國(guó)外鐵路道床瀝青層的應(yīng)用

郭 晨

(中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038)

自從19世紀(jì)鐵路和蒸汽機(jī)車(chē)出現(xiàn)以來(lái)，鐵路的發(fā)展已經(jīng)橫跨三個(gè)世紀(jì)。其中，在過(guò)去的四五十年里，鐵路道床中熱拌瀝青層的使用在鐵路運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家逐漸增多，拓展了傳統(tǒng)全顆粒道床設(shè)計(jì)，并正成為國(guó)際鐵路道床設(shè)計(jì)中的一種常見(jiàn)選擇。目前中國(guó)鐵路尚未在道床中使用瀝青層，但在國(guó)家“走出去”海外戰(zhàn)略指引下，中國(guó)建筑企業(yè)參與的某些國(guó)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(rèn)識(shí)瀝青層在國(guó)際鐵路道床中的應(yīng)用情況。本文通過(guò)對(duì)美國(guó)、意大利、日本、法國(guó)、西班牙、德國(guó)等六個(gè)國(guó)家鐵路道床中瀝青層的應(yīng)用分析，充分認(rèn)識(shí)世界鐵路道床結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 美國(guó)瀝青道床的應(yīng)用

1.1 應(yīng)用背景

1980年美國(guó)鐵路貨運(yùn)行業(yè)解除管制以來(lái)，交通量、噸英里收入、軸荷載、載重量已發(fā)展到了前所未有的水平。這客觀上促使高質(zhì)量更耐久的軌道和道床結(jié)構(gòu)研究的復(fù)蘇。為了解決重噸位的貨運(yùn)鐵路既有道床不穩(wěn)定問(wèn)題和道床維護(hù)量大的問(wèn)題，幾個(gè)美國(guó)鐵路公司和瀝青攤鋪行業(yè)發(fā)展了道床內(nèi)使用熱拌瀝青混合料代替部分傳統(tǒng)粒狀材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用。最終這種設(shè)置瀝青層的維修方法發(fā)展成鐵路修復(fù)改造過(guò)程中普遍使用的方法，特別是在傳統(tǒng)道床及其路基經(jīng)常維修的地方設(shè)置瀝青層，如道岔、鐵路道口、路基橋臺(tái)過(guò)渡段、缺陷檢測(cè)器、駝峰軌道、隧道內(nèi)和隧道口、公路道口等。由于這種瀝青層的優(yōu)越表現(xiàn)，道床中設(shè)置瀝青層已作為一種設(shè)計(jì)應(yīng)用于新干線(xiàn)軌道、貨場(chǎng)和站場(chǎng)建設(shè)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

典型的美國(guó)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(shè)計(jì)成20 cm。上層的道碴厚度通常為20～30 cm。此外延伸出兩種設(shè)計(jì)，一是下面敷設(shè)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(wú)面碴，由厚瀝青層當(dāng)面層，兩側(cè)圍護(hù)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(yīng)用最普遍，第二種次之，第三種應(yīng)用最少。瀝青層成分類(lèi)似于公路建設(shè)中普遍使用的瀝青層。典型的瀝青混合料的規(guī)格是普通稠密等級(jí)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(yōu)點(diǎn)

