重載鐵路路基結(jié)構(gòu)形式及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究

魏洪山 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司建設(shè)部

重載鐵路具有運(yùn)輸能力、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著等特點(diǎn)，逐漸成為各國貨運(yùn)鐵路主要發(fā)展方向。重載鐵路最早于20世紀(jì)20年代出現(xiàn)在美國，目前已廣布俄羅斯、巴西、澳大利亞、南非等國家。相較而言，中國重載鐵路整體發(fā)展相對(duì)滯后。

相比普通鐵路與高速鐵路，重載鐵路“億萬次”循環(huán)列車荷載作用下路基的動(dòng)力變形特性更為顯著。為保證重載鐵路運(yùn)營(yíng)期列車運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性，對(duì)軌下系統(tǒng)的狀態(tài)及長(zhǎng)期使用性能提出更高的要求。由于軌下系統(tǒng)的復(fù)雜性和不可測(cè)性，對(duì)重載鐵路長(zhǎng)期使用性能評(píng)價(jià)等問題將成為未來一段時(shí)間研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。填料作為路基結(jié)構(gòu)主要組成部分，其工程特性與路基長(zhǎng)期工作性能密切相關(guān)。

1 研究目的與意義

重載線路與一般線路的主要差別在于其運(yùn)量大且車流密，從而使路基所承受的動(dòng)載強(qiáng)度及疲勞作用加大，基床變形、軌道惡化加快；與此同時(shí)由于行車間隙減小，沒有足夠時(shí)間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因此重載鐵路路基必須對(duì)其基床結(jié)構(gòu)采取一系列特殊要求，在填料組成、強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面高于普通線路，以滿足路基的整體穩(wěn)定性、平順性和安全性?；膊糠猪毦邆溥m宜的土質(zhì)和足夠的強(qiáng)度及有效的排水、防凍系統(tǒng)，以確保在可能的最不利水文、氣候變化的影響條件和列車動(dòng)載的重復(fù)作用下，不發(fā)生軌道變形、路基失穩(wěn)、道砟陷槽以及翻漿冒泥、凍害、擠出等基床病害?；彩侵剌d鐵路路基結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，其主要作用如下：

（1）基床具有滿足列車行進(jìn)和路基穩(wěn)定的足夠強(qiáng)度，可以有效地抵抗列車動(dòng)力荷載作用下對(duì)路基的破壞，能夠抵抗道砟碎石因擠壓進(jìn)入基床土中，從而防止道砟凹陷等病害的形成，在路基填筑施工時(shí)能夠承受重型機(jī)械車輛的走行而不至于形成印坑，避免留下安全隱患。

（2）基床具有滿足保持路基整體變形的足夠剛度，在列車的重復(fù)荷載作用下，使得塑性累積變形減至最小，有效地避免因動(dòng)力荷載作用形成過大的路基不均勻沉降而造成軌道的不平順，減少養(yǎng)護(hù)維修的頻率；同時(shí)，基床的彈性變形可以滿足列車高速走行的安全性要求，保障道床的穩(wěn)固。

（3）基床具有良好的排水性，能防止雨水侵入造成路基土軟化，防止發(fā)生翻漿冒泥等病害。

（4）在可能發(fā)生凍害的地區(qū)，基床還有防凍等特殊作用，保護(hù)路基結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

重載鐵路界定經(jīng)歷漫長(zhǎng)過程。國際重載鐵路協(xié)會(huì)于1986年、1994年和2005年先后3次對(duì)重載鐵路評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行完善，確定重載鐵路評(píng)價(jià)指標(biāo)必須至少滿足以下標(biāo)準(zhǔn)中的兩條：①列車質(zhì)量≥8 000 t；②貨車軸重≥27 t；③在長(zhǎng)度≥150 km線路上，年貨運(yùn)總量≥4000萬t。評(píng)價(jià)指標(biāo)的修訂完善，最顯著是重載貨車軸重不斷增加(20 t、25 t和27 t)，反映了重載鐵路運(yùn)輸技術(shù)水平的不斷發(fā)展和提高。

我國最新(2017/5/1)頒布實(shí)施的《重載鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10652-2017)確定重載鐵路評(píng)價(jià)指標(biāo)必須至少滿足以下標(biāo)準(zhǔn)中的兩條：①牽引質(zhì)量≥8 000 t；②軸重≥270 kN；③在至少150 km線路區(qū)段上年運(yùn)量大于40 Mt?？梢?，我國界定標(biāo)準(zhǔn)與國際界定標(biāo)準(zhǔn)一致。

