤與軌道板基座緊密結合，避免脫層或滑移；⑥具有良好的耐久性，不因光、熱、水以及荷載等因素的作用而出現氧化、碎裂等病害；⑦具有良好的溫度穩定性，在高溫天氣里保持較高的抗變形性能，在低溫季節具有較強的低溫柔韌性及松弛能力，以滿足抗反射裂縫與適應不均勻凍脹的能力。以上基本功能要求亦是材料設計的關鍵。

通過調整優化瀝青性能、礦料級配及空間結構、瀝青—集料界面粘結性、油石比等，結合室內試驗，反復試配，設計確定了用于全斷面鋪設的碾壓密實高模量瀝青混凝土HEMAC。所選用的原材料包括SBS改性瀝青、石灰巖集料和石灰巖礦粉。其中按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[22]測得的SBS改性瀝青的基本性能結果見表1，均能滿足所提出的技術指標要求[23]。

表1 SBS改性瀝青基本性能

配合比設計采用JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》[24]中規定的馬歇爾試驗設計方法確定。以中粒式密級配瀝青混凝土AC-20為基礎，初定中值級配、上中值級配以及下中值級配為目標合成級配，分別成型AC-20馬歇爾試件，比較其體積參數和穩定度，最終確定的礦料級配曲線如圖2所示的合成級配。通過成型不同油石比(3.5%，4.0%，4.5%，5.0%以及5.5%)的馬歇爾試件分別測試其體積參數、馬歇爾穩定度及流值等，試驗結果見表2。根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》中的方法，確定碾壓密實瀝青混凝土的最佳油石比為4.5%。

圖2 HEMAC礦料級配曲線

1.2 使用性能評估

根據高速鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結構的功能要求，按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》在防水封閉性、承載性、低溫抗裂性、結構安全性、耐久性5個方面對所設計的HEMAC的使用性能開展室內試驗。部分試驗試件及裝置如圖3所示。其中結構安全性是通過制備水泥混凝土與瀝青混凝土的復合試件，利用室內拉壓裝置分別對復合試件的界面抗拉強度和抗剪強度進行測試，如圖3(e)和(f)所示。試驗結果見表3。由表3可知，HEMAC的各項技術指標均能夠滿足所提出的技術要求，可用于全斷面瀝青混凝土防水封閉結構工程實施。

表2 不同油石比馬歇爾試件的試驗結果

圖3 室內評估試驗試件和裝置

2 FSACWSS的工程應用

2.1 工程概況

FSACWSS工程試驗段位于河南開封，起止樁號K51+860和K51+930，全長70 m，試驗段斷面圖如圖4所示。試驗段基床表層全斷面鋪設6 cm厚高模量瀝青混凝土HEMAC，同時底座板厚度適當減為24 cm，試驗段于2015年9月下旬完成施工。

表3 HEMAC的使用性能評估結果

圖4 FSACWSS試驗段斷面圖(單位：m)

2.2 關鍵施工工序

FSACWSS按圖5所示的總體流程施工，采用分幅分次攤鋪，施工間隔時間盡量縮短，做到連續施工。

(1) 透層瀝青灑布前對路基面設計高程核驗，并清掃表面浮渣；

(2) 采用瀝青灑布車按設計用量一次噴灑透層瀝青并養護；

圖5 FSACWSS的施工工序

(3) 采用瀝青拌合站的間歇式拌和機拌制瀝青混凝土，并嚴格控制拌合溫度；

(4) 采用自卸卡車運輸，并采取有效的保溫措施，保證到場溫度要求；

(5) 采用履帶式攤鋪機進行瀝青混凝土攤鋪，并輔以人工攤鋪；

(6) 采用鋼—膠—鋼—鋼的組合方式進行初壓、復壓、終壓及成型，并嚴格控制碾壓溫度；

(7) 封鎖交通使瀝青混凝土自然養護成型。

2.3 監測傳感器布置

為驗證FSACWSS的防水封閉效果，同時檢驗含瀝青混凝土軌道結構的受力變形特性是否滿足無砟軌道相關技術要求，在施工過程中同步安裝了長期性能監測和路基動力性能測試系統，如圖6所示。長期性能檢測包括：基床表層含水量、封閉結構溫度和變形、底座板位移等；路基動力性能測試包括：路基和底座的加速度、動變形等。