(1)提高道床的承載力，改善應(yīng)力分布狀態(tài)；

(2)對(duì)道床起到隔水和加強(qiáng)的作用；

(3)減少后續(xù)道床維修次數(shù)和費(fèi)用，特別是對(duì)于路基需要經(jīng)常維修的地段。

圖1 美國(guó)無(wú)顆粒底碴層的瀝青道床

圖2 美國(guó)含瀝青層和底碴層的混合瀝青道床

圖3 美國(guó)含厚瀝青層和底碴層的無(wú)面碴道床

2 意大利瀝青道床的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

意大利國(guó)家鐵路公司一直進(jìn)行著高速鐵路網(wǎng)瀝青道床的研究和應(yīng)用。意大利的高速鐵路網(wǎng)由東西線(xiàn)和南北線(xiàn)組成，其中第一條高速鐵路線(xiàn)是20世紀(jì)70年代開(kāi)始建設(shè)的羅馬至佛羅倫薩線(xiàn)。在施工過(guò)程中，意大利鐵路公司確定高速鐵路線(xiàn)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(jié)省方面和材料長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)确矫?，瀝青混合料方案優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)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(yīng)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(fā)生、逐漸分散由列車(chē)引起的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力、消除道碴污垢等功能，瀝青混合料方案應(yīng)用于羅馬至佛羅倫薩線(xiàn)及所有新建高速線(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(guò)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(chē)施加的重復(fù)荷載。超壓層以3.5 %橫坡設(shè)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(yōu)點(diǎn)

(1)由于提高了承載力和均勻性，提高了安全性和結(jié)構(gòu)的可靠性；

(2)降低路基疲勞，從而減少下部結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)的成本；

(3)在縱向剖面上增強(qiáng)了軌道承載能力的均質(zhì)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(gè)軌道的振動(dòng)水平從而降低噪音；

(6)相比傳統(tǒng)全顆粒道床設(shè)計(jì)減小了厚度。

3 日本瀝青道床的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用背景

為了建設(shè)高速鐵路，1960年以來(lái)日本在某些試驗(yàn)段使用瀝青道床。1970年后帶道碴覆蓋層的瀝青道床已經(jīng)是新建鐵路的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)了，在高速鐵路和常規(guī)鐵路上廣泛應(yīng)用。在1978年制定的《土工結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》提出的兩種強(qiáng)化基床表層的方法，一種是路基表層采用強(qiáng)度高又不透水的水硬性級(jí)配高爐爐碴碎石層，另一種就是級(jí)配碎石層上鋪5 cm厚的瀝青混凝土。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

日本瀝青道床根據(jù)性能等級(jí)劃分有兩種類(lèi)型。一種是無(wú)碴瀝青道床，如圖5所示，混凝土軌枕直接設(shè)置在瀝青混凝土底座板上。瀝青混凝土底座及其下層的級(jí)配良好的碎石層厚度均為15 cm。它被認(rèn)為是質(zhì)量最高的道床，它能阻止軌道沉降、鋼筋混凝土基礎(chǔ)的破損、疲勞損傷、開(kāi)裂、收縮、熱應(yīng)力等。主要用于高架橋鐵路和隧道鐵路上，顯著特點(diǎn)是噪音低。

圖5 日本無(wú)碴瀝青道床

另一種類(lèi)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(jí)配良好的碎石層厚度為15～60 cm。這種設(shè)計(jì)中的瀝青層有利于分散荷載和排水，已經(jīng)在日本使用超過(guò)30年。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是軌道的沉降和瀝青的疲勞損傷問(wèn)題。

圖6 日本有碴瀝青道床

3.3 功能與優(yōu)點(diǎn)

(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(guān)的后續(xù)維護(hù)成本；

(2)為道碴提供穩(wěn)固的支持并減少軌道的不平順。

4 法國(guó)瀝青道床的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用背景

2007年TGV東線(xiàn)第一段巴黎至斯特拉斯堡試驗(yàn)最高時(shí)速達(dá)到574.8 km，創(chuàng)造了鋼輪式高速鐵路新的世界紀(jì)錄。法國(guó)在這條線(xiàn)上設(shè)置了一條3 km長(zhǎng)的含瀝青底碴層試驗(yàn)段，開(kāi)展四年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以確定瀝青底碴層是否能成為未來(lái)高速鐵路下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種選擇。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

法國(guó)高速鐵路試驗(yàn)段有碴瀝青道床如圖7所示。傳統(tǒng)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(shè)在50 cm厚的石灰?guī)r骨料上。而有碴瀝青底道床去掉了50 cm厚石灰?guī)r骨料，代之以14 cm厚的瀝青底碴和20 cm厚的調(diào)節(jié)層。

