高速鐵路路基地段雙塊式無砟軌道線間排水優(yōu)化

劉永存

(1.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢 430063； 2.鐵路軌道安全服役湖北省重點(diǎn)實(shí)驗室，武漢 430063)

現(xiàn)代鐵路軌道結(jié)構(gòu)類型主要有兩種：有砟軌道和無砟軌道。無砟軌道由于具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、耐久性、少維修性、長期經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)特點(diǎn)，因而在高速鐵路中得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。近年來，隨著國內(nèi)多條高速鐵路交付運(yùn)營，取得了良好的社會效益，但在運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)了不少質(zhì)量通病，整治過程中耗費(fèi)大量的精力、物力及財力，也給高速鐵路安全運(yùn)營帶來了一定隱患。

基床表面翻漿冒泥是高速鐵路主要病害之一[4]。對于無砟軌道路基，若線間排水不暢，地表水滯留在兩線間(圖1)，而兩線間以及路肩封閉層又設(shè)置了大量的縱、橫向伸縮縫，雨水便沿著封閉層伸縮縫滲入到混凝土底座下部的級配碎石層中。在高速列車的振動作用下，級配碎石層中自由水產(chǎn)生較高的壓力，引起承壓水從伸縮縫消散的同時，也流失了級配碎石層中細(xì)顆粒。隨著泵吸作用的加劇，細(xì)顆粒不斷流失，最終導(dǎo)致級配碎石層翻漿冒泥[5-7]。如圖2所示。

圖1 無砟軌道線間封閉層積水

圖2 無砟軌道線間翻漿冒泥

以國內(nèi)廣泛應(yīng)用的CRTS雙塊式無砟軌道為例，結(jié)合近年來路基無砟軌道防排水的研究成果[8-14]和既有線病害整治經(jīng)驗[15-19]，對線間防排水進(jìn)行系統(tǒng)研究，為無砟軌道防排水設(shè)計提供參考。

1 既有排水方案概況

路基地段CRTS雙塊式無砟軌道結(jié)構(gòu)由鋼軌、WJ-8B扣件、SK-2型雙塊式軌枕、道床和支承層等組成。根據(jù)排水方式不同，分線間設(shè)置集水井和線間填平處理兩種方案。由于線間填平處理方式僅適用于直線地段無砟軌道線間排水，而且存在鋼軌銹蝕、后期病害由于封閉層覆蓋難以察覺等問題，目前已經(jīng)很少采用。

線間設(shè)置集水井方案沿線路方向每隔約50m設(shè)置1處集水井，線間排水采用防排相結(jié)合方式。

防水方面：線間采用C25素混凝土封閉，最小厚度為100 mm。C25素混凝土每隔5m左右設(shè)置1處橫向伸縮縫。伸縮縫寬度為20 mm，深度為C25素混凝土厚度，采用閉孔聚乙烯塑料泡沫板填充，并采用硅酮填縫密封材料密封，密封材料尺寸為20 mm(深)×20 mm(寬)。C25素混凝土與支承層、底座(端梁范圍)縱向交界處，預(yù)留20 mm(深)×15 mm(寬)的縱向縫，采用硅酮填縫密封材料密封。

排水方面：道床板表面設(shè)置2%的排水坡，支承層兩側(cè)設(shè)置16%的排水坡。線間封閉層混凝土橫向設(shè)置10%的排水坡，縱向坡度設(shè)置與線路縱坡一致。區(qū)間線間排水設(shè)計見圖3。

圖3 既有區(qū)間路基線間排水方案(單位：mm)

受高鐵線路縱坡值的影響，位于小坡度值段的路基線間封閉層容易產(chǎn)生積水滯留，在高速運(yùn)行動車組反復(fù)動應(yīng)力影響下，是導(dǎo)致積水下滲，路基基床表面出現(xiàn)翻漿冒泥的主要原因。為避免路基地段無砟軌道線間封閉層積水，減少運(yùn)營后線路路基病害，需對路基地段線間排水進(jìn)一步優(yōu)化。

2 防水方案優(yōu)化

2.1 線間采用纖維混凝土

素混凝土能夠滿足線間封閉要求，但由于混凝土材料脆性大、變形適應(yīng)能力差，導(dǎo)致防水封閉層易開裂，高速列車動荷載作用下將加速混凝土結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展，降低其使用壽命。因此，可通過采取適當(dāng)?shù)拇胧p少微裂縫的發(fā)生、抑制裂縫的擴(kuò)展，使裂縫存留在允許的范圍內(nèi)。