我國重載鐵路發(fā)展起步較晚。20世紀(jì)80年代，在借鑒國外重載鐵路運(yùn)輸經(jīng)驗(yàn)、引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合既有鐵路運(yùn)輸現(xiàn)狀，選擇以煤炭運(yùn)輸緊張線路作為重載鐵路運(yùn)輸試點(diǎn)。我國首條重載鐵路大秦線全長(zhǎng)653 km，運(yùn)營(yíng)初期列車軸重21 t，最大牽引質(zhì)量1萬t，年運(yùn)營(yíng)量1億t；2014年運(yùn)行列車最大軸重27 t，年運(yùn)量達(dá)到4.5億t。第二條重載鐵路朔黃線全長(zhǎng)590 km，2013年首次開行30 t軸重2.5萬t重載列車，設(shè)計(jì)近期年運(yùn)量3.5億t，遠(yuǎn)期年運(yùn)量4.5億t。瓦日重載鐵路全長(zhǎng)1 259.836 km，實(shí)現(xiàn)了列車軸重30t關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，列車設(shè)計(jì)速度120 km/h，年設(shè)計(jì)運(yùn)貨量2億t。2014年4月，在北同蒲線袁樹林站到大秦線柳樹南站之間3萬t重載列車運(yùn)行試驗(yàn)圓滿成功，實(shí)現(xiàn)了我國鐵路重載列車牽引重量從2萬t到3萬t的跨躍，使我國成為世界上僅有幾個(gè)掌握3萬噸鐵路重載技術(shù)的國家之一，這是我國鐵路重載技術(shù)創(chuàng)新的重大突破。

表1和表2為國外及我國重載鐵路主要線路統(tǒng)計(jì)表。由表可知：國外重載鐵路部分線路運(yùn)行軸重已超國際最低標(biāo)準(zhǔn)27 t，相比而言，我國重載鐵路線運(yùn)營(yíng)軸重多為25 t和27 t。我國重載鐵路發(fā)展整體滯后于西方發(fā)達(dá)國家。近年來，通過不斷擴(kuò)大重載列車開行數(shù)量和提高重載貨車運(yùn)量，我國重載鐵路技術(shù)已得到很大提高，進(jìn)一步提升軸重是我國重載鐵路今后發(fā)展主要方向之一。

表1 國外重載鐵路主要線路基本信息匯總表

表2 中國重載鐵路主要線路基本信息匯總表

3 重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)性能研究

重載運(yùn)輸?shù)难杆倥d起使得對(duì)重載線路強(qiáng)度要求更為嚴(yán)格，路基的穩(wěn)定性、安全性、耐久性等問題迫切需要解決，以滿足重載機(jī)車反復(fù)運(yùn)行、高效運(yùn)載的需求。

結(jié)合目前國際重載運(yùn)輸技術(shù)發(fā)展，分析現(xiàn)有重載鐵路干線路基基床結(jié)構(gòu)特性，選取在重載運(yùn)輸技術(shù)方面占有世界性的主導(dǎo)地位的日本、德國、法國作為研究對(duì)象。為了全面認(rèn)識(shí)重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)特性，下面分別對(duì)三國的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況做簡(jiǎn)述。

（1）日本重載鐵路路基結(jié)構(gòu)具有層次明顯，層間銜接良好，多種材料混合使用的特點(diǎn)。

基床結(jié)構(gòu)由基床表層和上部填土基床底層兩部分組成，基床以下則通過下部填土與地基層連接；其中，基床表層指的是道床下面直接承載軌道的墊層，上部填土指的是基床表面以下的部分，詳見圖1。根據(jù)填料組成的不同基床表層又可分為強(qiáng)化基床表層和土基床表層；強(qiáng)化基床表層按材質(zhì)的類型分為碎石基床表層和水硬性礦碴基床表層?；脖韺犹盍系倪x擇主要考慮線路區(qū)間的貨運(yùn)量、工程造價(jià)等，包括的材料有：①瀝青混凝土，要求為加熱混合式的粗骨料拌制；②級(jí)配碎石，選材時(shí)不應(yīng)含有片石、軟石、條石、脆石等，要求堅(jiān)硬耐久、比重在2.45以上；③礦渣碎石，應(yīng)選用經(jīng)過級(jí)配的MS和MHS，要求不含有機(jī)物、條狀片狀碎石、硫化物等有害物質(zhì)；④土基床表層材料的選擇，一般采用優(yōu)質(zhì)天然砂或者統(tǒng)貨碎石，其厚度根據(jù)基床剛度、軌道結(jié)構(gòu)和速度等因素確定，壓實(shí)系數(shù)達(dá)95%以上。

圖1 重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)圖（單位：m）

上部填土即基床底層是列車荷載作用較大的域，承受軌道、道床傳遞的動(dòng)應(yīng)力作用明顯，填土材料的選擇須有合理的彈性便于有效地緩沖動(dòng)力荷載的沖擊。可以適用的土質(zhì)有：A類、B類、經(jīng)砂化處理的C、D1、V類粗粒土或經(jīng)處理的細(xì)粒砂，控制指標(biāo)除壓實(shí)系數(shù)在90%以上，還對(duì)含氣率有明確要求。

（2）德國、法國的重載鐵路路基結(jié)構(gòu)具有多種層次、分布復(fù)雜、材料高強(qiáng)度等特點(diǎn)。

德國重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)分為路基保護(hù)層、防凍層、填筑路堤層、地基過渡層。防凍層主要作用為防護(hù)路基凍害，增強(qiáng)基床抗凍性能；地基過渡層是為了更好地與地基土銜接過渡。無砟軌道較有砟軌道在路基結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求方面基本一致，關(guān)鍵技術(shù)是采用水硬性膠結(jié)層代替保護(hù)層。