圖6 FSACWSS試驗段監測剖面傳感器布置

3 FSACWSS試驗段服役特性

3.1 軌道結構動力性能

2016年4月聯調聯試階段，開展了無瀝青混凝土防水封閉結構的標準路基段(A段)和瀝青混凝土工程試驗段(B段)的軌道結構動力性能，包括軌道結構的穩定性和結構振動特性。

3.1.1 軌道結構穩定言

軌檢車通過各段最高運行速度及脫軌系數、減載率等參數實測結果見表4。由表4可知，瀝青混凝土試驗段與標準路基區段各參數相當，兩者均能夠滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》[25]中所提出的列車運行穩定性指標。

表4 實測A，B段軌道安全參數幅值

3.1.2 軌道結構振動

實測各段軌道結構振動加速度結果見表5。由表5可知：加速度隨速度提高而增加；B段軌道板加速度隨速度增加不顯著，而底座的加速度增加顯著；B段底座和軌道板振動加速度幅值略大于A段，這是因為B段結構設計中瀝青混凝土封閉結構是以同厚度取代了底座板，使得底座剛度削弱，不利于軌道受力。后續工程應用中建議不削弱底座板，而采用瀝青混凝土同厚度取代基床表層的方法。

表5 實測各段軌道結構振動加速度幅值

3.2 試驗段路基動態測試結果

瀝青混凝土試驗段路基動態測試系統中在南側路肩設置了2個測試點(位于K51+910和K51+913斷面)，分別監測列車通過時路基表面動變形和振動加速度，以評價路基動力性能是否滿足TB 10761—2013《高速鐵路工程動態驗收技術規范》的要求，即路基動變形不大于0.22 mm，振動加速度不大于10 m·s-2。

瀝青混凝土封閉結構試驗段實測路基表面動變形如圖7所示，路基表面振動加速度如圖8所示，其動力特性統計見表6。可見，動變形隨車速提高變化不明顯，路堤基床表面動變形幅值為0.20 mm，2個測試點差別不大，均滿足規范要求；路基表面振動加速度2個測試點差別亦不大，峰值加速度約為0.54 m·s-2，遠小于規范限值。

3.3 試驗段服役特性調研

2016年4月聯調聯試期間，相關人員對試驗段進行跟蹤調研，認為瀝青混凝土防水封閉結構試驗段的總體情況良好，表面密實完整，未發現開裂、松散和剝落等情況，瀝青混凝土與底座板和沿線構造物的接縫良好，未發現接縫開裂情況。2017年7月6日至7月9日期間，再次開展瀝青混凝土防水封閉結構使用現狀調研，同時對鄰近纖維混凝土防水封閉結構(樁號：K51+639—K51+860，以下稱對照段)的服役現狀進行調研。本節主要分析此次調研的結果。

圖7 實測試驗段路基表面動變形 (單位: mm)

圖8 實測試驗段路基表面振動加速度 (單位: m·s-2)

表6 路基表面動力特性統計表

3.3.1 試驗段整體狀況

瀝青混凝土防水封閉結構試驗段路肩與線間狀況如圖9所示。其總體情況良好，無剝落、松散、坑槽等病害；表面密實完整，防水效果好，無基床軟化、翻漿冒泥等病害出現。

圖9 FSACWSS試驗段整體狀況

3.3.2 試驗段裂縫

試驗段兩側路肩、線間瀝青混凝土封閉結構與底座板、構造物等接縫情況良好，全長范圍內僅在底座板接縫處產生無規則分布裂縫，調研結束后已進行瀝青灌封修補(如圖10)，表現出良好的可維護性。經統計分析，裂縫長度一般為30～50 cm，寬度約3～5 mm，裂縫深度約3～6 mm，可能是因為底座板溫縮引起瀝青混凝土的被動拉伸所致，需進一步研究。

3.3.3 對照段服役現狀

鄰近纖維混凝土對照段調研可知：纖維混凝土與底座板板邊接縫良好，但在路肩和線間發現較多的溫縮裂縫；北側路肩以構造物邊緣斜向裂縫、橫向裂縫為主；線間橫向裂縫、縱向裂縫和網狀裂縫均存在；全長范圍內發現少數的橫向裂縫和構造物支座角隅斜裂縫，如圖11所示，將嚴重影響防水效果。

