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

重載鐵路具有運輸能力、經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著等特點，逐漸成為各國貨運鐵路主要發(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力變形特性更為顯著。為保證重載鐵路運營期列車運行的平穩(wěn)性和安全性，對軌下系統(tǒng)的狀態(tài)及長期使用性能提出更高的要求。由于軌下系統(tǒng)的復(fù)雜性和不可測性，對重載鐵路長期使用性能評價等問題將成為未來一段時間研究的重點和難點。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量大且車流密，從而使路基所承受的動載強(qiáng)度及疲勞作用加大，基床變形、軌道惡化加快；與此同時由于行車間隙減小，沒有足夠時間進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，因此重載鐵路路基必須對其基床結(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力荷載作用下對路基的破壞，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，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)歷漫長過程。國際重載鐵路協(xié)會于1986年、1994年和2005年先后3次對重載鐵路評價指標(biāo)進(jìn)行完善，確定重載鐵路評價指標(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在長度≥150 km線路上，年貨運總量≥4000萬t。評價指標(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)頒布實施的《重載鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10652-2017)確定重載鐵路評價指標(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輸經(jīng)驗、引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合既有鐵路運輸現(xiàn)狀，選擇以煤炭運輸緊張線路作為重載鐵路運輸試點。我國首條重載鐵路大秦線全長653 km，運營初期列車軸重21 t，最大牽引質(zhì)量1萬t，年運營量1億t；2014年運行列車最大軸重27 t，年運量達(dá)到4.5億t。第二條重載鐵路朔黃線全長590 km，2013年首次開行30 t軸重2.5萬t重載列車，設(shè)計近期年運量3.5億t，遠(yuǎn)期年運量4.5億t。瓦日重載鐵路全長1 259.836 km，實現(xiàn)了列車軸重30t關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，列車設(shè)計速度120 km/h，年設(shè)計運貨量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重載列車運行試驗圓滿成功，實現(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)計表。由表可知：國外重載鐵路部分線路運行軸重已超國際最低標(biāo)準(zhǔn)27 t，相比而言，我國重載鐵路線運營軸重多為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

重載運輸?shù)难杆倥d起使得對重載線路強(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)運行、高效運載的需求。

結(jié)合目前國際重載運輸技術(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、法國作為研究對象。為了全面認(rèn)識重載鐵路路基基床結(jié)構(gòu)特性，下面分別對三國的基床結(jié)構(gòu)設(shè)計情況做簡述。

（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。

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)間的貨運量、工程造價等，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級配碎石，選材時不應(yīng)含有片石、軟石、條石、脆石等，要求堅硬耐久、比重在2.45以上；③礦渣碎石，應(yīng)選用經(jīng)過級配的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力荷載的沖擊?？梢赃m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)除壓實系數(shù)在90%以上，還對含氣率有明確要求。

（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。

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)計主旨是因為考慮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)，基于線路等級和填料類別，同時要求對壓實系數(shù)、變形模量控制。

法國重載鐵路路基的設(shè)計與德國多有相似，均為多層次分布形態(tài)。基床結(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、運量、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，由級配純礫石組成，壓實系數(shù)須不小于1.0，碴墊層的厚度隨運輸條件、軌枕類型和路基類型不同而變化。②底基層，由級配純碌石構(gòu)成，壓實系數(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。基床填料選型，已難以滿足重載運輸在基床強(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，可選用級配砂礫石或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，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，須采用加固或改良措施。

基床的壓實標(biāo)準(zhǔn)控制指標(biāo)較為簡單，對細(xì)粒土和粘砂、粉砂采用壓實系數(shù)或地基系數(shù)；對粗粒土粘砂、粉砂外采用相對密度或地基系數(shù)；對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

鑒于對國內(nèi)外重載鐵路路基基床的特性研究，認(rèn)識到我國重載鐵路路基基床在設(shè)計理念和技術(shù)強(qiáng)化方面均落后于國外：基床結(jié)構(gòu)單一，難以達(dá)到對線路縱向剛度的一致性要求；基床填料選型簡單且單指標(biāo)控制；基床強(qiáng)度較低，易引起基床蠕動變形，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)重載鐵路的運營現(xiàn)狀，在基床結(jié)構(gòu)設(shè)計方面與發(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行，這需要不斷的完善理論、探索實踐。