牡佳高速鐵路全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)與施工工藝

張忠偉

中國(guó)鐵路哈爾濱局集團(tuán)有限公司，哈爾濱 150050

根據(jù)TB/T 2818—2016《鐵路路基病害分類》，運(yùn)營(yíng)高速鐵路路基變形的發(fā)生和發(fā)展均與路基含水率的變化有關(guān)。路基防水封閉結(jié)構(gòu)作為防止天然降水侵入路基的外部屏障，是保證高速鐵路路基長(zhǎng)期服役性能的關(guān)鍵措施之一。高速鐵路路基防水封閉層主要采用水泥基材料，并以纖維混凝土防水封閉層應(yīng)用最為廣泛，其主要形式是路肩和線間局部封閉。楊果林等［1］提出了改性水泥基復(fù)合防水材料并設(shè)計(jì)了適用于膨脹土路塹的防水封閉結(jié)構(gòu)路基，通過(guò)模型試驗(yàn)分析了該結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。張樂(lè)等［2］設(shè)計(jì)了全斷面聚氨酯碎石防排水基床表層結(jié)構(gòu)，開展室內(nèi)試驗(yàn)、仿真計(jì)算分析了該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)力學(xué)特征，給出了厚度設(shè)計(jì)指標(biāo)。王順平［3］分析了高速鐵路無(wú)砟軌道線間路基混凝土防水封閉層病害成因，研究制定了路基防水封閉層排查技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Castro 等［4］通過(guò)開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，結(jié)合仿真計(jì)算研究了瀝青混凝土封閉路基在巴西熱帶雨林氣候環(huán)境下水力參數(shù)分布規(guī)律。Huang 等［5］研究了聚氨酯改良級(jí)配碎石封閉層路基最佳配合比，通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)防水封閉的可行性。張世杰［6］依托京張城際鐵路，研究了懸浮-密實(shí)型瀝青混凝土作為防水封閉結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，提出了瀝青混凝土的建議級(jí)配范圍。李泰灃等［7］等過(guò)原位足尺模型試驗(yàn)和仿真分析，研究了周期性溫度荷載作用下瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)受力、變形的時(shí)空演化特征，提出了鋪設(shè)復(fù)合土工膜改善受力狀態(tài)方案。Luo 等［8］對(duì)比分析了京張高速鐵路瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)路基與普通路基在不同速度列車荷載作用下軌道結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。張紹曾［9］研究了鐵路路基瀝青混凝土全斷面式和自密實(shí)型防水封閉層的技術(shù)要點(diǎn)以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。封志軍等［10］研究提出了橡膠瀝青水泥基防水層路基結(jié)構(gòu)，提出了相應(yīng)的施工工藝流程及操作要點(diǎn)。

本文依托牡佳高速鐵路，提出全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)，明確材料性能要求與施工控制工藝，通過(guò)工后檢驗(yàn)與長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)在寒區(qū)高速鐵路凍脹防治的適用性。

1 工程概況

牡佳高速鐵路是沈佳高速鐵路的重要部分，也是國(guó)家鐵路長(zhǎng)期規(guī)劃的工程之一。牡佳高速鐵路起自牡丹江市，途經(jīng)林口縣、雞西市、七臺(tái)河市、樺南縣、雙鴨山市，終至佳木斯市，為有砟軌道結(jié)構(gòu)形式，全長(zhǎng)375 km，設(shè)計(jì)速度250 km/h。瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)工程試驗(yàn)段位于黑龍江省雙鴨山市集賢縣。集賢縣地處黑龍江省東部，三江平原腹地，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年均氣溫4.6 ℃。最冷月1 月平均氣溫-16.8 ℃，極端最低氣溫為 -35.6 ℃；最熱月7 月平均氣溫為22.7 ℃，極端最高溫度為38.1 ℃。無(wú)霜期147天，年降水量507.6 mm，年日照2 571.1 h。

2 全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)特性

全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)適用于寒冷、嚴(yán)寒、多雨地區(qū)，季節(jié)性凍土、膨脹巖土、濕陷性黃土、鹽漬土等特殊土地段的高速鐵路路基的防水封閉。服役過(guò)程不僅受到上部軌道結(jié)構(gòu)傳遞的列車荷載作用，而且還受到水分、溫度、紫外線等環(huán)境因素作用。

2.1 防水抗?jié)B性

高速鐵路路基全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)本身應(yīng)致密不透水，且表面應(yīng)平整密實(shí)，利于降水在自然狀態(tài)下快速排入邊溝或線間集水井。

