中俄高速鐵路路基主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對比研究

王心同，王連俊

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略是我國“一帶一路”倡議下的重要組成部分，近年來我國在海外的高鐵建設(shè)項目也在穩(wěn)步推進(jìn)，其中俄羅斯“莫斯科—喀山—葉卡捷琳堡”高速鐵路干線的“莫斯科—喀山”段(以下簡稱莫喀高鐵)作為中俄兩國鐵路合作的品牌項目與中國高鐵海外的第一單為國內(nèi)外所矚目[1]。根據(jù)莫喀高鐵設(shè)計專業(yè)技術(shù)條款[2]，莫喀高鐵全線共長770 km，最大坡度24‰，設(shè)計速度400 km/h，為雙線寬軌(1 520 mm)客貨共線電氣化鐵路。莫喀高鐵沿線地處東歐平原，地形以低地丘陵為主，全線橋隧比約為20%[3]，主體工程為土質(zhì)路基。俄羅斯作為傳統(tǒng)鐵路大國，其鐵路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)自成體系，特別是在凍土、軟弱土路基方面有大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)規(guī)范[4-5]；另一方面，我國在海外鐵路建設(shè)的過程中，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)與建設(shè)項目所在國標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)組成、計算理論、條文釋義等方面存在的兼容互通性問題越來越多[6-7]，因此有必要厘清中俄高速鐵路路基主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的異同。通過對比分析增進(jìn)我國工程學(xué)界對俄羅斯技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的了解，同時為中國企業(yè)今后參與俄羅斯高鐵建設(shè)項目提供參考借鑒，更好地服務(wù)中國高鐵“走出去”戰(zhàn)略。

2017年由俄羅斯圣彼得堡國立交通大學(xué)牽頭制定了《時速400 km“莫斯科—喀山—葉卡捷琳堡”高速鐵路干線“莫斯科—喀山”段設(shè)計專業(yè)技術(shù)條款》，其中第三分冊《路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計施工要求》[8]對莫喀高鐵路基設(shè)計施工的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做出了規(guī)定，同時俄羅斯也正在積極推動本國高速鐵路路基設(shè)計與施工規(guī)范匯編的制訂工作[9]；目前我國高速鐵路路基設(shè)計主要依據(jù)TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[10]和TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[11]。主要結(jié)合以上相關(guān)技術(shù)規(guī)范，從計算荷載、路基結(jié)構(gòu)、路基填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、變形要求4個方面展開對比分析。

1 計算荷載

中國高速鐵路特指“設(shè)計開行時速250 km以上(含預(yù)留)，初期運(yùn)營時速200 km以上的標(biāo)準(zhǔn)軌距客運(yùn)列車專線鐵路”[12]，列車軸重一般不大于170 kN；而莫喀高鐵為寬軌客貨混跑線路，需滿足設(shè)計時速達(dá)400 km的高速客運(yùn)列車、時速200 km以上快速客運(yùn)列車和特殊貨運(yùn)列車(集裝箱式)同時通行，其中高速客運(yùn)列車軸重最大不超過170 kN，快速客運(yùn)列車與特殊貨運(yùn)列車的電力機(jī)車軸重最大取226 kN，普通列車軸重取210 kN[2]。莫喀高鐵在設(shè)計時速、行車條件等方面比我國高速鐵路情況復(fù)雜。

中俄標(biāo)準(zhǔn)下的路基面豎向設(shè)計荷載都采取均布荷載的形式，路基面荷載分布見圖1。其中，中國標(biāo)準(zhǔn)將荷載分為軌道結(jié)構(gòu)自重荷載q1、列車荷載q2和線間回填荷載q0三種類型，其中軌道結(jié)構(gòu)荷載和列車荷載分布寬度b取值相同，線間回填均布荷載分布寬度b0取線間距與軌道與列車荷載分布寬度b的差值。我國標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)高鐵線路采取的不同軌道形式，對荷載的大小及分布寬度均給出了具體的數(shù)值規(guī)定[10-11]。

圖1 路基面荷載分布(單位：m)