目前纖維混凝土已廣泛運(yùn)用于高速鐵路橋面防水層、隧道二襯、軌枕以及電纜槽蓋板中[20]，但運(yùn)用于線間封閉層卻很少。根據(jù)武廣高速鐵路隧道內(nèi)應(yīng)用情況，纖維混凝土可改善早期抗裂性能、抑制后期裂紋發(fā)展及從整體上改善混凝土的服役期工作性能，應(yīng)用纖維混凝土襯砌工作性能及外觀效果較好[21]。鑒于封閉層素混凝土存在同樣的缺陷，通過采用纖維混凝土可極大提高線間防水性能。

2.2 優(yōu)化封閉層橫向切縫嵌縫材料尺寸

既有方案線間C25素混凝土封閉層每隔5m左右設(shè)置1處橫向伸縮縫。伸縮縫寬度為20 mm，深度為C25素混凝土厚度，采用閉孔聚乙烯塑料泡沫板填充，并采用硅酮填縫密封材料密封，密封材料尺寸為20 mm(深)×20 mm(寬)。為增強(qiáng)嵌縫材料的密封防水性，可將嵌縫優(yōu)化成T形，詳見圖4。

圖4 線間封閉層橫向切縫嵌縫結(jié)構(gòu)(單位：mm)

2.3 集水井附近配筋加強(qiáng)

目前線間集水井兩側(cè)封閉層普遍存在開裂現(xiàn)象，主要由于集水井位置消減了封閉層尺寸，產(chǎn)生應(yīng)力集中所致。為避免集水井兩側(cè)封閉層橫向開裂，可對集水井兩側(cè)封閉層通過設(shè)置鋼筋網(wǎng)片進(jìn)行加強(qiáng)。

3 排水方案優(yōu)化

3.1 加厚封閉層并在封閉層頂面形成縱坡排水

(1)當(dāng)線路縱坡i‰<2‰時，考慮到小坡度段的路基線間封閉層容易產(chǎn)生積水滯留，可對其進(jìn)行優(yōu)化，具體如下。

①當(dāng)線路縱坡i‰=0(平坡地段)時，在兩集水井中部設(shè)置放坡頂點(diǎn)，往兩側(cè)集水井設(shè)置2‰的縱坡進(jìn)行排水。封閉層厚度為一變值，放坡頂點(diǎn)處封閉層厚度為15 cm，集水井處封閉層厚度為10 cm，如圖5所示。

圖5 i ‰=0地段封閉層縱斷面(單位：mm)

②當(dāng)線路縱坡02‰)。封閉層厚度為一變值，集水井處封閉層厚度為10 cm，如圖6所示。

圖6 0

③當(dāng)線路縱坡1‰≤i‰<2‰時，在距較高側(cè)集水井5 m處設(shè)置放坡度頂點(diǎn)。放坡頂點(diǎn)至較低側(cè)集水井間封閉層頂面設(shè)置2‰坡，放坡頂點(diǎn)至較高側(cè)集水井間封閉層頂面設(shè)置j‰坡(j‰>2‰)。封閉層厚度為一變值，放坡頂點(diǎn)處封閉層厚度最大為14.5 cm，集水井處封閉層厚度為10 cm，見圖7。

圖7 1‰≤i ‰<2‰地段封閉層縱斷面(單位：mm)

(2)當(dāng)線路縱坡i‰≥2‰時，可維持既有方案，縱向坡度設(shè)置與線路縱坡一致，見圖8。

圖8 i ‰≥2‰地段封閉層縱斷面(單位：mm)

加厚封閉層并在封閉層頂面形成縱坡排水可有效增強(qiáng)排水效果，現(xiàn)場實(shí)施的關(guān)鍵在于坡度控制，施工時須加強(qiáng)線間封閉層縱向排水坡度的施工質(zhì)量控制，確保封閉層頂面縱向排水坡度不小于2‰，避免出現(xiàn)局部反坡或低洼。