2.2 抗疲勞性

針對(duì)高速鐵路路基全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)和環(huán)境條件，其疲勞作用包括列車往復(fù)荷載形成的荷載型疲勞作用和季節(jié)性和每日溫度變化導(dǎo)致的溫度疲勞作用。因此，全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)應(yīng)具有優(yōu)良的抗疲勞性能，使用年限內(nèi)不出現(xiàn)疲勞破壞。

2.3 耐久性

道路工程領(lǐng)域中瀝青路面的設(shè)計(jì)使用年限通常為15～30 年，而高速鐵路工程領(lǐng)域?qū)A(chǔ)設(shè)施使用壽命要求較高。全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)應(yīng)保證在服役期內(nèi)保持穩(wěn)定，使其具有優(yōu)良的耐久性能，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不會(huì)因光、熱、水以及荷載等的作用而出現(xiàn)氧化、碎裂或松散等病害而喪失其整體性。

2.4 支承性

全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)作為軌下基礎(chǔ)，其彈性模量、強(qiáng)度等應(yīng)滿足承載性能要求。此外，全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)還應(yīng)與軌道結(jié)構(gòu)之間具有足夠的界面穩(wěn)定性，保證軌道結(jié)構(gòu)的平順與穩(wěn)定。

2.5 溫度穩(wěn)定性

瀝青混凝土屬于黏彈性材料，高溫時(shí)表現(xiàn)出更多的黏性成分，低溫時(shí)表現(xiàn)出更多的彈性成分。全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)在高溫季節(jié)應(yīng)保持較高的抗變形性能，同時(shí)在低溫季節(jié)具有較強(qiáng)的低溫柔韌性及松弛能力，表現(xiàn)出較寬的工作溫度域。

2.6 抗水損性能

在水的作用下，瀝青混凝土?xí)l(fā)生黏結(jié)性、黏附性的損失，導(dǎo)致瀝青從集料表面剝離。在自身剝落或外部荷載的作用下，瀝青混凝土?xí)霈F(xiàn)松散、剝落等病害，逐步喪失防水能力。因此要保證全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)具有長(zhǎng)期良好的防水性能。

3 結(jié)構(gòu)形式設(shè)置原則

1）全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)設(shè)置于路基基床表層上部。

2）有砟軌道瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)為三角形，由全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)中心向兩側(cè)設(shè)置不小于4%的橫向排水坡。曲線加寬時(shí)仍保持三角形。

3）無(wú)砟軌道支承層（或底座）底部范圍內(nèi)全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)可水平設(shè)置，亦可以軌道中心線設(shè)置為雙三角形或雙梯形，支承層（或底座）外側(cè)全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)兩側(cè)應(yīng)設(shè)置不小于4%的橫向排水坡。試驗(yàn)段內(nèi)全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)共設(shè)置層厚12 cm（方案一）、10 cm（方案二）兩種。

4 材料性能要求

系統(tǒng)開展了瀝青混凝土性能評(píng)估試驗(yàn)，主要有滲水試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量和回彈模量試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)等，并提出了碾壓密實(shí)瀝青混凝土性能評(píng)估技術(shù)指標(biāo)，見表1。

表1 碾壓密實(shí)瀝青混凝土性能評(píng)估技術(shù)指標(biāo)

5 施工與質(zhì)量控制

高速鐵路路基瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的施工工藝控制的重點(diǎn)是瀝青混凝土材料的后場(chǎng)生產(chǎn)、運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)施工與調(diào)度協(xié)調(diào)。這四個(gè)環(huán)節(jié)之間密切聯(lián)系又相互制約，任何一個(gè)環(huán)節(jié)配合不當(dāng)，都會(huì)使整個(gè)施工系統(tǒng)阻塞和混亂。因此，本文提出高速鐵路路基碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的施工工藝與質(zhì)量控制技術(shù)。

5.1 施工工藝與信息化

工藝流程如圖1所示。

圖1 全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)施工工藝流程

瀝青混凝土的拌和質(zhì)量直接影響材料性能和耐久性。瀝青混凝土通過(guò)攪拌設(shè)備將砂石料烘干、加熱、篩分、計(jì)量，并加入適量的填充料（石粉），與瀝青液按一定配合比均勻攪拌。其中拌和溫度、級(jí)配、瀝青用量等關(guān)鍵的生產(chǎn)參數(shù)的控制對(duì)瀝青混凝土質(zhì)量尤為重要?；诖?，開發(fā)了拌和站信息化操控平臺(tái)，可對(duì)現(xiàn)有市政瀝青混凝土拌和站進(jìn)行改造，其具有以下功能：①實(shí)現(xiàn)對(duì)各檔石料用量、瀝青用量、級(jí)配、預(yù)熱溫度、拌和溫度、拌和時(shí)間等關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)控制；②實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測(cè)、記錄；③生產(chǎn)前設(shè)定限制，具有超限預(yù)警功能；④每日、每月或按照一定頻次統(tǒng)計(jì)時(shí)，可提供生產(chǎn)記錄信息，分析總體生產(chǎn)質(zhì)量波動(dòng)情況。