根據(jù)俄羅斯《高速鐵路路基設(shè)計施工暫行規(guī)定(送審稿)》，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)僅考慮軌道結(jié)構(gòu)荷載與列車荷載[13]：在有砟軌道條件下，將軌道結(jié)構(gòu)荷載作為整體考慮，荷載大小取10.6 kPa，分布寬度按“線間距D+4.5 m”進(jìn)行取值；列車荷載分布寬度取軌枕長度(俄羅斯Ш型混凝土枕)2.7 m[14]，均布荷載大小一般取100 kPa，約為我國標(biāo)準(zhǔn)相同軌道條件下列車均布荷載大小的2.7倍。無砟軌道條件下，列車荷載與軌道結(jié)構(gòu)荷載定義為分布寬度b相同的兩個獨(dú)立疊加的均布荷載，其中軌道結(jié)構(gòu)荷載的大小與分布寬度b取決于無砟軌道結(jié)構(gòu)類型，列車均布荷載大小一般取60 kPa，約為我國標(biāo)準(zhǔn)相同軌道條件下列車均布荷載大小的1.5倍。

針對荷載在路基本體內(nèi)的垂向應(yīng)力分布，我國提出了應(yīng)力分布沿路基深度的衰減規(guī)律和計算理論；俄羅斯基于彈性半空間理論計算路基面以下應(yīng)力分布特征與規(guī)律，并規(guī)定路基面枕下3.5 m深度范圍為路基工作區(qū)。

綜上所述，相較我國標(biāo)準(zhǔn)，俄羅斯高速鐵路列車通行條件更加復(fù)雜，列車荷載取值大于我國標(biāo)準(zhǔn)；兩國標(biāo)準(zhǔn)的荷載形式、計算理論基本類同；在荷載分類上，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮線間回填荷載，荷載分布寬度取值上比中國標(biāo)準(zhǔn)更加靈活。

2 路基結(jié)構(gòu)

中俄標(biāo)準(zhǔn)下的路基結(jié)構(gòu)均應(yīng)按照土工結(jié)構(gòu)物進(jìn)行設(shè)計，相比中國標(biāo)準(zhǔn)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)對高速鐵路路基的組成部分做出了明確闡釋[8]，其中包括：路基基床(保護(hù)層)，路堤、路堤邊坡、路堤基底、路塹邊坡、路塹基底、地表與土體水排水設(shè)施、加固支擋結(jié)構(gòu)。以雙線路堤標(biāo)準(zhǔn)橫斷面結(jié)構(gòu)為例，從橫斷面形式、邊坡坡度、基床結(jié)構(gòu)三個方面對中俄標(biāo)準(zhǔn)在路基結(jié)構(gòu)設(shè)計上的差異進(jìn)行比較分析。

俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中，路基面結(jié)構(gòu)統(tǒng)一為三角形，由路基面中心向兩側(cè)設(shè)置4%的橫向排水坡。此規(guī)定與我國標(biāo)準(zhǔn)下有砟軌道路基面設(shè)計形狀基本相同，同時按照我國標(biāo)準(zhǔn)，無砟軌道支承層(或底座)底部范圍內(nèi)路基面可水平設(shè)置，支承層(或底座)外側(cè)路基面設(shè)置不小于4%的橫向排水坡。此外，我國標(biāo)準(zhǔn)對有砟軌道路基兩側(cè)的路肩寬度做出了明確的規(guī)定(雙線不小于1.4 m，單線不小于1.5 m)，并根據(jù)軌道類型、線路設(shè)計時速對標(biāo)準(zhǔn)路基面寬度給出了具體數(shù)值[9]。俄羅斯莫喀高鐵路基面寬度B按下式計算確定[8]

B=D+G1+G2+2B0

式中D——雙線線間距，m；

G1，G2——接觸網(wǎng)支柱至一股道、二股道線路中心距離，m；

B0——接觸網(wǎng)支柱到路基面路肩距離，m。

線間距是鐵路線路的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。高速鐵路正線線間距主要考慮高速列車交會時的空氣動力作用對列車運(yùn)行的安全性與乘客的舒適性的影響，中俄高速鐵路雙線線間距均取決于線路設(shè)計時速，線間距設(shè)計參數(shù)對比見表1。

