尼日利亞阿卡鐵路路基表層填料改良的研討與實(shí)踐

曹保剛

（中國鐵建股份有限公司海外業(yè)務(wù)部 總經(jīng)理，北京 100855）

0 引言

尼日利亞鐵路現(xiàn)代化項(xiàng)目阿布賈至卡杜納段（以下簡稱阿卡鐵路）是第一條按照中國標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工的海外鐵路項(xiàng)目[1]，經(jīng)過中國鐵建中土集團(tuán)公司阿卡項(xiàng)目全體參建者歷時(shí)五年的艱苦努力終于成功建成，同時(shí)使中國標(biāo)準(zhǔn)在非洲大地上落地生根。2019年，阿卡鐵路先后榮獲2017—2018年度國家優(yōu)質(zhì)工程金質(zhì)獎(jiǎng)、中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)（境外工程）兩項(xiàng)殊榮，和ENR全球軌道工程最佳項(xiàng)目獎(jiǎng)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，由于尼日利亞當(dāng)?shù)氐夭馁Y源等自然條件限制、中西標(biāo)準(zhǔn)的體系差別、尼方業(yè)主和歐洲咨詢對中國標(biāo)準(zhǔn)的不理解甚至偏見，造成實(shí)施初期過程中溝通困難重重。本文僅介紹路基表層填料由原設(shè)計(jì)的A組填料相當(dāng)于級配碎石或級配砂礫石,優(yōu)化變更為改良B料的實(shí)踐和體會，其研究方法可供類似工程項(xiàng)目借鑒和參考。

1 路基表層A組填料方案比選和優(yōu)化

阿卡鐵路總長186.5 km，標(biāo)準(zhǔn)軌距，單線鐵路。內(nèi)燃牽引，半自動閉塞，采用中國Ⅰ級鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 當(dāng)?shù)丶壟浜吞烊籄料缺乏，原方案實(shí)施困難

阿卡鐵路路基基床表層填料原設(shè)計(jì)為60%級配碎石摻拌40%鵝卵石，厚度60 cm，并在填料下覆蓋一層防水土工膜。

由于尼日利亞阿卡鐵路沿線附近的自然地貌和地質(zhì)水文條件限制，很難尋找天然A組填料（細(xì)粒含量少于15%）和優(yōu)質(zhì)的砂礫石、鵝卵石。當(dāng)?shù)氐匦螢榈颓鹌皆?，局部石丘基巖裸露，通過碴場現(xiàn)場采樣發(fā)現(xiàn)其石質(zhì)為中弱風(fēng)化花崗巖，鈣質(zhì)膠結(jié)，實(shí)驗(yàn)室對各種篩余骨料進(jìn)行多次摻配試驗(yàn)，難以滿足級配和易破碎指標(biāo)要求，更無法保證施工時(shí)路拌填料的質(zhì)量。

全線設(shè)計(jì)基床表層填料共計(jì)86.9萬m3，如采用級配碎石填筑則需要遠(yuǎn)距離外購運(yùn)輸，將造成巨大成本壓力。且尼國北方現(xiàn)有碴場生產(chǎn)能力有限，據(jù)調(diào)查市場供應(yīng)僅有約30萬m3每年，加之后續(xù)道碴需求量大，外購或新增新的生產(chǎn)線，均不能滿足緊張的工期要求。

基于以上幾個(gè)方面的原因，我們研究認(rèn)為，有必要探討對原設(shè)計(jì)填料進(jìn)行變更優(yōu)化。

1.2 填料改良優(yōu)化方案研究

為此，項(xiàng)目相關(guān)技術(shù)人員通過比較中國標(biāo)準(zhǔn)不同版本以及中歐標(biāo)準(zhǔn)之間的不同要求和關(guān)鍵區(qū)別，提出B料改良替代原設(shè)計(jì)級配碎石的優(yōu)化方案，通過理論分析、試驗(yàn)段驗(yàn)證等多種方法進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性研究，并從業(yè)主角度出發(fā)充分闡述填料變更對節(jié)約工程投資、保證工期的有利性。

經(jīng)與業(yè)主和咨詢方TEAM公司多次對標(biāo)研討和商洽之后，阿卡鐵路路基基床表層填料變更申請最終得到了業(yè)主的認(rèn)可和咨詢的批準(zhǔn)，由原方案的級配改為B組改良料，并在基床表層頂面增設(shè)3 cm厚的瀝青表面處置封閉層，取消基床底層下的砂夾復(fù)合土工膜墊層。

1.3 道床基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的差異和比較

中標(biāo)[2]與歐標(biāo)對道床、基床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及填料劃分標(biāo)準(zhǔn)和要求有著巨大差異。雖然合同中明確采用中國標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)規(guī)定不得低于歐標(biāo)，因此，相互對標(biāo)比較和理解工作是在與歐洲咨詢溝通中的一項(xiàng)重要的內(nèi)容。