路基保護(hù)層（水硬性膠結(jié)層）和防凍層被視作為基床表層，兩層的厚度要根據(jù)線路類別和防凍要求確定。設(shè)計(jì)主旨是因?yàn)榭紤]到路基剛度自上而下逐漸減小的規(guī)律，滿足使用功能，降低成本。填筑路堤層和地基過渡層相當(dāng)于我國的基床底層，主要選擇混合型和細(xì)粒土作為填筑材料，含氣率控制在12%以內(nèi)，基于線路等級(jí)和填料類別，同時(shí)要求對(duì)壓實(shí)系數(shù)、變形模量控制。

法國重載鐵路路基的設(shè)計(jì)與德國多有相似，均為多層次分布形態(tài)?；步Y(jié)構(gòu)較為特殊，道砟層和路基層之間的調(diào)整層即墊層，根據(jù)其下部的路基類型呈單層或多層分布。墊層的主要作用是保護(hù)路基的上部結(jié)構(gòu)，其厚度與路基種類和路基表面應(yīng)力有關(guān)，此外根據(jù)等級(jí)、運(yùn)量、軸重和養(yǎng)護(hù)情況綜合確定。

根據(jù)墊層作用的不同呈現(xiàn)多層組成結(jié)構(gòu)，其中包含：①碴墊層，由級(jí)配純礫石組成，壓實(shí)系數(shù)須不小于1.0，碴墊層的厚度隨運(yùn)輸條件、軌枕類型和路基類型不同而變化。②底基層，由級(jí)配純碌石構(gòu)成，壓實(shí)系數(shù)達(dá)0.95，土質(zhì)優(yōu)良地區(qū)可不設(shè)。③防污染層，可以用一層純砂鋪設(shè)，也可以加一層合成鏈墊鋪設(shè)。

4 國內(nèi)重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)形式研究

我國重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)分為基床表層和基床底層兩部分，現(xiàn)已不能完全滿足重載鐵路發(fā)展的需求?；蔡盍线x型，已難以滿足重載運(yùn)輸在基床強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等方面技術(shù)要求。

基床表層填料的選型根據(jù)工程地質(zhì)及設(shè)計(jì)情況而定，須符合規(guī)范要求：①優(yōu)先選用A組填料，其次選用B組填料，顆粒粒徑不大于150 mm；②缺乏A組填料時(shí)，可選用級(jí)配砂礫石或B組填料中的砂粘土，且液限不大于32%，塑性指數(shù)不大于12；必須使用C組填料時(shí)，應(yīng)選擇細(xì)粒土中的粉土、粉粘土或者細(xì)粒土中含量大于30%的碎石土、圓碌土和卵石土，且在平均降水量大于500 mm地區(qū)，液限不大于32%，塑性指數(shù)不大于12；④不符合以上規(guī)范要求的填料，須采取土質(zhì)改良措施加以控制，嚴(yán)禁使用D、E組填料作為基床表層填料?；驳讓涌蛇x用A組、B組或C組填料，必須使用D組填料時(shí)，須采用加固或改良措施。

基床的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)控制指標(biāo)較為簡(jiǎn)單，對(duì)細(xì)粒土和粘砂、粉砂采用壓實(shí)系數(shù)或地基系數(shù)；對(duì)粗粒土粘砂、粉砂外采用相對(duì)密度或地基系數(shù)；對(duì)碎石類土和塊石類混合料采用地基系數(shù)。

5 結(jié)論與探討

鑒于對(duì)國內(nèi)外重載鐵路路基基床的特性研究，認(rèn)識(shí)到我國重載鐵路路基基床在設(shè)計(jì)理念和技術(shù)強(qiáng)化方面均落后于國外：基床結(jié)構(gòu)單一，難以達(dá)到對(duì)線路縱向剛度的一致性要求；基床填料選型簡(jiǎn)單且單指標(biāo)控制；基床強(qiáng)度較低，易引起基床蠕動(dòng)變形，影響路基的穩(wěn)定性；基床病害防控措施薄弱，難以抵抗凍脹變形破壞、土性和水文地質(zhì)等不利條件。隨著列車載荷大幅增加和行車密度進(jìn)一步提升，對(duì)重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)的要求也進(jìn)一步提高，迫切需要提高路基的承載能力和穩(wěn)定性，強(qiáng)化基床結(jié)構(gòu)，減少基床病害的發(fā)生。

（1）考慮到目前國內(nèi)重載鐵路的運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，在基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與發(fā)達(dá)國家相比還存在一定的差距，技術(shù)控制指標(biāo)需進(jìn)一步嚴(yán)格、完善。

（2）可以建立重載鐵路軌道一路基系統(tǒng)三維模型，利用有限元軟件進(jìn)行較為真實(shí)的模擬。

（3）合理的分析重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對(duì)研究路基的穩(wěn)定性、抵抗變形能力、防止病床災(zāi)害等因素提供有力依據(jù)，極大地保證重載列車的安全高效運(yùn)行，這需要不斷的完善理論、探索實(shí)踐。