表1 中俄高速鐵路雙線線間距設(shè)計參數(shù)對比

高速鐵路路基邊坡形式與坡度應(yīng)滿足路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性要求，中俄兩國標(biāo)準(zhǔn)下路堤邊坡形式一般均采用折線形或臺階形，土質(zhì)路塹邊坡采用直線形。針對邊坡限值高度，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定莫喀高鐵路堤與路塹邊坡高度不宜大于12 m。在我國TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》[10]中，并未對路基邊坡高度與坡度進(jìn)行明確要求，根據(jù)TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[11]，路堤與土質(zhì)路塹邊坡高度不宜大于20 m。兩國標(biāo)準(zhǔn)中邊坡坡度取值與路基填料與邊坡高度相關(guān)，具體設(shè)計參數(shù)對比見表2、表3。

表2 中俄高速鐵路路堤邊坡形式與坡度設(shè)計參數(shù)對比

表3 中俄高速鐵路土質(zhì)路塹邊坡形式與坡度設(shè)計參數(shù)對比

基床是高速鐵路路基的關(guān)鍵部位，在中俄兩國標(biāo)準(zhǔn)中，均提出高速鐵路路基由基床表層與基床底層構(gòu)成。不同之處在于，我國基床厚度按照列車荷載在基床內(nèi)產(chǎn)生的動應(yīng)力與路基自重應(yīng)力之比為0.2的原則確定，雖然經(jīng)過我國長期高速鐵路運(yùn)營實(shí)踐，但這一假定缺乏理論支撐，在與俄方交流時遇到了障礙[15]。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)主要參考德國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計原理[8]，路基基床厚度由列車荷載引起的動應(yīng)力與路基基床允許應(yīng)力決定，此外路基基床必須滿足防凍性要求，避免包括凍脹引起的不均勻沉降。中俄高速鐵路路基基床表層、基床底層厚度對比見表4。

綜上，中俄標(biāo)準(zhǔn)下路基結(jié)構(gòu)形式基本類同：橫截面形式方面，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)取值相對中國標(biāo)準(zhǔn)更加靈活；邊坡限制高度莫喀高鐵較我國標(biāo)準(zhǔn)取值更低，坡度選取較我國標(biāo)準(zhǔn)更緩，邊坡設(shè)計根據(jù)填料土質(zhì)類別不同，我國標(biāo)準(zhǔn)主要通過調(diào)整上下坡高度進(jìn)行控制，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)則通過調(diào)整上下坡坡度進(jìn)行控制；在基床厚度設(shè)計上，兩國標(biāo)準(zhǔn)中基床表層設(shè)計厚度一致(有砟0.7 m，無砟0.4 m)，基床底層厚度選取中國標(biāo)準(zhǔn)更偏安全，較俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)大0.5 m。

表4 中俄高速鐵路路基基床層厚度對比 m

3 路基填料與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

3.1 路基填料對比分析

我國標(biāo)準(zhǔn)下基床表層填料采用粒徑限值小于60 mm的級配碎石，要求不均勻系數(shù)Cu不應(yīng)小于15，且填料中0.075 mm以下顆粒質(zhì)量百分率不應(yīng)大于3%，基床表層的抗凍性通過填料壓實(shí)后的滲透系數(shù)進(jìn)行控制，要求大于5×10-5m/s。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)要求基床表層填料使用碎石砂礫混合料(ЩПГС)，其中0.063 mm以下細(xì)粉顆粒質(zhì)量百分率不大于5%，片狀、針狀碎石顆粒質(zhì)量不超過15%，考慮到莫喀高鐵沿線嚴(yán)酷的氣候條件，標(biāo)準(zhǔn)還要求碎石料的抗凍性指標(biāo)不低于F150，并對混合料含水量、天然放射性核素活度比值有相應(yīng)規(guī)定。