3.2 加厚封閉層并在封閉層內(nèi)部設(shè)置排水明溝排水

既有線線間封閉層病害整治中曾通過線間開槽、澆筑纖維混凝土并設(shè)置明溝方式排水[16]。鑒于改造過程中局部地段需清除部分基床表層級配碎石，排水明溝嵌入基床表層，破壞了基床表層的整體性及密實(shí)度，結(jié)合部一旦形成積水下滲將產(chǎn)生新的病害，新線不宜采用，需對其進(jìn)行優(yōu)化。

結(jié)合既有線無砟軌道病害整治經(jīng)驗，對線間排水方案進(jìn)行優(yōu)化：加厚線間封閉層，同時根據(jù)線路條件(直線或曲線、平坡或坡道、集水井設(shè)置位置等)在封閉層內(nèi)部增設(shè)排水明溝排水(圖9)。

圖9 無砟軌道線間排水明溝

(1)路基平坡地段(i‰=0)無砟軌道線間封閉優(yōu)化方案

路基平坡地段封閉層混凝土統(tǒng)一增厚至150 mm，并在線路中心線位置增設(shè)R=150 mm圓形排水明溝。圓形排水明溝內(nèi)設(shè)置2‰縱坡進(jìn)行排水，深度為一變值，由相鄰兩集水井中心向集水井位置遞增，兩集水井中部位置圓形排水明溝深度為0，集水井位置圓形排水明溝深度為50 mm，詳見圖10～圖14。

圖10 直線平坡地段線間封閉層設(shè)計(無集水井地段，單位：mm)

圖11 直線平坡地段線間封閉層設(shè)計(有集水井地段，單位：mm)

圖12 曲線平坡地段封閉層設(shè)計(無集水井地段，單位：mm)

圖13 曲線平坡地段封閉層設(shè)計(有集水井地段，單位：mm)

圖14 平坡地段線路中心線位置縱斷面(圓形排水明溝斷面，單位：mm)

(2)路基縱坡地段(i‰>0)無砟軌道線間封閉優(yōu)化方案

路基縱坡地段無砟軌道線間封閉層混凝土統(tǒng)一增厚至150 mm，并在線路中心線位置增設(shè)R=150 mm圓形排水明溝，圓形排水明溝坡度與線路縱坡一致，溝深50 mm保持不變，詳見圖15。

圖15 縱坡地段線路中心線位置縱斷面(圓形排水明溝斷面，單位：mm)

加厚封閉層并在封閉層內(nèi)部設(shè)置排水明溝排水同樣可以有效增強(qiáng)排水效果。與加厚封閉層并在封閉層頂面形成縱坡排水方案相比，封閉層內(nèi)部設(shè)置排水溝方案更容易產(chǎn)生裂縫，尤其是排水明溝與橫向切縫相交處，施工中須加強(qiáng)質(zhì)量控制。

3.3 加密線間集水井

目前高速鐵路線間一般采用每50 m設(shè)置1處集水井進(jìn)行排水，根據(jù)已運(yùn)營高鐵調(diào)查情況，縱坡較小地段線間存在積水病害，因此，線路縱坡≤2‰時可適當(dāng)加密集水井的設(shè)置，確保排水通暢。

4 結(jié)論

本文研究了路基基床表面翻漿冒泥的產(chǎn)生機(jī)理，并結(jié)合路基地段無砟軌道防排水的研究成果和既有線病害整治經(jīng)驗，對高速鐵路路基地段雙塊式無砟軌道線間排水提出優(yōu)化建議，結(jié)論如下。

(1)受高鐵線路縱坡的影響，位于小坡度段的路基線間封閉層容易產(chǎn)生積水滯留，在高速運(yùn)行動車組反復(fù)動應(yīng)力影響下，是導(dǎo)致積水下滲，路基基床表面出現(xiàn)翻漿冒泥的主要原因。

(2)防水方面通過線間采用纖維混凝土、優(yōu)化橫向切縫嵌縫材料尺寸、集水井附近配筋加強(qiáng)等措施，可增強(qiáng)封閉層密封防水性，改善其早期抗裂性能、抑制后期裂紋發(fā)展，并從整體上改善混凝土的服役期工作性能。

(3)排水方面通過加密集水井、加厚封閉層并在封閉層頂面形成縱坡排水或在封閉層內(nèi)部設(shè)置排水明溝排水均可有效增加排水效果，滿足線間積水快速引排的需要。