中歐標(biāo)準(zhǔn)的道床和基床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別如圖1、圖2所示。

圖1 中標(biāo)道床與基床結(jié)構(gòu)示意圖（單位:m）

圖2 UIC道床與基床結(jié)構(gòu)示意圖

以Ⅰ級鐵路道床和基床設(shè)計(jì)為例，中標(biāo)P160荷載與UIC荷載接近，可比較雙方的結(jié)構(gòu)形式。中標(biāo)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10001—2005[2]（以下簡稱05規(guī)范）：

面碴30 cm+底碴20 cm+基床表層60 cm+190 cm基床底層。

而國際鐵路聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)UIC_719R《Earthworks and track bed for railway lines》[3]中，最小道床厚度計(jì)算如圖3所示。

圖3 UIC道床與基床厚度計(jì)算示意圖

按一般路基計(jì)算，E=55 cm，d=5 cm，a、b、c、f均為 0,所以 道床e=60 cm，稍大于中標(biāo)30+20=50 cm。

UIC底碴層②直接覆蓋路基基床④，基床不再區(qū)分表層。中標(biāo)底碴淹沒在面碴內(nèi)，特設(shè)60 cm基床表層也能起到相應(yīng)UIC底碴層②的支撐過渡作用。且合計(jì)厚度60+50=110 cm遠(yuǎn)大于e=60 cm。

對應(yīng)于基床厚度ef值UIC需個(gè)別計(jì)算。德標(biāo)DS836.0501[4]規(guī)定 P160/M160/G120/R120有碴軌道基床厚度≥1.50 m，原05規(guī)范[2]60介紹1.3 m。中標(biāo)對應(yīng)取1.9 m，均可滿足。

一般UIC采用：①道碴+②底碴覆蓋層50～60 cm+防水層土工布（可選）+④基床150 cm（德）。

對比看出，而05規(guī)范所要求的各結(jié)構(gòu)層厚度及合計(jì)厚度,均滿足且大于UIC要求。

圖2可見UIC[3]37中的③Track-bed layers道床層包含①Ballast道碴加②Blanket layer底碴覆蓋層。其底碴覆蓋層②下面設(shè)置防水層（土工布或?yàn)r青）用于防水和隔離，UIC標(biāo)準(zhǔn)[3]37,48,75中屬于可選擇性要求。

兩者對道床基床共同的設(shè)計(jì)原則是：基床結(jié)構(gòu)承受和傳遞著列車、軌道和道床的荷載應(yīng)力，并滿足排水要求?；灿凶銐虻膹?qiáng)度，用以抵抗列車荷載產(chǎn)生的動靜應(yīng)力而不使基床破壞；基床具有足夠的剛度，能避免形成過大的不均勻下沉而造成軌道不平順；基床彈性變形應(yīng)滿足列車高速走行的安全性和舒適性要求，同時(shí)還能保障道床的穩(wěn)固；基床具有良好的排水性，防止雨水浸入造成路基土軟化，進(jìn)而發(fā)生翻漿冒泥等病害。

1.4 路基表層填料標(biāo)準(zhǔn)的研討

由于本項(xiàng)目簽訂時(shí)間比較早，從勘探設(shè)計(jì)到項(xiàng)目實(shí)施到交工比較漫長，期間國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)正處于更新過渡階段，如何選擇安全、可靠、成熟、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)和適宜的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)要滿足相應(yīng)歐標(biāo)的要求，需要深入對比研究和協(xié)調(diào)溝通。

國內(nèi)鐵路相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范由99系列，逐步更新過渡到2005系列，二者差異較大。

以《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10001—2005為例：05規(guī)范適用于“客貨共線，客車最大時(shí)速160 km/h，貨車120 km/h”， 而TB 10001—99規(guī)范[5]（簡稱99規(guī)范）適用于“最高行車速度140 km/h”，滿足合同要求速度150 km/h似應(yīng)只能就高不就低。而且05規(guī)范的發(fā)布通知中明確寫到，99規(guī)范同時(shí)廢止，其內(nèi)容也不再有關(guān)于120 km/h的選項(xiàng)。由此給項(xiàng)目適宜標(biāo)準(zhǔn)的選擇解釋帶來一些困惑，直至后續(xù)修訂版本才解決。