我國基床表層級配碎石篩分所用篩網(wǎng)尺寸為0.075，0.5，1.7，7.1，22.4，31.5、45 mm；俄羅斯碎石砂礫混合料(ЩПГС)篩分所用篩網(wǎng)尺寸為0.063，0.5，1.0，2.0，4.0，8.0，16.0，31.5，45 mm，與我國篩網(wǎng)尺寸存在較大差異。兩國標(biāo)準(zhǔn)下基床表層填料級配碎石粒徑級配曲線對比見圖2。由圖2可知，我國基床表層采用的級配碎石平均粒徑大于俄羅斯碎石砂礫混合料的平均粒徑，中俄基床表層填料的粒徑最大值均為45 mm。

圖2 路基基床表層填料級配碎石粒徑級配曲線對比

按照TB 10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》[11]，我國對普通路基填料根據(jù)填料的粒徑大小、顆粒形狀、細(xì)粒含量、級配特征進(jìn)行分類，分為A1、A2、B1、B2、B3、C1、C2、C3、D1、D2、E 共11類，并以具體量化指標(biāo)予以解釋說明。我國高鐵路基基床底層一般采用粒徑限值小于60 mm的砂石類、砂類A、B組填料或化學(xué)改良土，基床以下路堤宜選用A、B組填料和C組碎石類、礫石類填料，當(dāng)選用C組細(xì)粒土填料時，應(yīng)根據(jù)填料性質(zhì)進(jìn)行改良。

俄羅斯莫喀高鐵《路基技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計施工要求》[8]對于鐵路路基填料分類主要遵循國際標(biāo)準(zhǔn)ГОСТ25100—2011《土分類》[16]，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高速鐵路路基基床底層按照耐凍穩(wěn)定層進(jìn)行設(shè)計，填料采用不均勻系數(shù)不小于6的非黏結(jié)性、非膨脹性土，如粗中粒度的砂礫土、含砂巨粒土等；基床以下路堤宜選用弱風(fēng)化性巖石類土、巨粒土、含砂巨粒土、不均勻系數(shù)大于3的粗中粒度砂礫土。當(dāng)選用細(xì)粉砂、黏土類填料時，有砟軌道區(qū)段需滿足條件0.1 mm以下細(xì)粉砂顆粒質(zhì)量百分率不超過10%，黏土類填料僅限夏季填筑且液性指數(shù)IL≤0.25；無砟軌道區(qū)段需采取附加措施進(jìn)行填料性質(zhì)改良。

3.2 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

中俄標(biāo)準(zhǔn)下路基填筑質(zhì)量均采用物理與力學(xué)雙重指標(biāo)進(jìn)行控制。其中物理指標(biāo)均采用壓實(shí)系數(shù)K，不同之處在于我國標(biāo)準(zhǔn)采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)[6，9]；力學(xué)指標(biāo)我國標(biāo)準(zhǔn)采用地基系數(shù)K30，動態(tài)變形模量Evd，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)采用二次變形模量Ev2，動態(tài)變形模量Evd以及模量比Ev2/Ev1。研究表明，二次變形模量Ev2、動態(tài)變形模量Evd與地基系數(shù)K30反映的路基力學(xué)特性基本相同且具有較好的相關(guān)性[17-18]。需特別說明的是，德國標(biāo)準(zhǔn)一般采用Ev2，Evd作為路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，在我國標(biāo)準(zhǔn)TB10621—2009《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》中[19]，無砟軌道條件下亦可采用二次變形模量Ev2與模量比Ev2/Ev1評價壓實(shí)質(zhì)量，俄羅斯在制定莫喀高鐵路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的過程中，對中德兩國高速鐵路路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過對比分析[8]。中俄高速鐵路路基填筑質(zhì)量參數(shù)對比見表5。