5.2 施工過(guò)程檢驗(yàn)

施工過(guò)程均嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并分別開展了透層瀝青灑布質(zhì)量檢驗(yàn)、瀝青混凝土外觀、拌和/出料溫度、油石比、馬歇爾試驗(yàn)、施工溫度、工后裂縫等施工過(guò)程質(zhì)量檢驗(yàn)，保證了施工質(zhì)量。由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，因此在生產(chǎn)中適當(dāng)提高了集料的加熱溫度，將出料溫度控制在185～195 ℃。傳感器顯示瀝青的加熱溫度為185 ℃左右，集料的加熱溫度為205 ℃左右，經(jīng)檢驗(yàn)符合設(shè)計(jì)要求（集料、改性瀝青加熱溫度應(yīng)分別在190～210、170～190 ℃并保持穩(wěn)定。

5.3 工后檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)瀝青混凝土的攤鋪質(zhì)量，施工結(jié)束后對(duì)兩種不同結(jié)構(gòu)形式的瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的滲水系數(shù)、壓實(shí)度等項(xiàng)目進(jìn)行了檢測(cè)。

1）滲水系數(shù)

按照區(qū)間正線路基沿線路縱向連續(xù)長(zhǎng)度方向選擇了3個(gè)斷面，現(xiàn)場(chǎng)切取瀝青混凝土板片，在試驗(yàn)室測(cè)試各個(gè)試件的滲水特性，檢測(cè)結(jié)果見表2。其中板1在方案一部位切取，板2 和板3 在方案二部位切取。設(shè)計(jì)要求滲水系數(shù)不大于60 mL/min，從檢測(cè)結(jié)果看，均能滿足要求，表明壓實(shí)效果較好。

表2 滲水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

2）壓實(shí)度

以試驗(yàn)室密度作為標(biāo)準(zhǔn)密度，以芯樣試件密度為實(shí)際密度，計(jì)算瀝青混凝土的壓實(shí)度。試驗(yàn)室測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾密度為2.45 g/cm3（板1），2.48 g/cm3（板2、板3）。沿線路縱向連續(xù)長(zhǎng)度每500 m不少于1個(gè)斷面。

壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果見表3。設(shè)計(jì)要求現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度不小于試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)密度的98%。由表3 可知，各位置的壓實(shí)度均符合設(shè)計(jì)要求，表明實(shí)體工程壓實(shí)度較好。

表3 壓實(shí)度（鉆芯取樣）實(shí)測(cè)結(jié)果

6 長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)與效果驗(yàn)證

為對(duì)比驗(yàn)證瀝青碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)路基凍脹變形的有效性，分別選取方案一路基、無(wú)封閉結(jié)構(gòu)的普通路基開展路基凍脹變形長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，時(shí)程曲線見圖2?？芍?，2019—2020年凍脹期內(nèi)兩者測(cè)得最大凍脹變形分別為0.78、6.12 mm，碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)可有效控制水分入滲路基，可有效控制寒區(qū)鐵路路基凍脹變形。

圖2 不同結(jié)構(gòu)的路基凍脹變形發(fā)展規(guī)律

7 結(jié)論

1）鐵路全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)需考慮防水抗?jié)B性、抗疲勞性、耐候性、支承性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗水損害性等，以滿足長(zhǎng)期列車荷載與環(huán)境因素作用下正常服役需求。

2）系統(tǒng)開展了瀝青混凝土性能評(píng)估試驗(yàn)，提出了碾壓密實(shí)瀝青混凝土性能評(píng)估技術(shù)指標(biāo)，用以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

3）全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的主要施工工序均嚴(yán)格按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，并分別開展了施工過(guò)程、工后質(zhì)量檢驗(yàn)，以保證施工質(zhì)量。

4）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，全斷面碾壓密實(shí)瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)所在路基凍脹變形水平明顯低于普通路基，說(shuō)明其具有良好的防水性能，可在對(duì)防止地表水入滲有嚴(yán)格要求的鐵路路基工程中推廣采用。