3.4 長期監測結果

3.4.1 含水量

試驗段和對照段在2015年12月29日至2017年7月7日期間含水量的監測數據如圖12所示。由圖12可知：瀝青混凝土試驗段的防水封閉效果比纖維混凝土對照段好；試驗段路肩中心含水量隨天氣影響并不明顯，基本維持在8%～18%之間，而對照段基床表層含水量受天氣的影響極為顯著，多個測點處的監測數據出現了大幅度波動，含水量在10%～35%之間，峰值可達試驗段的近3倍，這正是纖維混凝土防水層出現眾多開裂，雨水下滲引起。

圖10 FSACWSS現狀及裂縫修補

圖11 對照段纖維混凝土部分開裂模式

圖12 含水量監測值

3.4.2 溫度

試驗段和對照段在2015年12月29日至2017年7月7日期間溫度的監測數據如圖13所示。對比圖13(c)中的溫度監測數據可知，由于瀝青混凝土的吸熱能力較普通纖維混凝土強，瀝青混凝土層在路肩中心處的溫度幅值較纖維混凝土大，夏季最高溫度兩者分別約為65和50 ℃，相差15 ℃，且瀝青混凝土溫度隨氣溫的波動性明顯更大。但底座板邊緣和下方的瀝青混凝土(圖13(b)和(c))由于被上部結構覆蓋，其溫度差異并不明顯，可推斷位于底座板下的瀝青混凝土受環境影響較小，其耐候性能更優。

圖13 剖面不同位置溫度監測值

3.4.3 變形

圖14所示為2015年12月29日至2017年7月7日期間底座板水平位移的監測結果。由圖14可知，試驗段K51+901剖面處垂直于鐵軌方向底座板的水平位移幅值約-1.15 mm(負值表示底座板向線間方向移動)。對照段K51+807剖面處垂直于鐵軌方向底座板的水平位移幅值約0.78 mm(正值表示底座板向路肩方向移動)。

圖14 各剖面垂直軌道方向底座板水平位移監測值

圖15所示監測期內試驗段瀝青混凝土/對照段基床表層豎向位移的監測結果。由圖15可知，不同剖面處底座板下方和邊緣的瀝青混凝土/基床表層在列車荷載長期作用下均出現豎向變形；試驗段K51+901處底座板下方和邊緣的豎向變形幅值分別為-0.5和-2.3 mm；對照段K51+807處底座板下方和邊緣的豎向變形幅值分別為-1.2和-0.4 mm。總體上，瀝青混凝土試驗段的長期變形較纖維混凝土對照段相應位置處的變形大，可能是因設計中削弱底座板所致，但均滿足規范要求。

圖15 各剖面不同位置豎向變形監測值

4 結 論

(1)基于FSACWSS的工作環境，分析該結構技術特點及功能要求，設計了碾壓密實高模量瀝青混凝土HEMAC，并通過室內試驗評估材料的防水封閉性、承載性、低溫抗裂性、結構安全性以及耐久性，結果表明其各項性能均滿足使用要求。

(2)軌道和路基動態測試結果表明：瀝青混凝土試驗段與典型路基區段軌道結構受力變形相當，均滿足列車運行穩定性指標；試驗段路堤基床表面動變形幅值為0.20 mm，路堤基床振動加速度峰值為0.54 m·s-2，均滿足規范限值要求。

(3)現場調研結果表明：試驗段與底座板和構造物接觸總體情況良好，表面密實完整，無松散剝落、基床軟化等病害；在底座板溫度伸縮縫處有數條無規則分布裂縫，可采用瀝青灌封修補，具有較高的可維護性；纖維混凝土對照段在路肩和線間出現較多的橫向裂縫、網狀裂縫以及角隅裂縫，嚴重影響其防水封閉性。

(4)含水量、溫度及變形的長期監測結果表明：試驗段基床含水量隨降雨的波動小，基本維持在8%～18%之間，而對照段基床含水量受降雨的影響顯著，含水量高達10%～35%，峰值約為試驗段的3倍；試驗段在路肩和底座板邊緣處的封閉層溫度幅值大于對照段，但在軌道下方兩者差異不明顯；試驗段底座板水平位移監測值與對照段相當，豎向變形值總體上稍大于對照段，均滿足沉降要求。