表5 中俄高速鐵路路基填筑質(zhì)量參數(shù)對比

注：*參數(shù)取自TB10621—2009《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》

綜上所述，中俄標(biāo)準(zhǔn)對路基填料與填筑質(zhì)量的控制要求基本類同，相比俄羅斯，我國的工程實(shí)踐積累與成果更加豐富，在路基填筑質(zhì)量控制指標(biāo)上俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)對我國標(biāo)準(zhǔn)有所借鑒。此外，針對化學(xué)改良土，我國標(biāo)準(zhǔn)提出采用7 d飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為控制指標(biāo)，而俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)對此無具體要求。

4 變形要求

變形控制是高速鐵路路基設(shè)計的主要控制因素。中俄標(biāo)準(zhǔn)中對于無砟軌道路基，均要求工后沉降應(yīng)符合線路服役期內(nèi)的平順性、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與扣件調(diào)節(jié)能力的要求，工后沉降不應(yīng)大于15 mm，路基過渡段區(qū)域內(nèi)的工后差異沉降不超過5 mm。不同之處在于，我國標(biāo)準(zhǔn)對于沉降比較均勻且調(diào)整軌面高程后豎曲線半徑滿足公式Rsh≥0.4v2的路段，允許工后沉降為30 mm，而俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)無此規(guī)定；不均勻沉降引起的豎平面折角，中國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不大于1‰，俄羅斯規(guī)定不大于0.25‰。

針對有砟軌道，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)提出路基面的最大殘余變形在25年運(yùn)營期間不應(yīng)超過100 mm，且年沉降速率不大于10 mm/a；我國規(guī)范根據(jù)設(shè)計時速和路基區(qū)段類型給出了工后沉降限值，并對沉降速率進(jìn)行控制，具體見表6。

表6 有砟軌道正線路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

對路基面的彈性變形要求，根據(jù)我國TB10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗(yàn)收技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，有砟軌道的路基動變形不得大于1 mm，無砟軌道的路基動變形不得大于0.22 mm[20]，而俄羅斯莫喀高鐵要求路基面在列車荷載作用下的彈性變形不超過1 mm。此外，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定路基面內(nèi)不允許產(chǎn)生凍脹變形，土體的季節(jié)性凍結(jié)深度需根據(jù)氣候條件進(jìn)行測算。

綜上所述，中俄標(biāo)準(zhǔn)對無砟軌道的路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)基本相同，在可通過豎平面調(diào)節(jié)的路基地段，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)相比中國標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格；對于有砟軌道的工后沉降，兩國標(biāo)準(zhǔn)均通過沉降值與沉降速率進(jìn)行控制，中國標(biāo)準(zhǔn)較俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)劃分更為精細(xì)；對于路基面的彈性變形要求，有砟軌道兩國標(biāo)準(zhǔn)要求一致，無砟軌道中國標(biāo)準(zhǔn)較俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。

5 結(jié)論

通過從計算荷載、路基結(jié)構(gòu)、路基填料及壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、變形要求4個方面對中俄高速鐵路路基主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的對比分析，得出以下結(jié)論和建議。

(1)莫喀高鐵在設(shè)計時速、行車條件等方面比我國高速鐵路情況復(fù)雜，兩國標(biāo)準(zhǔn)下的路基面計算荷載、邊坡設(shè)計參數(shù)等存在一定差異。

(2)中俄兩國高速鐵路路基結(jié)構(gòu)形式基本類同，兩國標(biāo)準(zhǔn)中基床表層設(shè)計厚度一致，基床底層厚度中國標(biāo)準(zhǔn)比俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)大0.5 m。

(3)兩國標(biāo)準(zhǔn)在大體上具有相似性，但在部分內(nèi)容上存在差異。俄羅斯在制定標(biāo)準(zhǔn)的過程中，對中、德等國的高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)都有所研究，因此莫喀高鐵專業(yè)技術(shù)條款兼有中德高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)在路基壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、變形要求上對我國高速鐵路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有所借鑒。

(4)由于中俄兩國在自然氣候、地質(zhì)條件等方面的不同，路基填料兩國采用不同的標(biāo)準(zhǔn)，有較大差異，在應(yīng)用中值得注意。俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于填料抗凍性的要求，值得進(jìn)一步研究借鑒。