關(guān)于Ⅰ級鐵路基床表層填料的要求，05規(guī)范顯然高于99規(guī)范（見表1）。99規(guī)范填料優(yōu)先選用A，其次為B。05規(guī)范中Ⅰ級鐵路基床表層填料應(yīng)選用A料，可用級配碎石；而對應(yīng)Ⅰ級鐵路基床底層或Ⅱ級鐵路基床表層降級后優(yōu)先選用A，其次為B，同99規(guī)范。而99規(guī)范細(xì)粒土中的部分B組，在05規(guī)范則劃歸為C組，05規(guī)范對99規(guī)范的填料有多處的降級處分。這種雙重標(biāo)準(zhǔn)的提高，在該項(xiàng)目則對工期、成本造成巨大的壓力！

表1 I級鐵路路基填筑材料要求

中標(biāo)規(guī)定的填料分組與UIC有著較大的差別：《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》TB 10001—2005和 《鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》TB 10077—2001[6]規(guī)定普通填料按工程性能及級配特征分為A、B、C、D組填料，粒徑或可壓實(shí)性不滿足相應(yīng)部位要求的粗粒土可以進(jìn)行物理改良，改善級配和細(xì)粒含量[7]34。

UIC_719R[3]14巖土分級是根據(jù)土壤的巖土性質(zhì)和水文地質(zhì)條件將巖土分為QS0、QS1、QS2、QS3四個(gè)質(zhì)量等級，并對應(yīng)不同的路基 承載力。其中QS0為“不合格料”（相當(dāng)于中標(biāo)的E、D組填料）——須挖除換填或采取土工織物加固；QS1為 “不良料”（部分相當(dāng)于中標(biāo)的C組填料）——在養(yǎng)護(hù)條件良好、排水順暢或經(jīng)改良后才能使用的填料；QS2為“一般料”（部分相當(dāng)于中標(biāo)的B組填料）；QS3為“優(yōu)質(zhì)料”（相當(dāng)于中標(biāo)的A、B組，級配碎石，級配砂礫石填料）。

綜上所述，路基表層采用物理改良B料填筑，可以滿足規(guī)范和對應(yīng)路基承載力要求。并且設(shè)置路肩塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，進(jìn)一步提高基床表層承載及防沖刷能力。

2 路基表層改良B料的實(shí)施

2.1 路基表層填料改良的試驗(yàn)段驗(yàn)證

為確保改良B料的力學(xué)性能和基床表層的填筑質(zhì)量，我們采用實(shí)驗(yàn)段方法，實(shí)地驗(yàn)證最佳的參配含量、最優(yōu)機(jī)械組合和施工工藝。

在試驗(yàn)段中，分別按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)摻入不同比例的人工碎石進(jìn)行對照比較，分別用于幾段路基表層填筑。各層的填筑壓實(shí)度控制均采用同一標(biāo)準(zhǔn)，除孔隙率、地基系數(shù)外，還引入高速鐵路使用的EV2與EVD指標(biāo)，綜合評價(jià)幾段路基的物理力學(xué)性能。

經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證，改良前填料中2 mm以上的顆粒含量為56%，細(xì)粒含量為16%～18%，為礫石類土質(zhì)細(xì)角礫，屬B組。在最少摻入20%～25%的碎石情況下，填料改良后為礫石類含土細(xì)角礫，細(xì)粒含量為13%～15%，按UIC劃分為QS2“一般料”。在級配不良的情況下，仍屬B組，當(dāng)級配良好時(shí)屬A組。

UIC有碴軌道路基表層的EVD標(biāo)準(zhǔn)為50 MPa,EV2標(biāo)準(zhǔn)為120 MPa。

各試驗(yàn)段成果數(shù)據(jù)見表2。

表2 各試驗(yàn)段關(guān)鍵數(shù)據(jù)表

在各試驗(yàn)段的施工與碾壓中，統(tǒng)一按照孔隙率不大于28%，地基系數(shù)大于150 MPa的指標(biāo)進(jìn)行碾壓填筑，且各試驗(yàn)段的EVD均大于50 MPa，EV2均大于120 MPa。在達(dá)到同樣的壓實(shí)程度與基本相同的力學(xué)性能指標(biāo)時(shí)，用各型改良B料施工的試驗(yàn)段，其施工難度與碾壓遍數(shù)未有明顯增加。且在摻入不少于20%碎石時(shí)，在級配合適時(shí)，改良B料有很大幾率達(dá)到A組填料 （細(xì)粒含量小于15%，級配良好），符合中國鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，也符合且高于UIC的要求。

原設(shè)計(jì)路基基床表層排水措施是采用在表層底面位置鋪設(shè)一層砂夾復(fù)合土工膜，考慮到填料變更為改良B料，滲水性較差，如果在非滲水土內(nèi)部鋪設(shè)復(fù)合土工膜防水效果會不佳。如果將土工膜鋪設(shè)在路基基床表層頂面又容易出現(xiàn)土工膜老化失效現(xiàn)象。結(jié)合咨詢的意見，試驗(yàn)段基床表層頂面設(shè)置一層3 cm厚的瀝青細(xì)石表面處置封閉層進(jìn)行防水和隔離，用以替代砂夾復(fù)合土工膜。封閉后經(jīng)灑水試驗(yàn)驗(yàn)證，具有較好的防水效果，但其最終效果仍有待進(jìn)一步長期觀察。

