重載鐵路路基結構形式及技術標準研究

魏洪山 中國鐵路上海局集團有限公司建設部

重載鐵路具有運輸能力、經濟和社會效益顯著等特點，逐漸成為各國貨運鐵路主要發展方向。重載鐵路最早于20世紀20年代出現在美國，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性和安全性，對軌下系統的狀態及長期使用性能提出更高的要求。由于軌下系統的復雜性和不可測性，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。填料作為路基結構主要組成部分，其工程特性與路基長期工作性能密切相關。

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，沒有足夠時間進行養護，因此重載鐵路路基必須對其基床結構采取一系列特殊要求，在填料組成、強度、剛度、穩定性等方面高于普通線路，以滿足路基的整體穩定性、平順性和安全性。基床部分須具備適宜的土質和足夠的強度及有效的排水、防凍系統，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作用下，不發生軌道變形、路基失穩、道砟陷槽以及翻漿冒泥、凍害、擠出等基床病害。基床是重載鐵路路基結構的關鍵部位，其主要作用如下：

（1）基床具有滿足列車行進和路基穩定的足夠強度，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，減少養護維修的頻率；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，防止發生翻漿冒泥等病害。

（4）在可能發生凍害的地區，基床還有防凍等特殊作用，保護路基結構的整體穩固性。

2 國內外研究現狀

重載鐵路界定經歷漫長過程。國際重載鐵路協會于1986年、1994年和2005年先后3次對重載鐵路評價指標進行完善，確定重載鐵路評價指標必須至少滿足以下標準中的兩條：①列車質量≥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水平的不斷發展和提高。

我國最新(2017/5/1)頒布實施的《重載鐵路設計規范》(TB 10652-2017)確定重載鐵路評價指標必須至少滿足以下標準中的兩條：①牽引質量≥8 000 t；②軸重≥270 kN；③在至少150 km線路區段上年運量大于40 Mt。可見，我國界定標準與國際界定標準一致。

我國重載鐵路發展起步較晚。20世紀80年代，在借鑒國外重載鐵路運輸經驗、引進國外先進技術基礎上，結合既有鐵路運輸現狀，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，設計近期年運量3.5億t，遠期年運量4.5億t。瓦日重載鐵路全長1 259.836 km，實現了列車軸重30t關鍵技術攻關，列車設計速度120 km/h，年設計運貨量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的國家之一，這是我國鐵路重載技術創新的重大突破。

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準27 t，相比而言，我國重載鐵路線運營軸重多為25 t和27 t。我國重載鐵路發展整體滯后于西方發達國家。近年來，通過不斷擴大重載列車開行數量和提高重載貨車運量，我國重載鐵路技術已得到很大提高，進一步提升軸重是我國重載鐵路今后發展主要方向之一。

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構性能研究

重載運輸的迅速興起使得對重載線路強度要求更為嚴格，路基的穩定性、安全性、耐久性等問題迫切需要解決，以滿足重載機車反復運行、高效運載的需求。

結合目前國際重載運輸技術發展，分析現有重載鐵路干線路基基床結構特性，選取在重載運輸技術方面占有世界性的主導地位的日本、德國、法國作為研究對象。為了全面認識重載鐵路路基基床結構特性，下面分別對三國的基床結構設計情況做簡述。

（1）日本重載鐵路路基結構具有層次明顯，層間銜接良好，多種材料混合使用的特點。

基床結構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。根據填料組成的不同基床表層又可分為強化基床表層和土基床表層；強化基床表層按材質的類型分為碎石基床表層和水硬性礦碴基床表層。基床表層填料的選擇主要考慮線路區間的貨運量、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，應選用經過級配的MS和MHS，要求不含有機物、條狀片狀碎石、硫化物等有害物質；④土基床表層材料的選擇，一般采用優質天然砂或者統貨碎石，其厚度根據基床剛度、軌道結構和速度等因素確定，壓實系數達95%以上。

圖1 重載鐵路路基基床結構圖（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。可以適用的土質有：A類、B類、經砂化處理的C、D1、V類粗粒土或經處理的細粒砂，控制指標除壓實系數在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構具有多種層次、分布復雜、材料高強度等特點。

德國重載鐵路路基基床結構分為路基保護層、防凍層、填筑路堤層、地基過渡層。防凍層主要作用為防護路基凍害，增強基床抗凍性能；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構的技術要求方面基本一致，關鍵技術是采用水硬性膠結層代替保護層。

路基保護層（水硬性膠結層）和防凍層被視作為基床表層，兩層的厚度要根據線路類別和防凍要求確定。設計主旨是因為考慮到路基剛度自上而下逐漸減小的規律，滿足使用功能，降低成本。填筑路堤層和地基過渡層相當于我國的基床底層，主要選擇混合型和細粒土作為填筑材料，含氣率控制在12%以內，基于線路等級和填料類別，同時要求對壓實系數、變形模量控制。

法國重載鐵路路基的設計與德國多有相似，均為多層次分布形態。基床結構較為特殊，道砟層和路基層之間的調整層即墊層，根據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路基的上部結構，其厚度與路基種類和路基表面應力有關，此外根據等級、運量、軸重和養護情況綜合確定。

根據墊層作用的不同呈現多層組成結構，其中包含：①碴墊層，由級配純礫石組成，壓實系數須不小于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，由級配純碌石構成，壓實系數達0.95，土質優良地區可不設。③防污染層，可以用一層純砂鋪設，也可以加一層合成鏈墊鋪設。

4 國內重載鐵路路基基床結構形式研究

我國重載鐵路路基基床結構分為基床表層和基床底層兩部分，現已不能完全滿足重載鐵路發展的需求。基床填料選型，已難以滿足重載運輸在基床強度、剛度、穩定性等方面技術要求。

基床表層填料的選型根據工程地質及設計情況而定，須符合規范要求：①優先選用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%，塑性指數不大于12；必須使用C組填料時，應選擇細粒土中的粉土、粉粘土或者細粒土中含量大于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，液限不大于32%，塑性指數不大于12；④不符合以上規范要求的填料，須采取土質改良措施加以控制，嚴禁使用D、E組填料作為基床表層填料。基床底層可選用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。

基床的壓實標準控制指標較為簡單，對細粒土和粘砂、粉砂采用壓實系數或地基系數；對粗粒土粘砂、粉砂外采用相對密度或地基系數；對碎石類土和塊石類混合料采用地基系數。

5 結論與探討

鑒于對國內外重載鐵路路基基床的特性研究，認識到我國重載鐵路路基基床在設計理念和技術強化方面均落后于國外：基床結構單一，難以達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控制；基床強度較低，易引起基床蠕動變形，影響路基的穩定性；基床病害防控措施薄弱，難以抵抗凍脹變形破壞、土性和水文地質等不利條件。隨著列車載荷大幅增加和行車密度進一步提升，對重載鐵路路基基床結構的要求也進一步提高，迫切需要提高路基的承載能力和穩定性，強化基床結構，減少基床病害的發生。

（1）考慮到目前國內重載鐵路的運營現狀，在基床結構設計方面與發達國家相比還存在一定的差距，技術控制指標需進一步嚴格、完善。

（2）可以建立重載鐵路軌道一路基系統三維模型，利用有限元軟件進行較為真實的模擬。

（3）合理的分析重載鐵路路基基床結構的力學性能對研究路基的穩定性、抵抗變形能力、防止病床災害等因素提供有力依據，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。