圖7 法國(guó)有碴瀝青道床

該試驗(yàn)段先壓實(shí)20 cm調(diào)節(jié)層，施工方法是在路基14.5 m總寬度上鋪設(shè)1.5 kg/m2比例的液態(tài)瀝青面料層再覆蓋細(xì)碎石。面料層的目的是保護(hù)調(diào)節(jié)層免受施工車(chē)輛的影響，同時(shí)改善寒冷或潮濕等的惡劣天氣的地面排水條件。然后以?xún)蓚€(gè)5.35 m寬的分別鋪設(shè)總寬度10.7 m的瀝青底碴層，壓實(shí)度需要達(dá)到96 %。最后以一層0.8 kg/m2比例的液態(tài)瀝青封存，并以細(xì)骨料覆蓋瀝青底碴層。

4.3 功能與優(yōu)點(diǎn)

(1)保護(hù)路基免受道碴壓壞和雨水侵蝕，保護(hù)路基不受凍害影響；

(2)使路基土受力均勻，提高路基整體穩(wěn)定性；

(3)路基填料標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用

5.1 應(yīng)用背景

西班牙鐵路公司在馬德里-巴利亞多利德高速客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)和巴塞羅那-法國(guó)邊境高速客貨線(xiàn)進(jìn)行了1 km長(zhǎng)瀝青底碴層試驗(yàn)段研究。該試驗(yàn)段全面配備了眾多變形測(cè)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(yè)運(yùn)行4年進(jìn)行監(jiān)控(高速列車(chē)300 km/h，貨運(yùn)列車(chē)最高速度120 km/h)，以確定是否用于未來(lái)規(guī)劃建設(shè)的超過(guò)2 000 km高速線(xiàn)路。

5.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

西班牙高速鐵路瀝青道床結(jié)構(gòu)如圖8所示。該試驗(yàn)段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行連續(xù)四年的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

圖8 西班牙高速鐵路瀝青道床

5.3 功能與優(yōu)點(diǎn)

(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(chē)下減弱軌道的振動(dòng)；

(3)有效降低道床結(jié)構(gòu)的維修成本。

6 德國(guó)瀝青道床的應(yīng)用

6.1 應(yīng)用背景

德國(guó)最早的瀝青無(wú)碴軌道系統(tǒng)建于20世紀(jì)70年代。隨著軌道下部結(jié)構(gòu)的發(fā)展，為了降低維護(hù)成本和節(jié)約天然資源，德國(guó)鐵路局開(kāi)展了傳統(tǒng)有碴軌道設(shè)計(jì)的替代方法。最終確定了無(wú)碴軌道板設(shè)計(jì)方案，特別是適用于德國(guó)新的高速列車(chē)軌道設(shè)計(jì)。

6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

德國(guó)GETRAC是目前最新的瀝青無(wú)碴軌道系統(tǒng)，如圖9所示。由混凝土軌枕或板式無(wú)砟軌道和26～35 cm厚的瀝青層組成。GETRAC軌道系統(tǒng)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(guò)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(lái)自軌盤(pán)的縱向和橫向作用力轉(zhuǎn)移到瀝青層上，維持適當(dāng)?shù)能壍缼缀尉€(xiàn)形而不需要面層道碴。

GETRAC系統(tǒng)有A1和A3兩種不同的設(shè)計(jì)。GETRAC A1采用了2.6 m長(zhǎng)的正常寬度的預(yù)應(yīng)力混凝土枕。GETRAC A3采用了2.4 m長(zhǎng)的略寬預(yù)應(yīng)力軌枕，適用于如既有隧道等狹小的空間。此外GETRAC A3的設(shè)計(jì)中使用的混凝土軌枕有一個(gè)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(jí)改造時(shí)滿(mǎn)足凈空高度要求。

圖9 德國(guó)鐵路Getric瀝青道床

6.3 功能與優(yōu)點(diǎn)

(1)提高道床防護(hù)能力，降低路基維修成本；

(2)GETRAC系統(tǒng)便于簡(jiǎn)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(jí)改造。

7 小結(jié)

綜合以上六個(gè)國(guó)家鐵路道床瀝青層的應(yīng)用情況可見(jiàn)，瀝青層應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)在于兩點(diǎn)。一是從降低既有鐵路維修次數(shù)和成本出發(fā)，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(shè)高速鐵路需要出發(fā)，強(qiáng)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(xiàn)形。

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