2.2 路基表層填料改良方案實(shí)施

經(jīng)試驗(yàn)段驗(yàn)證與優(yōu)化計(jì)算，最終確定基床表層采用0.6 m厚改良B組填料（25%碎石+75%天然B組）填筑，顆粒粒徑不得大于150 mm，細(xì)粒含量≤15%，細(xì)粒土指標(biāo)：Ip≤10、WL≤40%。路基橫斷面見圖4。

圖4 路基橫斷面示意圖

基床以下與基床底層均按分段分層作業(yè)法施工，基床表層填料按路拌法物理改良后分兩層攤鋪碾壓，并嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)書要求增加檢驗(yàn)指標(biāo)（見前文）。

基床頂部瀝青細(xì)石封閉層，用層鋪法施工。

2.3 質(zhì)量控制

路基基床表層施工質(zhì)量嚴(yán)格按國標(biāo)《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》及《鐵路路基工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》[8]進(jìn)行控制。

基床表層填筑時(shí)，取自取土場的天然填料，其細(xì)粒含量不得大于20%，2 mm以上顆粒含量不少于50%。同一取土場填料未發(fā)生明顯變化時(shí)，每5 000 m3做一次篩分試驗(yàn)，用以驗(yàn)證天然填料的可用性。

路基基床表層改良B料，采用路拌法施工。碎石的摻入數(shù)量須過磅計(jì)量，不得按體積法估算摻入車數(shù)。改良后的B料，其細(xì)粒含量不應(yīng)大于15%，否則及時(shí)調(diào)整碎石摻量。采用同一種規(guī)格碎石進(jìn)行改良時(shí)，每5 000 m3做一次篩分、擊實(shí)試驗(yàn)，用以驗(yàn)證改良B料的合規(guī)性。見圖5。

圖5 建議的改良B料篩分曲線（改良后為A組）

改良B料填筑時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制最優(yōu)含水量，其施工含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量的-3%—+2%范圍內(nèi)。

路基表層填筑壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)見表3，表中各項(xiàng)指標(biāo)應(yīng)同時(shí)滿足。

表3 改良B料填筑壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)

基床表層分兩層填筑，每層壓實(shí)后的厚度不大于30 cm。第一層填筑，用孔隙率控制壓實(shí)質(zhì)量，孔隙率指標(biāo)每100 m檢查2個(gè)斷面，每個(gè)斷面檢查左中右各1點(diǎn)；第二層填筑完畢后，除應(yīng)滿足孔隙率要求外，還應(yīng)檢測其他各項(xiàng)指標(biāo)，其檢驗(yàn)頻率為每100 m檢查2個(gè)斷面，每個(gè)斷面檢查路基中間和邊緣各2點(diǎn)。

3 結(jié)語與思考

阿卡鐵路自2016年6月建成并正式開通運(yùn)營，至今已有3年時(shí)間。通過正式運(yùn)營實(shí)踐檢驗(yàn)，按此方案填筑的鐵路路基，尚未出現(xiàn)病害及其他方面的質(zhì)量問題，完全滿足設(shè)計(jì)與使用要求。實(shí)踐證明該技術(shù)方案是成功的，該作法降低了工程成本，加快了工期進(jìn)度，并且為后期實(shí)施的拉伊鐵路提供了最直接的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

通過第一個(gè)中國標(biāo)準(zhǔn)的海外鐵路項(xiàng)目實(shí)施，我們認(rèn)識到：第一，在全面理解掌握標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，一定要與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際條件相結(jié)合。中國標(biāo)準(zhǔn)走出去，不能簡單照搬，而應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋淖匀粚?shí)際情況，選擇適宜標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化實(shí)施方案，以質(zhì)量信譽(yù)為前提，綜合測算成本、工期效益指標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)業(yè)主滿意和雙贏。

第二，中國標(biāo)準(zhǔn)走出去，一定要加強(qiáng)與西方標(biāo)準(zhǔn)的交融，加強(qiáng)與國際咨詢的溝通交流。阿卡項(xiàng)目從勘探設(shè)計(jì)到批圖開工竣工，經(jīng)歷了多次對標(biāo)研討，最終找到了中歐標(biāo)準(zhǔn)之間的異同點(diǎn)，取得了滿足標(biāo)準(zhǔn)的共識，雙方技術(shù)人員的認(rèn)識理念也得到了更新和提升，為中國標(biāo)準(zhǔn)走出去走向更遠(yuǎn)邁出扎實(shí)的一步。